康明斯对柴油发电机组并机运行的研究
发布时间：2023-10-15 点击：134
康明斯对柴油发电机组并机运行的研究
随着独立电力系统的不断发展，在特殊工况领域中多台柴油发电机组并联运行的供电模式受到广泛应用。由于备用型柴油发电机组存在并机系统扩容和不同厂家、不同容量、不同型号并机问题，以及供电系统中并联操作频繁且对可靠性及稳定性要求较高，因此研究多台发电机组并联运行的现实意义凸显。
一、问题的提出
随着社会时代信息化、数据化的进程，跟多的企业关注企业数据库的建立和网络信息的互联，数据中心的建设在进几年的需求呈井喷状发展，早今年的数据中心建设的规模建设相对较小，多数早期建设数据中心的后备电源系统呈现扩容需求。而数据中心大型化、集中化是目前数据中心建设的趋势，且10kv备用发电机组的应用在各数据中心的使用日趋广泛，并机系统终期容量相对较大，容量范围在10000kw～30000kw之间，若建设初期投入较多的发电机组，对数据中心的初步投资成本难以控制，同时数据中心的成本回收期也相对加大，故一般建设均是前期不认投入，待需求增加后再行发电机组扩容。从上述可以看出，备用发电机组的扩容是所遇数据中心建设发展中都面临的问题。
备用发电机组并机系统扩容一般采用与原有发电机组同型号、同容量的发电机组进行扩容，对后期设备采购的成本难以实现最佳性价比，而不同厂家，不同型号，不同容量的发电机组扩容在理论上完全可行，但是对于具体的工程实践操作还是在试探阶段，在电信行业特别是大型数据中心的备用发电机组并机系统扩容方案中不曾采纳实施过。
图1 柴油发电机组并机系统示意图
二、前期研究和准备
某数据中心建设中面临了10kv备用发电机组的扩容问题，在对设备进行招标采购之前，对并机系统现状及并机方案进行了研究和对比。
1、并机系统现状
某数据中心一套10kv备用发电机组并机系统先接入5台康明斯备用高压发电机组供电系统，系统包含5台2000kw/10kv发电机组、并机分配屏、发电机组控制屏、启动电池等，构成一套并机系统，并机控制屏安装于动力维护室系统输出至高压油机供电系统，系统终期容量按8台发电机组16000kw设计。发电机组的hgm9510控制屏分三种工作模式：自动模式、手动模式和停止模式
2、并机方式研究
目前部分油机厂家可以实现不同厂家、不同容量的发电机组在同一供电系统并机工作，工作方式一般有以下几种：
（1）第三方制造并机控制柜，即将所有不同厂家、容量的发电机组的输出信号接入并机柜，并机柜中的控制器采集所有发电机组的运行情况，当满足并机要求时，实现多台不同厂家、不同容量发电机组的并机；
（2）柴发厂家自带控制器，通过追踪已有发电机组的运行情况，当满足并机要求时，将新增发电机组接入原有并机系统，实现多台不同厂家、不同容量发电机组的并机。
（3）采用和现有系统相同的并机控制系统，实现不同厂家发电机组的并机控制。
3、并机存在的问题
不同厂家、型号容量发电机组并机最关键的问题是厂家控制屏的互联互通问题。原有发电机组的关键图纸资料不全，现场电缆的标识褪色模糊，只有对原来的控制信号逐一梳理清楚后，才能在不影响原来发电机组待机的情况下进行升级改造。并机发电机组之间最为关键的负载分配信号，也只能通过现场测量收集。数据中心对并机系统并机成功输出的时间要求严格，控制在90s内，也是不同厂家油机系统并机的难题。
三、并机实践中的问题和解决
我们选择和原有发电机组相同的并机控制系统，但是软件版本不同，是相对保守和成功可靠性较高的方式。事实远比想像复杂，在并机系统扩容建设过程中，研究的问题往往涵盖不了出现的问题，于是我们的问题和解决方法成为最宝贵的工程经验。
1、负载分配
