摘要：民用柴油發(fā)電機組可根據(jù)GB標準的性能等級來選擇功率和機型，以適合工廠的供電用途和實際需求。在柴油發(fā)電機組確定方案后，應如何核驗柴油發(fā)電機組方案設計能否符合自己的實際需求。因此，康明斯公司本文提出的計算公式目的是通過計算確定該方案是否可行。根據(jù)常用的柴油發(fā)電機容量選擇和校核方法，現(xiàn)行《廠用電技規(guī) DL/T  5153-2002》與《電力工程設計手冊》略有不同，本文所述計算公式擬分別按兩種方法計算和校核。

一、柴發(fā)性能等級

       根據(jù)國家標準《往復式內(nèi)燃機驅動的交流發(fā)電機組》GB/T10304，柴油發(fā)電機組性能等級可以分為四級，分別是G1級、G2級、G3級和G4級，如圖1所示。這些等級分別對應不同的應用場景和性能要求：

1、G1級性能要求

      適用于只需規(guī)定其電壓和頻率的基本參數(shù)的連接負載。主要作為一般用途，如照明和其他簡單的電氣負載。

2、G2級性能要求

      適用于對電壓特性與公用電力系統(tǒng)有相同要求的負載。當其負載變化時，可有暫時的然而是允許的電壓和頻率偏差。如照明系統(tǒng)、泵和風機等。

3、G3級性能要求

      適用于對頻率、電壓和波形特性有嚴格要求的連接設備。如無線電通信和晶閘管整流器控制的負載。

4、G4級性能

      要求適用于對頻率、電壓和波形特性有特別嚴格要求的負載。如數(shù)據(jù)處理設備或計算機系統(tǒng)，典型案例如圖2所示。

      因此，在購買柴油發(fā)電機組時，一定要根據(jù)實際的實用范圍和用電主體的特性來選擇相應性能等級的柴油發(fā)電機組，這樣才能保證柴油發(fā)電機組的正常使用及供電安全。

二、柴油發(fā)電機組選型考慮因素

      柴油發(fā)電機組容量的估算是十分重要也是比較復雜的問題，容量過小，無法帶全部負載或者在啟動大功率負載時導致突然停機；容量過大，投資及維護成本高，造成經(jīng)濟浪費。而且根據(jù)柴油機的特性，如果在小負載下長期工作，將造成活塞環(huán)、噴油嘴積炭嚴重，氣缸磨損加劇等損壞發(fā)電機組的不良后果。所以在容量估算時需要考慮多方面的因素，包括：使用環(huán)境、負載的類型和預留裕量等內(nèi)容。

1、使用環(huán)境

      不同的工作環(huán)境會影響發(fā)電機組的輸出功率。工作環(huán)境主要包括環(huán)境溫度、海拔和相對濕度。當環(huán)境溫度、海拔過高時，空氣密度降低，發(fā)電機組運行時燃燒所需氧氣供應量減少，發(fā)電機組的輸出功率應做相應的下調(diào)。換而言之，選用的發(fā)電機組功率要比負載的功率絕對值高。柴油發(fā)電機組的額定功率是在標準狀態(tài)環(huán)境下滿負載運行時測得，即：進氣溫度為27℃，海拔為152.4m，相對濕度為60％。當超過該標準時，標定功率就要有所折扣了。

      值得注意的是，電控柴油機采用了電子噴油控制技術，通過對安裝在發(fā)電機上的電子控制單元對進氣歧管的進氣壓力、燃油溫度的精確測量，控制每個噴油器的噴油正時和噴油量，使得發(fā)電機組在非標準環(huán)境下有較小的功率下降。

2、負載的類型

      不同類型的負載對發(fā)電機組容量要求相差是很大的，負載類型一般分為電阻性、電感性等線性負載與內(nèi)含整流電路的非線性負載（又稱整流性負載）。阻性負載如燈泡、電爐子、烤箱等，感性負載如空調(diào)、機床、水泵等，非線性負載如UPS、電子計算機、程控交換機、PLC設備等。帶電阻性負載時，發(fā)電機組的容量只需要略大于負載功率。但是在帶電感性負載和非線性負載時，容量就需重新計算。

