陈会梓

（民航华东空管局技术保障中心区管动力设备室，上海 200335）

1 引言

空管台站供电系统根据当地供电条件按需配置了柴油发电机组作为应急电源。在市电断电的情况下，柴油发电机组能够承担起台站一级负荷或者全台站供电负荷的需求。根据实际运行保障的经验，对柴油发电机组的带载范围要求越来越广。对于设备保障部门来说，非常希望降低市电停电对台站运行带来的影响,因此柴油发电机组带载范围也要扩大。而在这些负载中最为重要的是UPS，要求柴油发电机组能够在最短的时间内完成带载工作，并保持稳定输出[1]。

2 柴油发电机组带载情况分析

当市电停电情况下，柴油发电机组投入运行可能会出现工作不稳定的情况。具体表现：发电机组输出电流出现在±20%～50%振荡；发电机组出现振荡，输出电压超出UPS输入范围，使UPS频繁处于放电状态，由于负载频繁变化，导致柴油发电机组转速变化，造成振动加剧，导致柴油发电机组机械损伤；发电机组输出电压发生超出额定值的±20%的振荡，调整发电机组的电压调节器AVR也不能消除。

当柴油发电机组带有非线性负载（包括超前或滞后功率因数的负载，以及带有高次谐波输入的负载如UPS），会对柴油发电机组的输出稳定性产生影响。发电机组易受到非线性负载的影响是因为其亚瞬态电抗（12%～20%）远大于变压器的短路阻抗（4%～6%）。对于RLC串联电路如无源滤波器，可能会出现串联共振，造成柴油发电机组输出电压和频率变化很大。

发电机组输出不正常情况与如下两种性能有关系：

①发电机组的瞬态调压特性

由于发电机组的内阻比市电电网大，其输出容量也有限，当负载突变时，发电机组的电压瞬态变化所需时间较长，在GB2820-90中用瞬态电压调整率（标准要求≤±20%）和电压恢复时间（标准要求±2.4S）两个指标衡量，而各种类型的发电机组稳态电压的调整率相差并不大。机组的瞬态电压调整率和电压恢复时间与机组的励磁系统有较大的关系。

②负载大小和性质

图1 发电机组功率折算曲线

非线性负载占发电机额定容量的比例越大，其对发电机组的要求也越高。就目前多数空管台站的负载性质来说，绝大部分都是非线性负载，诸如6脉冲相控整流UPS、EPS应急照明、带整流器的照明系统、机房变频空调、大量的办公电脑等等。在柴油发电机组选型时，必须考虑到UPS采用的整流技术。如采用6脉冲相控整流UPS，柴油发电机组容量为UPS容量的3～3.5倍，而采用高频IGBT整流技术的UPS，约为UPS容量的1.2～1.5倍，还需留有20%～30%的冗余度。

图1为发电机组的功率折算曲线，图中粗黑色对一台发电机组，功率折算是工作点的函数。对纯容性负载，功率因数为0，发电机组所提供的功率只有额定功率的30%。

3 柴油发电机组容量计算以及带载方式配置

根据UPS容量，一般配套的发电机组容量比在2～4倍。而UPS负载量通常在50%～70%（并机中的单机容量），而对发电机组，其输出功率可能在40%左右，根据运行情况分析，柴油发电机组确保70%～80%左右的额定负载输出比较有利。通过改善负载以及UPS输入的功率因数能够明显降低发电机与UPS的容量配比。

台站供电系统设计时柴油发电机组的负载量占输出额定功率的70%～80%，利用计算负荷要求配置发电机组的常备功率。计算台站柴油发电机组所要供电的负荷，以70%～80%比例进行计算柴油发电机组的常备功率。在柴油发电机组选型时还应注意同等容量下的区别，如同样为150KVA的两种型号机组威尔信P150E、P150P1。P150P1适用与长行功率，可作为自备电源，对非恒定负载提供持续电力供应，对每年运行时间没有限制，并允许每12H内有1H过载10%以内运行。P150E适用于备用功率。可作为应急电源，对非恒定负载提供连续电力供应，而此型号机组的发电机已被调至最高允许功率，不能过载运行。查询了参数表P150E输出额定电流228A，P150P1输出额定电流251A，带载能力略大于P150E，应优先选择带载能力强的柴油发电机组。

采用错时带载方法可以避免负载对柴油发电机组造成的巨大冲击，该方法主要通过设置设备带载顺序避免负载冲击电流的叠加。柴油发电机组带载的顺序，可以优先满足UPS，其次是机房空调、照明，最后是功耗小，启动电流低的负载。在了解负载的瞬态和稳态功率情况下，柴油发电机组的备用过载功率始终大于任意负载启动的瞬态功率加上已经完成启动的负载稳态功率。目前柴油发电机组错时带载的方法主要是通过末端的ATS调整切换时间实现的，通常将UPS的输入配电柜设置为优先切换，其次是机房空调，应急照明，再者是消防系统，办公用电等负载。

4 柴油发电机组的励磁方式的选择

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，分为自励式和PMG（永磁发电机）励磁式同步交流发电机。其中PMG式调压器AVR功率源由副励磁机（永磁发电机）电枢绕组取得，交流同步发电机电枢绕组只提供信号源。PMG（永磁发电机）AVR的功率源取自副励磁机的电枢绕组，与同步交流发电机的电枢绕组的电压波形无关。在发电机负载突变时，该系统不受发电机机械过渡过程的影响，将输出电压调整到额定值，有较好的动态稳定性。永磁发电机具备电磁干扰小、电机效率高、电机温升低等特点，适用于要求柴油发电机组供电质量高、瞬间电压波动小、输出电压波形好、畸变率低的场合。PMG励磁方式的同步交流发电机可以在任何功率的机型中装配，同时需要更换AVR。采用自励式同步交流发电机时，UPS与发电机功率比至少为1：2～2.5，但仍不能保证发电机不受UPS影响；采用PMG（永磁发电机）励磁式同步交流发电机时，UPS与发电机功率比取1：1.25～2，保证发电机组正常运行。

图2 柴油发电机组PMG励磁系统图

如图2所示，PMG永磁式励磁方式的永磁励磁系统由五部分组成：发电机主励磁绕组（转子），永磁发电机（PMG），自动电压调节器AVR励磁机和旋转二极管。励磁系统的工作原理是：当发电机旋转时，永磁发电机（PMG）的永磁转子同轴旋转，切割PMG的定子绕组而产生三相正弦电势，引入发电机自动电压调节器（AVR）作为AVR的输入电源，AVR通过检测发电机的三相输出电压自动调节励磁机磁场的励磁电流，从而调节励磁机转子的三相输出电压，经旋转二极管整流后输送至发电机主转子的励磁回路。

通常PMG系统可承受达300%的额定电流，持续10s，而普通自励磁发电机的备用功率（过载能力）仅具备110%的额定输出功率，要提高发电机组的瞬态过载能力需要增加发电机组的额定输出功率才能实现。具有精度极高的稳态电压调整率,通常可达±0.5%。具有更强的抗干扰能力，带非线性负载能力强。同等容量的发电机组加装PMG后其带非线性负载能力将提高20%，PMG柴油发电机组应成为空管台站柴油发电机组配置的首选。

空管台站供电系统柴油发电机组作为应急电源，在容量匹配并考虑一定冗余度的情况下，配置PMG永磁式励磁系统，提升柴油发电机组带载能力。同时合理设置末端的ATS自动切换开关切换时间，避免负载对柴油发电机组造成的巨大冲击。