并机发电机组之间最为关键的负载分配信号，也只能通过现场测量收集，形成一条功率和控制电压的关系曲线，再输入到我们的智能控制系统进行处理，经过现场空载和带载等各种工况的测试验证，已经达到无缝兼容的实际效果，并且十分稳定流畅。
图2 发电机动态稳定性分析功角特性曲线图
2、并机控制的改造
由于康明斯的hgm9510控制屏程序，触摸屏源程序和包含参数地址的modbus通讯协议已无法获得，只能采用串口程序现场调测数据，一个数据包，一个数据地进行验证，出现过个别数据格式不符，乱码，数据丢包的现象，甚至还偶尔出现触摸屏死机需要重启复位的情况，经过改进和测试，系统才逐步趋向完美，达到目前的运行稳定。
3、环流及接地电阻控制逻辑
通过对接地电阻的控制优化以及控制系统相关无功控制参数的优化，降低了接地环流，提供了发电机组运行和供电系统的稳定性。
原有系统中性点接地电阻的控制逻辑是与输出高压断路器的合闸、分闸控制信号是联动的，即只要发电机组一合闸，其配套的接地电阻也是同时跟随合闸的，这样势必在多台发电机组并机运行时，相应台数的发电机组的接地电阻都是同时合闸的，通过接地电阻，所有运行发电机组的中性点实际上就相互导通，并联接在一起了，容易产生环流导致误报警跳闸，甚至造成发电机组故障，影响系统稳定运行，也是发电机厂家所明令禁止的。
通过增加plc可编程逻辑控制器硬件，优化接地电阻合闸程序，高压断路器的合闸控制信号不再同时给接地电阻去控制其合闸，而是将所有断路器的合闸位置反馈信号输入plc可编程逻辑控制器里面，经过逻辑处理完成后，再去控制相应运行发电机组的接地电阻合闸，这样确保不管多少台发电机组在并联合闸运行，系统里面始终只有一台接地电阻是合闸的，如果合闸位置的那台接地电阻对应的发电机组停机，则接地电阻会同时分闸，并自动合上正在运行且合闸的发电机组对应的接地电阻，完成接地电阻的同步切换。
4、不同品牌调速器动态响应一致
康明斯柴油机采用的是电子调速器，扩容的10kv备用发电机组采用的是高压共轨电喷ecm管理系统，二者由于调速系统方式不同，无法直接握手通讯，为了满足数据中心项目高比例非线性负载频繁大幅变化对调速系统快速响应的要求，采用了国际上应用最广泛的现场总线-高速canbus控制器局域网网络进行控制器间的并机数据传输，并且优化调速器本身的pid闭环控制动态参数，达到了理想效果。
5、接地开关与控制系统实现互锁
一般高压开关柜厂家都设计了比较完善的“五防”即：防止带负荷合闸、防止带接地线合闸、防止误入带电间隔、防止带电挂接地线、防止带负荷拉刀闸。
以上针对出线柜是没有问题的，但是用于10kv备用发电机组供电系统接入柜时，即高压开关柜的接地开关在位置上位于高压开关柜最下面，在电路逻辑上处于可以提供应急10kv高压动力电源的电源端，如果在高压开关柜接地开关处于合闸状态时，柴油发电机组启动回路没有被闭锁，发生启动并发电的情况，将造成发电机的动力输出直接通过接地开关短接，更为严重的是由于在发电机和接地开关之间没有断路器进行保护，后果将不堪设想。
通过完善控制回路，实现当接地开关处于合闸位置即系统接地时，发电机组不能开机运行，如果正在运行的发电机组检测到接地开关状态变换到合闸，也会立即保护停机，杜绝带接地开关启动运行的可能。
6、60秒钟内并机带载
由于发电机组并机系统最多支持32台并机，并机的方式是接到启动信号，同时启动，谁最先稳定谁即作为首台发电机组，立即合闸到无压母排，后续发电机组采取同时与母排电压即首台合闸发电机组的电压信号进行跟踪同步的方式进行同步控制，理论上增加3台发电机组不会增加并机所需要的时间。这个优于并机时间叠加的传统的排队并机模式。
通过现场调试及参数优化，并通过反复并机测试，改造后8台发电机组总的并机时间比原来5台并机的时间还要短。
7、液晶屏显示界面
