新聞主題	康明斯對柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行的研究

摘要：隨著獨(dú)立電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，在特殊工況領(lǐng)域中多臺柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的供電模式受到廣泛應(yīng)用。由于備用型柴油發(fā)電機(jī)組存在并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容和不同廠家、不同容量、不同型號并機(jī)問題，以及供電系統(tǒng)中并聯(lián)操作頻繁且對可靠性及穩(wěn)定性要求較高，因此研究多臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的現(xiàn)實意義凸顯。

 

一、問題的提出

    隨著社會時代信息化、數(shù)據(jù)化的進(jìn)程，跟多的企業(yè)關(guān)注企業(yè)數(shù)據(jù)庫的建立和網(wǎng)絡(luò)信息的互聯(lián)，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)在進(jìn)幾年的需求呈井噴狀發(fā)展，早今年的數(shù)據(jù)中心建設(shè)的規(guī)模建設(shè)相對較小，多數(shù)早期建設(shè)數(shù)據(jù)中心的后備電源系統(tǒng)呈現(xiàn)擴(kuò)容需求。而數(shù)據(jù)中心大型化、集中化是目前數(shù)據(jù)中心建設(shè)的趨勢，且10kV備用發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用在各數(shù)據(jù)中心的使用日趨廣泛，并機(jī)系統(tǒng)終期容量相對較大，容量范圍在10000kW～30000kW之間，若建設(shè)初期投入較多的發(fā)電機(jī)組，對數(shù)據(jù)中心的初步投資成本難以控制，同時數(shù)據(jù)中心的成本回收期也相對加大，故一般建設(shè)均是前期不認(rèn)投入，待需求增加后再行發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容。從上述可以看出，備用發(fā)電機(jī)組的擴(kuò)容是所遇數(shù)據(jù)中心建設(shè)發(fā)展中都面臨的問題。

    備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容一般采用與原有發(fā)電機(jī)組同型號、同容量的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容，對后期設(shè)備采購的成本難以實現(xiàn)最佳性價比，而不同廠家，不同型號，不同容量的發(fā)電機(jī)組擴(kuò)容在理論上完全可行，但是對于具體的工程實踐操作還是在試探階段，在電信行業(yè)特別是大型數(shù)據(jù)中心的備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容方案中不曾采納實施過。

圖1 柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)示意圖

 

 

二、前期研究和準(zhǔn)備

某數(shù)據(jù)中心建設(shè)中面臨了10kV備用發(fā)電機(jī)組的擴(kuò)容問題，在對設(shè)備進(jìn)行招標(biāo)采購之前，對并機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)狀及并機(jī)方案進(jìn)行了研究和對比。

1、并機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)狀

    某數(shù)據(jù)中心一套10kV備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)先接入5臺康明斯備用高壓發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)，系統(tǒng)包含5臺2000kW/10kV發(fā)電機(jī)組、并機(jī)分配屏、發(fā)電機(jī)組控制屏、啟動電池等，構(gòu)成一套并機(jī)系統(tǒng)，并機(jī)控制屏安裝于動力維護(hù)室系統(tǒng)輸出至高壓油機(jī)供電系統(tǒng)，系統(tǒng)終期容量按8臺發(fā)電機(jī)組16000kW設(shè)計。發(fā)電機(jī)組的HGM9510控制屏分三種工作模式：自動模式、手動模式和停止模式

2、并機(jī)方式研究

    目前部分油機(jī)廠家可以實現(xiàn)不同廠家、不同容量的發(fā)電機(jī)組在同一供電系統(tǒng)并機(jī)工作，工作方式一般有以下幾種：

（1）第三方制造并機(jī)控制柜，即將所有不同廠家、容量的發(fā)電機(jī)組的輸出信號接入并機(jī)柜，并機(jī)柜中的控制器采集所有發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，當(dāng)滿足并機(jī)要求時，實現(xiàn)多臺不同廠家、不同容量發(fā)電機(jī)組的并機(jī)；

