柴油發電機組功率匹配優化設計

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

柴油發電機組功率匹配優化設計

楊 征

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

以上柴135系列柴油機為例介紹了柴油發電機組的功率匹配優化設計，同時介紹了負載為非線性負載下的功率匹配優化設計的思路及注意事項。

柴油發電機組 功率匹配 非線性負載

1 引言

柴油發電機組的功率匹配優化設計（以下簡稱功率匹配設計）是指根據使用環境、負載情況、用途、性能要求等條件，依據機組的輸出功率要求，合理地選擇柴油機的功率及發電機的功率，以最優的方式來滿足不同條件下的使用要求。本文以上海柴油機股份有限公司生產的135系列柴油機為例，簡要闡述不同條件下的功率匹配設計問題，因條件類型比較多，在這里不能一一闡述，本文僅根據作者的工作經驗列舉部分具有代表性的條件進行闡述。本文所涉及到的術語，未作解釋的請查閱JB/T 8194-2001《內燃機電站名詞術語》。

2 常規機組功率匹配設計

常規機組指在規定的工況條件下，能輸出標定功率的機組，其負載為0.8功率因數條件下的負載。

2.1 135系列柴油機功率標定方法

上柴公司135系列柴油機功率標定采用GB/T 6072.1－2008中規定的方法，以12 h功率或1 h功率為標定指標，如上柴12V135BZLD1柴油機標定的12 h功率為505 kW，1 h功率為555 kW，其含義是在規定的額定工況環境條件下，允許柴油機以505 kW的功率連續運行12 h，而555 kW作為超負荷功率使用，即每12 h運行期內允許柴油機間斷或不間斷地以110%持續功率運行1 h。1 h功率≈12 h功率/1.1。

2.2 計算公式

發電機組的匹配功率P可按下式計算，此功率不得超過發電機的標定功率（相應工況條件下）。

式中，

Pn——柴油機額定功率；

P0——風扇等柴油機外圍附件功率損耗，由柴油機廠家提供。一般情況下，柴油機功率越大損耗越大，若柴油機標定的功率為凈有效輸出功率，則該數值為零；

η0——發電機效率，由發電機生產廠家提供，一般在0.74～0.96之間，發電機功率越小，其效率越低；

η1——功率修正系數。若用戶所購買的機組其輸出標定功率的使用環境與標準基準狀況存在差異時，其數值依據GB/T 6072.1－2008規定的方法進行換算，在額定工況下，功率修正系數η1=1.0。近似粗算修正系數數值見表1（供參考，具體以柴油機數據為準）：

表1 功率修正系數η1

因此在設計發電機組時，發電機組的標定功率按下式計算：

發電機標定功率P應大于機組的標定功率Pe[1]。

2.3 實際案例

以G128ZLD11柴油機為例，其額定功率為280 kW，設計工況為標準基準狀況下的發電機組標定功率，即機組的額定功率。

因此，機組的額定功率Pe=250 kW，機組在額定工況條件下能正常地連續運行12 h（其中包括超載10%運行1 h），若連續運行時間超過12 h，其輸出功率為額定功率的90%。

根據發電機功率選擇≥機組額定功率Pe的要求，發電機功率選配為250 kW。

3 非線性負載情況下的功率匹配設計

該條件下的功率匹配設計也是在規定的工況條件下，但其負載比較特殊。

3.1 常見的非線性負載

非線性負載是指電壓和電流之間是非線性關系的負載。在負載投入、運行過程中，電壓、電流的關系是經常變化的，其波形也不是我們常說的正弦交流波，而是含有不光滑的畸變成分，根據數學方法可分解為基波和一系列的高次諧波，主要是5次、7次等奇次諧波。

3.1.1 常見非線性負載的類型和影響

常見非線性負載的類型：（1）開關電源、UPS；（2）電子數據圖象設備——電視、電影等無線電發射設備、可控燈光設備等；（3）整流器、熒光燈；（4）電動機負載，電動機雖然不是非線性負載，但是由于控制方式上經常使用軟起動器、變頻控制的手段，也屬于非線性負載考慮的范疇。

非線性負載的影響：（1）發電機組的輸出電壓突然增高；（2）發電機組的輸出頻率在40-60 Hz之間波動；（3）非線性負載的高次諧波導致反常的導體發熱，損壞發電機的繞組、勵磁回路和AVR，圖1顯示的是正常的正弦電壓波形和畸變的電壓波形；（4）電動機起動時電流會比正常工作時的電流大若干倍，功率因數又非常低，所以會造成發電機端電壓下降，可能會造成配電設備的保護動作；頻繁起動還可能造成發電機轉子燒壞。當電動機容量較大時也要進行發電機的特殊選型，這類情況主要是工廠用戶、大樓的消防水泵、消防電梯等。

圖1 正常的正弦電壓波形和畸變的電壓波形

3.1.2 功率匹配設計的思路

了解用戶非線性負載的類型，并盡可能要求用戶提供以下資料：基本負載的容量、負載投入的順序和非線性負載的類型。

功率匹配設計思路同本文的2.2小節，但須考慮用戶非線性負載的類型，考慮其所產生的影響，因此在2.2小節的基礎上根據不同的非線性負載類型，建議采用以下3種方法：

（1）在不增加柴油機功率的條件下配置一臺較大容量的發電機，以提高機組帶非線性負載的能力。發電機輸出功率一般可以按照表2的參考值進行選擇。

表2 非線性負載下的發電機功率匹配關系

若負載為電動機負載，起動電流的倍數與起動方式的關系見表3。應根據起動容量要求，進行發電機的選型，考慮起動容量時，需考慮起動的順序，是否要求同時起動等因素。

（2）盡可能采用無刷永磁式勵磁交流發電機或使用三次諧波勵磁的發電機，來提高發電機組帶非線性負載的能力。

上述2種方法，可結合起來考慮使用。

（3）若發電機功率與柴油機功率相差較大，為提高柴油機運行的穩定性，須適當考慮提高柴油機的功率。

4 結束語

柴油發電機組功率匹配設計需考慮機組的使用環境、負載的狀況、用途及性能要求等，根據不同的客戶要求，進行合理的設計優化，在滿足使用要求、保證產品質量的前提下，以最低的成本達到客戶的要求。

1薛晨，楊達敏.往復式內燃機驅動的交流發電機組的功率匹配和標定[J].移動電源與車輛，2003（4）.

（上接第4 8頁） 應滿足QC/T 29106－2004標準中表3的要求。端子與電線壓接/壓接接點橫斷面應滿足QC/T 29106－2004標準中附錄A的要求。

線束性能經發動機臺架試驗通過后，確定線束供應商的二級供應商清單，在產品批量供貨時，不能隨意更改，并定期對供應商進行過程審核和產品審核。

5 結論

通過對線束質量問題的分析研究與應用改進，D114系列的電控發動機線束的用戶報修率下降顯著，2010年比2009年下降了68%，大幅度提升了客戶的滿意度。

把積累的經驗形成lessons learned應用到后續的新產品線束設計和配套應用上，使新產品不再重復發生同類質量問題。

Optimal Design of Power Matching For Diesel Generator Set

Yang Zheng
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Taking 135 series diesel for an example,this article introduces the optimal design of power matching for diesel generator set,and analyzes the optimal design of the power matching under nonlinear load.

diesel generator set;power matching;nonlinear load

10.3969/j.issn.1671-0614.2012.01.006

來稿日期：2011-11-17

楊征（1978-），男，工程師，主要研究方向為柴油發電機組的設計、開發。