考虑到扩容3台发电机组是先进的高压共轨电喷发电机组，通过柴油机机带电脑板ecm，发电机微处理器数字式调压器be2000e和控制器rs485通讯所能够提供的参数要比原来5台发电机组的多得多，为了运行值班人员全面掌握了解实时运行参数，在触摸屏界面增加了大量实时监控数据比如发电机三相定子绕组的实时温度显示，柴油机的进气压力，增压压力和温度，中冷器水温和压力等等监测数据。
在项目实施过程中，由于前面5台已经作为备用电源在网待机，申请进行改造及测试的时间窗口非常有限，凡是需要动到原来5台发电机组控制屏的时候都面临不少风险，因此系统性的策划和事无巨细的实施方案编制显得尤为重要，为了保障实施的安全性，方案实施前准备了极为细致的书面方案，并采用实物或者现场演示等方式向相关各方进行演示说明。详细说明各时间节点需要哪些相关方面配合到场，顺利与失败的各种应对措施，比如怎么恢复出厂设置，恢复未改造前的初始状态，需要准备什么预案来保障数据中心的供电保障等等。
图3 柴油发电机组控制器硬件系统框图
8、遗留百叶窗
原来百叶窗控制是分手动及自动二种模式，在自动模式下，百叶窗的开窗和关窗受控制屏的干触点自动控制，完全无须人工干预，在手动模式下，百叶窗的开窗和关窗都是通过百叶窗控制箱上面的开窗和关窗选择开关实现的，同时百叶窗与发电机组间存在联锁功能，不管处于自动或者手动模式，当百叶窗出现故障，未能在开机前开窗和运行过程中突然关窗，发电机组均会自动联锁停机，以防止发电机组闷死或者机房出现负压破坏降噪箱的情况出现。
在触摸屏上通过rs485和
柴油发电机组配气相位和气门间隙的介绍
柴油机高压油泵温度高和加机油口冒白气的故障维修
康明斯静音式发电机组是怎么样工作的？
解决柴油发电机组30千瓦水温过高的方式
柴油发电机喷油嘴卡住什么原因？如何故障排除
来说说现代柴油发电机组广阔的使用领域
放在室外的柴油发电机组要注意些什么？
康明斯喷油泵调速器的工作原理和结构图解
随着独立电力系统的不断发展，在特殊工况领域中多台柴油发电机组并联运行的供电模式受到广泛应用。由于备用型柴油发电机组存在并机系统扩容和不同厂家、不同容量、不同型号并机问题，以及供电系统中并联操作频繁且对可靠性及稳定性要求较高，因此研究多台发电机组并联运行的现实意义凸显。
一、问题的提出
随着社会时代信息化、数据化的进程，跟多的企业关注企业数据库的建立和网络信息的互联，数据中心的建设在进几年的需求呈井喷状发展，早今年的数据中心建设的规模建设相对较小，多数早期建设数据中心的后备电源系统呈现扩容需求。而数据中心大型化、集中化是目前数据中心建设的趋势，且10kv备用发电机组的应用在各数据中心的使用日趋广泛，并机系统终期容量相对较大，容量范围在10000kw～30000kw之间，若建设初期投入较多的发电机组，对数据中心的初步投资成本难以控制，同时数据中心的成本回收期也相对加大，故一般建设均是前期不认投入，待需求增加后再行发电机组扩容。从上述可以看出，备用发电机组的扩容是所遇数据中心建设发展中都面临的问题。
备用发电机组并机系统扩容一般采用与原有发电机组同型号、同容量的发电机组进行扩容，对后期设备采购的成本难以实现最佳性价比，而不同厂家，不同型号，不同容量的发电机组扩容在理论上完全可行，但是对于具体的工程实践操作还是在试探阶段，在电信行业特别是大型数据中心的备用发电机组并机系统扩容方案中不曾采纳实施过。
图1 柴油发电机组并机系统示意图
二、前期研究和准备
某数据中心建设中面临了10kv备用发电机组的扩容问题，在对设备进行招标采购之前，对并机系统现状及并机方案进行了研究和对比。
1、并机系统现状