（1）電感性負載對容量的影響

      電感性負載（如三相籠型異步電動機）的特性是當啟動時有很大的電流，而且功率因數(shù)大大低于正常運轉值。如果直接啟動，啟動電流值為正常運轉時的5～7倍，這就要求發(fā)電機組容量足夠大滿足其啟動要求。但是隨之而來的問題是發(fā)電機組的功率選大了，而正常運行時功率又遠小于發(fā)電機組額定值，這顯然是不經(jīng)濟的。

      為了減小電動機啟動時的影響，往往采用降壓啟動的方法，就是在啟動時降低加在電動機定子繞組上的電壓，待電動機轉速接近穩(wěn)定時，再把電壓恢復到正常值。一般有以下幾種降壓方法：

① 星形-三角形（Y-Δ）換接啟動；

② 自耦降壓啟動；

③ 電抗降壓啟動；

④ 軟啟動；

⑤ 變頻啟動。

      其中Y-Δ法的啟動電流為直接啟動電流的1/3；自藕降壓啟動法的設備具有抽頭根據(jù)啟動轉矩的要求得到不同電壓；電抗降壓啟動電流按其端電壓的比例降低；延邊三角形啟動電流一般為直接啟動時的1/2。具體的操作方法可在電工手冊上查得。

（2）非線性負載對容量的影響

      非線性負載（如電子計算機等）設備都有啟動沖擊電流、諧波反饋、電流突變等干擾，而且往往對發(fā)電機組電壓降值有很高的要求。由于柴油發(fā)電機組所送出的電源本身不但電壓畸變度大，而且隨著發(fā)電機組的額定輸出功率容量的減小，其內(nèi)阻增大的矛盾會顯得更加突出。當帶電阻性負載時，這種影響比較小。然而，在帶計算機和通信設備這種整流濾波型負載或UPS時，會影響負載的正常運行乃至使用壽命。雖然康明斯電力技術有限公司的發(fā)電機組有著優(yōu)良的電氣性能，但出于安全考慮仍應把容量選得大一些。

      在電壓降的要求上，大容量發(fā)電機組帶較小的負載產(chǎn)生電壓降較小，PMG比SHUNT小得多，當SHUNT無刷自勵式發(fā)電機組帶無輸入濾波器的UPS時，往往要求容量為UPS容量的2～2.5倍。選擇帶高效輸入濾波器的UPS或帶PMG永磁式發(fā)電機組則容量匹配可以非常接近。

      總之，計算發(fā)電機組容量時應明確各個負載的性能，以做出正確的選擇，幾種負載的參考特性參數(shù)見表1。

表1    不同負載時的啟動電流和運行電流

3、其他考慮因素

      根據(jù)現(xiàn)有負載進行計算發(fā)電機組容量后，還要加入其他考慮因素，如：是否有些負載可能發(fā)生過載的現(xiàn)象，今后是否有擴充負載的需要，建議根據(jù)自己的實際需要適量加大發(fā)電機組的容量。

      另外，在經(jīng)濟條件許可的情況下，建議采用2臺或多臺發(fā)電機組，其中一些發(fā)電機組用于敏感的負載（如電子計算機系統(tǒng)和其他電子設備），另一些發(fā)電機組則用于不敏感的負載（如電阻性負載和電動機）。防止由于電動機啟動時造成發(fā)電機組電壓波形畸變對敏感性負載的影響。

