1 引言
随着水运港口行业的快速发展，以及高自动化用电设备的应用，对供电可靠性的要求不断提高，特别是针对国外项目，如非洲、东南亚等基础设施相对落后的地域，社会电网相对匮乏，无法满足港口码头设备用电需求。因此，为满足作业设备的可靠性供电需求，越来越多的码头项目中需要设置柴油发电机组。
码头10kV 进线电源一般引自同一变电站，满足不了系统双回路电源供电的可靠性，而从不同变电站引入双回路电源十分困难且造价高。考虑到设备成本及施工便捷性等因素，小型油码头、重件配套码头等用电设备较少的工程主要采用低压柴油发电机组，大型工业园、自贸区以及集装箱码头等项目中，用电设备较大且作业频繁，应考虑采用高压柴油发电机组作为备用电源系统。
本文结合巴基斯坦瓜达尔自由区起步区项目的工程实践，讨论在水运港口项目中使用高压柴油发电机组的可行性，进而推广高压柴油发电机组在水运港口项目中的应用。
2 发电机系统容量选择
发电机系统容量是柴油发电机组供电系统的核心环节，需要考虑的因素较多，如要满足消防负荷容量需求、满足电机启动时电流冲击、满足季节性负荷运行需求等，这些都需要进行准确的负荷计算才能确定。另外，柴油发电机组功能不同，选择容量时参考的数据亦不相同，如柴油发电机组作为消防电源备用电源时，仅需考虑消防时消防负荷以及重要负荷即可，消防时需要切除的负荷不需要考虑；柴油发电机组作为常用电源时，则需要考虑系统所有用电负荷。
2.1 柴油发电机组容量选择的原则
根据本工程实际情况，暂无外部电源作为本工程用电电源，即本工程柴油电机组系统是常用电源。在选择确定柴油发电机组容量时，应遵循以下原则：
1）柴油发电机组的容量应根据用电负荷大小、投入顺序及单台发电机组最大启动容量等因素综合考虑【1】。
2）校验发电机的短时过载能力时，应选用发电机组最大视在功率。
3）不考虑短时不连续运行的负荷。
4）启动时母线电压不低于额定电压的75%。
2.2 发电机系统容量计算确定
不同计算方式得出的发电机系统容量不同，具体如下：
1）按照供电系统稳定负荷计算，见式（1）：
Sc1= pε/ ηεcosψ （1）
式中，pε 为总负荷，kW；ηε 为所带负荷的综合效率，一般取0.82～0.88；cosψ 为功率因数，一般取0.8。
2）按尖峰电流计算，见式（2）：
Sc2= Kj（ S0+Smax ）/ Kg （2）
式中，Kj为电动机功率下降的系数，一般取0.9～0.95；S0为Smax投入运行前已投入运行的负荷容量，kV·A；Smax为最大单台电动机或成组电动机的启动容量，kV·A；Kg 为发电机允许的短时过载系数，一般取1.4～1.6。
3）按母线允许压降计算，见式（3）：
Sc3= Kj（ 1-ΔU）Xd′ Sst / ΔU （3）
式中，ΔU 为发电机母线允许电压降，一般取0.2；Xd′为发电机瞬态电抗，一般取0.2；SstΔ为导致发电机最大电压降的电动机的最大启动容量，kV·A。
巴基斯坦瓜达尔自由区起步区项目中，输入各项用电负荷，通过计算得：Sc1=7932kV·A，Sc2=3637kV·A，Sc3=4 849kV·A。故选择的发电机组总容量＞7 932kV·A 即可。
考虑到发电机组并机问题，选择的发电机台数越少，系统运行故障率越低，可靠性越高，故应选择单台大容量发电机组。通过对比单台发电机的各项参数，如发电机耗油量、机组尺寸等，同时考虑经济性，柴油发电机组的主用功率选择为1 250kW/1600kV·A，数量为5 用1 备。
3 发电机系统并机设计
本工程共有6 台高压柴油发电机，并机系统是此发电机系统的重要环节，发电机系统有自同期和准同期2 种并列方法。准同期并列法在发电机并机系统中被广泛采用，其有手动、半自动及自动3 种实现方式。在本工程中，采用的是自动准同期并列法。