某数据中心一套10kv备用发电机组并机系统先接入5台康明斯备用高压发电机组供电系统，系统包含5台2000kw/10kv发电机组、并机分配屏、发电机组控制屏、启动电池等，构成一套并机系统，并机控制屏安装于动力维护室系统输出至高压油机供电系统，系统终期容量按8台发电机组16000kw设计。发电机组的hgm9510控制屏分三种工作模式：自动模式、手动模式和停止模式
2、并机方式研究
目前部分油机厂家可以实现不同厂家、不同容量的发电机组在同一供电系统并机工作，工作方式一般有以下几种：
（1）第三方制造并机控制柜，即将所有不同厂家、容量的发电机组的输出信号接入并机柜，并机柜中的控制器采集所有发电机组的运行情况，当满足并机要求时，实现多台不同厂家、不同容量发电机组的并机；
（2）柴发厂家自带控制器，通过追踪已有发电机组的运行情况，当满足并机要求时，将新增发电机组接入原有并机系统，实现多台不同厂家、不同容量发电机组的并机。
（3）采用和现有系统相同的并机控制系统，实现不同厂家发电机组的并机控制。
3、并机存在的问题
不同厂家、型号容量发电机组并机最关键的问题是厂家控制屏的互联互通问题。原有发电机组的关键图纸资料不全，现场电缆的标识褪色模糊，只有对原来的控制信号逐一梳理清楚后，才能在不影响原来发电机组待机的情况下进行升级改造。并机发电机组之间最为关键的负载分配信号，也只能通过现场测量收集。数据中心对并机系统并机成功输出的时间要求严格，控制在90s内，也是不同厂家油机系统并机的难题。
三、并机实践中的问题和解决
我们选择和原有发电机组相同的并机控制系统，但是软件版本不同，是相对保守和成功可靠性较高的方式。事实远比想像复杂，在并机系统扩容建设过程中，研究的问题往往涵盖不了出现的问题，于是我们的问题和解决方法成为最宝贵的工程经验。
1、负载分配
并机发电机组之间最为关键的负载分配信号，也只能通过现场测量收集，形成一条功率和控制电压的关系曲线，再输入到我们的智能控制系统进行处理，经过现场空载和带载等各种工况的测试验证，已经达到无缝兼容的实际效果，并且十分稳定流畅。
图2 发电机动态稳定性分析功角特性曲线图
2、并机控制的改造
由于康明斯的hgm9510控制屏程序，触摸屏源程序和包含参数地址的modbus通讯协议已无法获得，只能采用串口程序现场调测数据，一个数据包，一个数据地进行验证，出现过个别数据格式不符，乱码，数据丢包的现象，甚至还偶尔出现触摸屏死机需要重启复位的情况，经过改进和测试，系统才逐步趋向完美，达到目前的运行稳定。
3、环流及接地电阻控制逻辑
通过对接地电阻的控制优化以及控制系统相关无功控制参数的优化，降低了接地环流，提供了发电机组运行和供电系统的稳定性。
原有系统中性点接地电阻的控制逻辑是与输出高压断路器的合闸、分闸控制信号是联动的，即只要发电机组一合闸，其配套的接地电阻也是同时跟随合闸的，这样势必在多台发电机组并机运行时，相应台数的发电机组的接地电阻都是同时合闸的，通过接地电阻，所有运行发电机组的中性点实际上就相互导通，并联接在一起了，容易产生环流导致误报警跳闸，甚至造成发电机组故障，影响系统稳定运行，也是发电机厂家所明令禁止的。
通过增加plc可编程逻辑控制器硬件，优化接地电阻合闸程序，高压断路器的合闸控制信号不再同时给接地电阻去控制其合闸，而是将所有断路器的合闸位置反馈信号输入plc可编程逻辑控制器里面，经过逻辑处理完成后，再去控制相应运行发电机组的接地电阻合闸，这样确保不管多少台发电机组在并联合闸运行，系统里面始终只有一台接地电阻是合闸的，如果合闸位置的那台接地电阻对应的发电机组停机，则接地电阻会同时分闸，并自动合上正在运行且合闸的发电机组对应的接地电阻，完成接地电阻的同步切换。
4、不同品牌调速器动态响应一致
