柴油发电机组的功率​匹配优化

摘要：柴油发电机组的功率匹配优化设计是指根据使用环境、负载情况、用途、性能要求等条件，依据机组的输出功率要求，合理地选择柴油机的功率及发电机的功率，以较优的方式来满足不同条件下的使用要求。本文以康明斯NTA855系列柴油机为例介绍了柴油发电机组的功率匹配优化设计，同时介绍了负载为非线性负载下的功率匹配优化设计的思路及注意事项。

一、柴发功率与容量关系及影响因素

      柴油发电机的功率和容量之间存在一定的关系，除了容量的大小外，控制柴油发电机功率的因素还有负载、燃油、机组的质量等。

1、功率和容量的关系

      柴油发电机的容量是指它所能输出的较大电功率，通常以千伏安（kVA）为单位，也就是视在功率，它包括了有功功率和无功功率。而功率是指单位时间内所能完成的功，以千瓦特（KW）为单位，即有功功率。

视在功率×功率因数cosФ=有功功率

      一般发电机功率因素为0.8，计算结果即1KVA=0.8*1KW。

      因此，柴油发电机的功率和容量之间存在一定的关系，如图1所示。一般来说，柴油发电机的容量越大，它所能输出的最大功率也就越大。

2、影响柴发功率和容量的因素

      除了容量的大小外，还有其他因素会影响柴油发电机的功率和容量。

（1）负载

      负载是指柴油发电机输出电能的用户和电气设备，负载越大，柴油发电机所能输出的最大功率也就越大。负载分为电感性、电容性、电阻性三种，其中感性和容性是用的比较多的，它们之间关系如图2所示。

      感性和容性指的是电路中电压与电流的相位关系。当负载是电感性质时，电压相位电流，即负载是感性的;当负载是容性负载时，电压相位滞后电流，电流相位电压，即负载是容性的。

① 感性负载

感性负载是指带有电感参数的负载。确切讲，应该是负载电流滞后负载电压一个相位差特性的为感性负载，比如如变压器，电动机等。另外一种是指有些设备在消耗有功功率时还会消耗无功功率，并且有线圈负载的电路，叫感性负载。

② 容性负载

容性负载一般是指带电容参数的负载，即符合电压滞后电流特性的负载。容性负载充放电时，电压不能突变，其对应的功率因数为负值，对应的感性负载的功率因数为正值。

（2）燃油

      在同样的负载下，柴油发电机所使用的燃油类型和质量也会影响它的功率和容量。好的燃油能够使柴油发电机的效率更高，输出功率也更大。

（3）设备质量

      设备质量（或工作效率）也会直接影响柴油发电机的功率和容量。好的机组设计和制造能够使发电机的效率更高，输出功率也更大。

      在选择柴油发电机时，首先要根据需求确定需要的功率和容量，并根据实际情况合理把握。同时，还要考虑到燃油的质量、发电机的质量和有效期、负载情况等因素的影响，综合选择适合自己需求的柴油发电机。

二、常规机组功率匹配

      本文以康明斯公司生产的NTA855系列柴油机为例，简要阐述不同条件下的功率匹配设计问题，因条件类型比较多，在这里不能一一阐述，本文仅根据作者的工作经验列举部分具有代表性的条件进行阐述。本文所涉及到的术语，未作解释的请查阅JB/T8194-2001《内燃机电站名词术语》。

      常规机组指在规定的工况条件下，能输出标定功率的机组，其负载为0.8功率因数条件下的负载。

1、柴油机功率标定方法

      康明斯公司K19系列柴油机功率标定采用GB/T6072.1-2008中规定的方法，以12h功率或1h功率为标定指标，如康明斯KTAA19-G6柴油机标定的12h功率为570kW，1h功率为520kW，其含义是在规定的额定工况环境条件下，允许柴油机以520kW的功率连续运行12h，而570kW作为超负荷功率使用，即每12h运行期内允许柴油机间断或不间断地以110%持续功率运行1h。1h功率≈12h功率/1.1。