（2）柴發(fā)廠家自帶控制器，通過追蹤已有發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，當(dāng)滿足并機(jī)要求時，將新增發(fā)電機(jī)組接入原有并機(jī)系統(tǒng)，實現(xiàn)多臺不同廠家、不同容量發(fā)電機(jī)組的并機(jī)。

（3）采用和現(xiàn)有系統(tǒng)相同的并機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)不同廠家發(fā)電機(jī)組的并機(jī)控制。

3、并機(jī)存在的問題

    不同廠家、型號容量發(fā)電機(jī)組并機(jī)最關(guān)鍵的問題是廠家控制屏的互聯(lián)互通問題。原有發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵圖紙資料不全，現(xiàn)場電纜的標(biāo)識褪色模糊，只有對原來的控制信號逐一梳理清楚后，才能在不影響原來發(fā)電機(jī)組待機(jī)的情況下進(jìn)行升級改造。并機(jī)發(fā)電機(jī)組之間最為關(guān)鍵的負(fù)載分配信號，也只能通過現(xiàn)場測量收集。數(shù)據(jù)中心對并機(jī)系統(tǒng)并機(jī)成功輸出的時間要求嚴(yán)格，控制在90s內(nèi)，也是不同廠家油機(jī)系統(tǒng)并機(jī)的難題。

三、并機(jī)實踐中的問題和解決

    我們選擇和原有發(fā)電機(jī)組相同的并機(jī)控制系統(tǒng)，但是軟件版本不同，是相對保守和成功可靠性較高的方式。事實遠(yuǎn)比想像復(fù)雜，在并機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)容建設(shè)過程中，研究的問題往往涵蓋不了出現(xiàn)的問題，于是我們的問題和解決方法成為最寶貴的工程經(jīng)驗。

1、負(fù)載分配

    并機(jī)發(fā)電機(jī)組之間最為關(guān)鍵的負(fù)載分配信號，也只能通過現(xiàn)場測量收集，形成一條功率和控制電壓的關(guān)系曲線，再輸入到我們的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)過現(xiàn)場空載和帶載等各種工況的測試驗證，已經(jīng)達(dá)到無縫兼容的實際效果，并且十分穩(wěn)定流暢。

 

圖2 發(fā)電機(jī)動態(tài)穩(wěn)定性分析功角特性曲線圖

 

2、并機(jī)控制的改造

    由于康明斯的HGM9510控制屏程序，觸摸屏源程序和包含參數(shù)地址的MODBUS通訊協(xié)議已無法獲得，只能采用串口程序現(xiàn)場調(diào)測數(shù)據(jù)，一個數(shù)據(jù)包，一個數(shù)據(jù)地進(jìn)行驗證，出現(xiàn)過個別數(shù)據(jù)格式不符，亂碼，數(shù)據(jù)丟包的現(xiàn)象，甚至還偶爾出現(xiàn)觸摸屏死機(jī)需要重啟復(fù)位的情況，經(jīng)過改進(jìn)和測試，系統(tǒng)才逐步趨向完美，達(dá)到目前的運(yùn)行穩(wěn)定。

3、環(huán)流及接地電阻控制邏輯

    通過對接地電阻的控制優(yōu)化以及控制系統(tǒng)相關(guān)無功控制參數(shù)的優(yōu)化，降低了接地環(huán)流，提供了發(fā)電機(jī)組運(yùn)行和供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

    原有系統(tǒng)中性點接地電阻的控制邏輯是與輸出高壓斷路器的合閘、分閘控制信號是聯(lián)動的，即只要發(fā)電機(jī)組一合閘，其配套的接地電阻也是同時跟隨合閘的，這樣勢必在多臺發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時，相應(yīng)臺數(shù)的發(fā)電機(jī)組的接地電阻都是同時合閘的，通過接地電阻，所有運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的中性點實際上就相互導(dǎo)通，并聯(lián)接在一起了，容易產(chǎn)生環(huán)流導(dǎo)致誤報警跳閘，甚至造成發(fā)電機(jī)組故障，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，也是發(fā)電機(jī)廠家所明令禁止的。