康明斯柴油机采用的是电子调速器，扩容的10kv备用发电机组采用的是高压共轨电喷ecm管理系统，二者由于调速系统方式不同，无法直接握手通讯，为了满足数据中心项目高比例非线性负载频繁大幅变化对调速系统快速响应的要求，采用了国际上应用最广泛的现场总线-高速canbus控制器局域网网络进行控制器间的并机数据传输，并且优化调速器本身的pid闭环控制动态参数，达到了理想效果。
5、接地开关与控制系统实现互锁
一般高压开关柜厂家都设计了比较完善的“五防”即：防止带负荷合闸、防止带接地线合闸、防止误入带电间隔、防止带电挂接地线、防止带负荷拉刀闸。
以上针对出线柜是没有问题的，但是用于10kv备用发电机组供电系统接入柜时，即高压开关柜的接地开关在位置上位于高压开关柜最下面，在电路逻辑上处于可以提供应急10kv高压动力电源的电源端，如果在高压开关柜接地开关处于合闸状态时，柴油发电机组启动回路没有被闭锁，发生启动并发电的情况，将造成发电机的动力输出直接通过接地开关短接，更为严重的是由于在发电机和接地开关之间没有断路器进行保护，后果将不堪设想。
通过完善控制回路，实现当接地开关处于合闸位置即系统接地时，发电机组不能开机运行，如果正在运行的发电机组检测到接地开关状态变换到合闸，也会立即保护停机，杜绝带接地开关启动运行的可能。
6、60秒钟内并机带载
由于发电机组并机系统最多支持32台并机，并机的方式是接到启动信号，同时启动，谁最先稳定谁即作为首台发电机组，立即合闸到无压母排，后续发电机组采取同时与母排电压即首台合闸发电机组的电压信号进行跟踪同步的方式进行同步控制，理论上增加3台发电机组不会增加并机所需要的时间。这个优于并机时间叠加的传统的排队并机模式。
通过现场调试及参数优化，并通过反复并机测试，改造后8台发电机组总的并机时间比原来5台并机的时间还要短。
7、液晶屏显示界面
考虑到扩容3台发电机组是先进的高压共轨电喷发电机组，通过柴油机机带电脑板ecm，发电机微处理器数字式调压器be2000e和控制器rs485通讯所能够提供的参数要比原来5台发电机组的多得多，为了运行值班人员全面掌握了解实时运行参数，在触摸屏界面增加了大量实时监控数据比如发电机三相定子绕组的实时温度显示，柴油机的进气压力，增压压力和温度，中冷器水温和压力等等监测数据。
在项目实施过程中，由于前面5台已经作为备用电源在网待机，申请进行改造及测试的时间窗口非常有限，凡是需要动到原来5台发电机组控制屏的时候都面临不少风险，因此系统性的策划和事无巨细的实施方案编制显得尤为重要，为了保障实施的安全性，方案实施前准备了极为细致的书面方案，并采用实物或者现场演示等方式向相关各方进行演示说明。详细说明各时间节点需要哪些相关方面配合到场，顺利与失败的各种应对措施，比如怎么恢复出厂设置，恢复未改造前的初始状态，需要准备什么预案来保障数据中心的供电保障等等。
图3 柴油发电机组控制器硬件系统框图
8、遗留百叶窗
原来百叶窗控制是分手动及自动二种模式，在自动模式下，百叶窗的开窗和关窗受控制屏的干触点自动控制，完全无须人工干预，在手动模式下，百叶窗的开窗和关窗都是通过百叶窗控制箱上面的开窗和关窗选择开关实现的，同时百叶窗与发电机组间存在联锁功能，不管处于自动或者手动模式，当百叶窗出现故障，未能在开机前开窗和运行过程中突然关窗，发电机组均会自动联锁停机，以防止发电机组闷死或者机房出现负压破坏降噪箱的情况出现。
在触摸屏上通过rs485和
柴油发电机组配气相位和气门间隙的介绍
柴油机高压油泵温度高和加机油口冒白气的故障维修
康明斯静音式发电机组是怎么样工作的？
解决柴油发电机组30千瓦水温过高的方式
柴油发电机喷油嘴卡住什么原因？如何故障排除
来说说现代柴油发电机组广阔的使用领域
放在室外的柴油发电机组要注意些什么？
康明斯喷油泵调速器的工作原理和结构图解