2、计算公式

      柴油发电机组的匹配功率P可按下式计算，此功率不得超过发电机的标定功率（相应工况条件下）。

P=（P_nη₁-P₀）η₀.....................（公式1）

式中，P_n——柴油机额定功率；

P₀——风扇等柴油机外围附件功率损耗，由柴油机厂家提供。一般情况下，柴油机功率越大损耗越大，若柴油机标定的功率为净有效输出功率，则该数值为零；

η₀——发电机效率，由发电机生产厂家提供，一般在0.74~0.96之间，发电机功率越小，其效率越低；

η₁——功率修正系数。若用户所购买的机组其输出标定功率的使用环境与标准基准状况存在差异时，其数值依据GB/T6072.1-2008规定的方法进行换算，在额定工况下，功率修正系数η₁=1.0。近似粗算修正系数数值见表1（供参考，具体以柴油机数据为准）：

表1    功率修正系数η₁

  因此在设计发电机组时，发电机组的标定功率按下式计算：

P=（P_nη₁-P₀）η₀

      发电机标定功率P应大于机组的标定功率Pₑ。

3、实际案例

      以NTA855-G1B柴油机为例，其额定功率为280 kW，设计工况为标准基准状况下的发电机组标定功率，即机组的额定功率。

Pₑ≤P=（P_nη₁-P₀）η₀.....................（公式2）

=（280×1-10）×0.926

=250 kW

      因此，机组的额定功率P=250 kW，机组在额定工况条件下能正常地连续运行12h（其中包括超载10%运行1h），若连续运行时间超过12 h，其输出功率为额定功率的90%。

      根据发电机功率选择≥机组额定功率P的要求，发电机功率选配为250 kW。

三、非线性负载下的功率匹配

      该条件下的功率匹配设计也是在规定的工况条件下，但其负载比较特殊。非线性负载是指电压和电流之间是非线性关系的负载。在负载投入、运行过程中，电压、电流的关系是经常变化的，其波形也不是我们常说的正弦交流波，而是含有不光滑的畸变成分，根据数学方法可分解为基波和一系列的高次谐波，主要是5次、7次等奇次谐波。

1、常见非线性负载的类型

（1）开关电源、UPS；

（2）电子数据图象设备--电视、电影等无线电发射设备、可控灯光设备等；

（3）整流器、荧光灯；

（4）电动机负载，电动机虽然不是非线性负载，但是由于控制方式上经常使用软起动器、变频控制的手段，也属于非线性负载考虑的范畴。

2、非线性负载的影响

（1）发电机组的输出电压突然增高；

（2）发电机组的输出频率在40-60 Hz之间波动；

（3）非线性负载的高次谐波导致反常的导体发热，损坏发电机的绕组、励磁回路和AVR。图3显示的是正常的正弦电压波形和畸变的电压波形；图4显示的是正弦稳态电路中的瞬时功率波形。

（4）电动机起动时电流会比正常工作时的电流大若干倍，功率因数又非常低，所以会造成发电机端电压下降，可能会造成配电设备的保护动作；频繁起动还可能造成发电机转子烧坏。当电动机容量较大时也要进行发电机的特殊选型，这类情况主要是工厂用户、大楼的消防水泵、消防电梯等。

2、功率匹配设计的思路

      了解用户非线性负载的类型，并尽可能要求用户提供以下资料：基本负载的容量、负载投入的顺序和非线性负载的类型。

      功率匹配设计思路同本文的计算公式（2），但须考虑用户非线性负载的类型，考虑其所产生的影响，因此在计算公式（2）的基础上根据不同的非线性负载类型，建议采用以下3种方法：

（1）在不增加柴油机功率的条件下配置一台较大容量的发电机，以提高机组带非线性负载的能力。发电机输出功率一般可以按照表2的参考值进行选择。

表2    非线性负载下的发电机功率匹配关系

      若负载为电动机负载，起动电流的倍数与起动方式的关系见表3。应根据起动容量要求，进行发电机的选型，考虑起动容量时，需考虑起动的顺序，是否要求同时起动等因素。

（2）尽可能采用无刷永磁式励磁交流发电机或使用三次谐波励磁的发电机，来提高发电机组带非线性负载的能力。

注意：上述2种方法，可结合起来考虑使用。

（3）若发电机功率与柴油机功率相差较大，为提高柴油机运行的稳定性，须适当考虑提高柴油机的功率。

总结：

      柴油发电机的功率和容量之间存在一定的关系，除了容量大小外，还有其他因素会影响柴油发电机的输出功率。选择适合自己需求的柴油发电机需要考虑多方面的因素，使其满足实际生产和生活需求。因此，柴油发电机组功率匹配设计需考虑机组的使用环境、负载的状况、用途及性能要求等，根据不同的客户要求，进行合理的设计优化，在满足使用要求、保证产品质量的前提下，以较低的成本达到客户的要求。