     通過增加PLC可編程邏輯控制器硬件，優(yōu)化接地電阻合閘程序，高壓斷路器的合閘控制信號不再同時給接地電阻去控制其合閘，而是將所有斷路器的合閘位置反饋信號輸入PLC可編程邏輯控制器里面，經(jīng)過邏輯處理完成后，再去控制相應(yīng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的接地電阻合閘，這樣確保不管多少臺發(fā)電機(jī)組在并聯(lián)合閘運(yùn)行，系統(tǒng)里面始終只有一臺接地電阻是合閘的，如果合閘位置的那臺接地電阻對應(yīng)的發(fā)電機(jī)組停機(jī)，則接地電阻會同時分閘，并自動合上正在運(yùn)行且合閘的發(fā)電機(jī)組對應(yīng)的接地電阻，完成接地電阻的同步切換。

4、不同品牌調(diào)速器動態(tài)響應(yīng)一致

    康明斯柴油機(jī)采用的是電子調(diào)速器，擴(kuò)容的10kV備用發(fā)電機(jī)組采用的是高壓共軌電噴ECM管理系統(tǒng)，二者由于調(diào)速系統(tǒng)方式不同，無法直接握手通訊，為了滿足數(shù)據(jù)中心項目高比例非線性負(fù)載頻繁大幅變化對調(diào)速系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，采用了國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線-高速CANBUS控制器局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制器間的并機(jī)數(shù)據(jù)傳輸，并且優(yōu)化調(diào)速器本身的PID閉環(huán)控制動態(tài)參數(shù)，達(dá)到了理想效果。

5、接地開關(guān)與控制系統(tǒng)實現(xiàn)互鎖

    一般高壓開關(guān)柜廠家都設(shè)計了比較完善的“五防”即：防止帶負(fù)荷合閘、防止帶接地線合閘、防止誤入帶電間隔、防止帶電掛接地線、防止帶負(fù)荷拉刀閘。

    以上針對出線柜是沒有問題的，但是用于10kV備用發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)接入柜時，即高壓開關(guān)柜的接地開關(guān)在位置上位于高壓開關(guān)柜最下面，在電路邏輯上處于可以提供應(yīng)急10kV高壓動力電源的電源端，如果在高壓開關(guān)柜接地開關(guān)處于合閘狀態(tài)時，柴油發(fā)電機(jī)組啟動回路沒有被閉鎖，發(fā)生啟動并發(fā)電的情況，將造成發(fā)電機(jī)的動力輸出直接通過接地開關(guān)短接，更為嚴(yán)重的是由于在發(fā)電機(jī)和接地開關(guān)之間沒有斷路器進(jìn)行保護(hù)，后果將不堪設(shè)想。

    通過完善控制回路，實現(xiàn)當(dāng)接地開關(guān)處于合閘位置即系統(tǒng)接地時，發(fā)電機(jī)組不能開機(jī)運(yùn)行，如果正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組檢測到接地開關(guān)狀態(tài)變換到合閘，也會立即保護(hù)停機(jī)，杜絕帶接地開關(guān)啟動運(yùn)行的可能。

6、60秒鐘內(nèi)并機(jī)帶載

    由于發(fā)電機(jī)組并機(jī)系統(tǒng)最多支持32臺并機(jī)，并機(jī)的方式是接到啟動信號，同時啟動，誰最先穩(wěn)定誰即作為首臺發(fā)電機(jī)組，立即合閘到無壓母排，后續(xù)發(fā)電機(jī)組采取同時與母排電壓即首臺合閘發(fā)電機(jī)組的電壓信號進(jìn)行跟蹤同步的方式進(jìn)行同步控制，理論上增加3臺發(fā)電機(jī)組不會增加并機(jī)所需要的時間。這個優(yōu)于并機(jī)時間疊加的傳統(tǒng)的排隊并機(jī)模式。

    通過現(xiàn)場調(diào)試及參數(shù)優(yōu)化，并通過反復(fù)并機(jī)測試，改造后8臺發(fā)電機(jī)組總的并機(jī)時間比原來5臺并機(jī)的時間還要短。