4、特殊用途發(fā)電機組的選擇

      特殊用途發(fā)電機組的開發(fā)和應用，擴大了柴油發(fā)電機組的應用范圍，拓展了用戶的選擇空間。

（1）適合于特殊噪聲要求場合的靜音箱式發(fā)電機組；

（2）城市范圍內(nèi)的短距離應急供電或工程事故搶修供電的防音型拖車發(fā)電機組，外形如圖4所示；

（3）自備動力，適合于城市范圍遠距離移動應急供電的車載電站；

（4）適合放置大型發(fā)電機組，同時具有防音效果的集裝箱發(fā)電機組。

三、設備容量校核方法

1、 “技規(guī)”方法

（1）按發(fā)電機帶負荷起動一臺最大容量的電動機時過負荷能力校驗：

Se ≥ sjs +  1（.25Kq − K） PDM/1.5....................（公式1）

式中，Se－發(fā)電機額定容量；

Sjs－計算負荷；

PDM －最大電動機的額定功率；

Kq－最大電動機的起動電流倍數(shù)，取 6；

K－換算系數(shù)，取 0.8。

（1）計算長期連續(xù)運行所需要的容量

P_c=∑P_DK₁+∑P_JK₂....................（公式4）   

Q_c=∑P_DK_{1 tg?D} + ∑P_JK_{2 tg?J}....................（公式5）   

式中，∑P_D －連續(xù)運行的電動機額定功率之和；

∑P_J －連續(xù)運行的靜止負荷之和；

K₁ 、K₂－系數(shù)，分別為 0.9 和 0.32；

K_{1 tg?D} －運算系數(shù)，為 0.53；

K_{2 tg?J} －運算系數(shù)，為 0.24。

（2）計算起動所需要的容量：                         

      考慮嚴重情況，發(fā)電機已帶一臺機組的起動負荷和靜止負荷，達到穩(wěn)定運行后， 再投入另一臺機組的成組起動負荷和靜止負荷。 由于＃2柴油發(fā)電機組成組起動負荷較＃1 柴油發(fā)電機組為大，可只計算帶＃1 柴油發(fā)電機組負 荷再投入＃2柴油發(fā)電機組負荷的情況。

P_zq=0.9∑Pzq1+3.45∑P_zq2 +0.32（∑P_J1 +∑P_J2）....................（公式6）   

Q_zq=0.53∑P_zq1+7.9∑P_zq2 +0.24（∑P_J1 +∑P_J2）....................（公式7）   

式中，∑PJ1   、∑PJ2 －為兩臺機組靜止負荷之和；

（3）計算單臺電動機起動時所需的容量：

      以嚴重情況，即＃1 柴油發(fā)電機組中盤車投入情況計算：

P_zq1=P_c+0.9（∑P_zD−P_md1） +3.45 P_md1....................（公式8）   

式中，Pmd1— ＃1柴油發(fā)電機組的單臺自起動電動機中最大的一臺電動機;

∑PzD—與Pmd1在運行時間上重疊的其它短時運行的電動機容量之和。

      在進行適當?shù)墓こ碳僭O和理論抽象的基礎上，可以在綜合考慮諸多影響要素后，對發(fā)電機容量校驗給出實用的計算公式，并可滿足工程要求。確定發(fā)電機容量時，應滿足穩(wěn)定計算負荷需要和進行允許電壓降校驗。其中，選定恰當?shù)碾妱訖C啟動方式，可使允許電壓降校驗得以自然滿足，且所得發(fā)電機容量最為經(jīng)濟合理。當條件允許時，大容量的電動機盡量采用降壓啟動，以有效減少發(fā)電機容量、降低工程造價。

      部分人傳統(tǒng)觀念中的僅以額定容量最大的電動機來校驗發(fā)電機容量，是不夠嚴謹?shù)?，尚應考慮電動機啟動方式、距離發(fā)電機遠近、已接負荷和發(fā)電機自身特性等因素的影響。

總結：

     大家知道，民用建筑中備用柴油發(fā)電機容量首先應滿足穩(wěn)定計算負荷需要，并經(jīng)母線上允許電壓降校驗通過。而傳統(tǒng)技術視角大多僅關注額定容量最大的電動機對于柴油發(fā)電機容量校驗之影響。實際上，除了電動機額定容量外，電動機啟動方式、配線距離及截面、發(fā)電機自身特性、母線上已接負荷等，都跟發(fā)電機容量的確定產(chǎn)生關聯(lián)?？紤]到電動機啟動容量、配線、已接負荷和發(fā)電機特性等諸多影響因素，上文探討嚴格意義上的民用建筑中柴油發(fā)電機容量校驗，提出及推導若干實用校驗公式，并介紹其具體應用。