本工程选用全自动并机控制屏，可与选定的柴油发电机组配套使用，控制多台发电机组实现全自动并机运行。自动并机控制屏具有机组自动同步并车、自动负载分配、并机自动装卸载、逆功保护、油机各故障保护、负载过载保护等一系列功能[2]。自动并机控制屏选用智能控制器，采用西门子工业PLC编程控制。全自动并机控制屏可实现以下功能。
3.1 自动并机
机组启动成功后，并机柜受电；需要并机时，由同步器检测信号，将需要并机机组的频率和相位自动调节与母线一致，发出信号，完成并机。
3.2 自动分配负荷
当多台机组并列运行，负荷分配器将作用控制器，根据机组以及用电负荷的功率平均分配每台机组所带负荷。
3.3 调峰
当多台机组并联运行时，可根据供电系统负荷率的大小，增减发电机机组的台数，并根据用户需求自行设定单台机组负荷率。本工程设定为：若负荷率＜35%时，机组解列；若负荷率＞80%，增加机组，以使机组运行在最经济的状态。
4 发电机系统差动保护整定计算
本工程采用独立的发电机系统作为整个工业园区的电源系统，发电机的安全稳定运行至关重要，决定整个工业园区用户用电质量。为保证发电机系统运行的可靠性，同时降低发电机故障率，设置发动机差动保护。差动保护能否可靠动作取决于差动保护整定计算。如表1 所示为发电机出厂参数。
表1 发电机性能参数表
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根据发电机性能参数，结合本工程所在地环境以及当地电力系统一般运行规定，本工程发电机系统差动保护计算如下。
4.1 比率制动系数
比率制动系数Kz 整定原则：应按躲过三相短路时产生的最大不平衡电流来整定。通常，对发电机差动保护0.3≤Kz≤0.5，根据实际情况，本工程取0.42。
4.2 差动保护启动电流
启动电流Iq整定原则：按照躲过正常工况下最大不平衡电路来整定；差动保护装置中通道回路的调整误差以及两侧电流互感器的变比误差都会产生保护不平衡电流。本工程取Iq=1.1A。
灵敏度校验：灵敏系数Ksen为按照发电机端两相短路时，短路电流与差动保护动作电流的比值，要求Ksen≥2【3】。经校验，本工程Ksen=15≥2，灵敏度满足要求。
4.3 拐点电流
差动保护开始产生制动作用的电流取决于拐点电流Ig 的大小。本工程取Ig=1.94A，经校验，Ksen=9.5≥2，灵敏度满足要求。
4.4 差动速断保护
差动速断保护，应按躲过三相短路时最大不平衡差流来整定。为保证可靠，一般取差动速断倍数为3～12，本工程取3。故速断差动电流Is=8.3A，取8A；经校验，Ksen=2.1≥2，灵敏度满足要求。
表2 所示为发电机差动保护整定值计算表，现场柴油发电机组及高低压开关柜安装完成后，可根据此整定值计算表进行校验定值。
表2 发电机差动保护整定值计算表
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5 结语
通过对11kV 高压发电机机组容量确定、设备选型、并机系统设计、差动保护整定计算等，完成了巴基斯坦瓜达尔自由区起步区项目中11kV 高压发电机独立供电系统的设计。目前该项目已完成施工，通过现场试验调试，结果表明发电机供电系统保证自贸区满负荷供电，6 台发电机可以实现自动并机并且可以自动分配负荷，实现了本工程供电系统的预期功能。随着高压柴油发电机技术的不断改进完善，相信高压柴油发电机组在水运港口领域的应用会越来越广泛。
【参考文献】
【1】杨贵恒，张海呈，张寿珍，等.柴油发电机组实用技术[M].北京：化学工业出版社，2013.
【2】15D202-2 柴油发电机组设计与安装[S].
【3】DL/T 684—2012 大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S].
【作者简介】柴治国（1990~），男，河南睢县人，工程师，从事供配电设计与研究。
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