7、液晶屏顯示界面

    考慮到擴(kuò)容3臺發(fā)電機(jī)組是先進(jìn)的高壓共軌電噴發(fā)電機(jī)組，通過柴油機(jī)機(jī)帶電腦板ECM，發(fā)電機(jī)微處理器數(shù)字式調(diào)壓器BE2000E和控制器RS485通訊所能夠提供的參數(shù)要比原來5臺發(fā)電機(jī)組的多得多，為了運(yùn)行值班人員全面掌握了解實時運(yùn)行參數(shù)，在觸摸屏界面增加了大量實時監(jiān)控數(shù)據(jù)比如發(fā)電機(jī)三相定子繞組的實時溫度顯示，柴油機(jī)的進(jìn)氣壓力，增壓壓力和溫度，中冷器水溫和壓力等等監(jiān)測數(shù)據(jù)。

    在項目實施過程中，由于前面5臺已經(jīng)作為備用電源在網(wǎng)待機(jī)，申請進(jìn)行改造及測試的時間窗口非常有限，凡是需要動到原來5臺發(fā)電機(jī)組控制屏的時候都面臨不少風(fēng)險，因此系統(tǒng)性的策劃和事無巨細(xì)的實施方案編制顯得尤為重要，為了保障實施的安全性，方案實施前準(zhǔn)備了極為細(xì)致的書面方案，并采用實物或者現(xiàn)場演示等方式向相關(guān)各方進(jìn)行演示說明。詳細(xì)說明各時間節(jié)點需要哪些相關(guān)方面配合到場，順利與失敗的各種應(yīng)對措施，比如怎么恢復(fù)出廠設(shè)置，恢復(fù)未改造前的初始狀態(tài)，需要準(zhǔn)備什么預(yù)案來保障數(shù)據(jù)中心的供電保障等等。

 

圖3 柴油發(fā)電機(jī)組控制器硬件系統(tǒng)框圖

 

8、遺留百葉窗

    原來百葉窗控制是分手動及自動二種模式，在自動模式下，百葉窗的開窗和關(guān)窗受控制屏的干觸點自動控制，完全無須人工干預(yù)，在手動模式下，百葉窗的開窗和關(guān)窗都是通過百葉窗控制箱上面的開窗和關(guān)窗選擇開關(guān)實現(xiàn)的，同時百葉窗與發(fā)電機(jī)組間存在聯(lián)鎖功能，不管處于自動或者手動模式，當(dāng)百葉窗出現(xiàn)故障，未能在開機(jī)前開窗和運(yùn)行過程中突然關(guān)窗，發(fā)電機(jī)組均會自動聯(lián)鎖停機(jī)，以防止發(fā)電機(jī)組悶死或者機(jī)房出現(xiàn)負(fù)壓破壞降噪箱的情況出現(xiàn)。

    在觸摸屏上通過RS485和MODBUS通訊實現(xiàn)開機(jī)時，由于控制百葉窗開窗的繼電器是受開關(guān)柜來的干接點硬接線的啟動信號控制的，該外部啟動信號沒有的話，則百葉窗開窗控制繼電器不會得電動作，因此百葉窗也不會自動開窗，需要值班人員在操作觸摸屏之前去機(jī)房將百葉窗控制模式轉(zhuǎn)換到手動模式，并通過百葉窗控制箱上的手動開窗按鈕進(jìn)行手動開窗，要徹底解決此問題，需要所有發(fā)電機(jī)組的控制屏與百葉窗相關(guān)的線路重新接線并敷設(shè)新控制電纜，連接發(fā)電機(jī)組控制箱和百葉窗控制箱。這也是下一步要進(jìn)行的工作。

 

總結(jié)：

    從系統(tǒng)運(yùn)行可行性的前期研究和設(shè)備安裝后的現(xiàn)場問題分析，可見不同廠家、不同型號、不同容量的備用發(fā)電機(jī)組并機(jī)擴(kuò)容已經(jīng)不是一個難題，是完全可以在工程實踐中應(yīng)用的，當(dāng)然不同案例出線的問題不盡相同，在工程中盡量收集可能收集的數(shù)據(jù)，做好各種應(yīng)急備案才是每個新工程、新實踐能夠成功的依據(jù)。

 

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