新聞主題	柴油發(fā)電機組并機原理、條件及方式

 

摘要：當(dāng)前社會中，柴油發(fā)電機組以其可靠性和安全性廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心IDC等通信行業(yè)。數(shù)據(jù)中心備用電源通常采用N+1臺柴油發(fā)電機組并機運行的方式。所謂同期并機的控制器工作原理包括兩種準(zhǔn)同期并機功能原理和調(diào)整方法，一種采用勵磁前合鬧功能（CBE）可避免產(chǎn)生沖擊電流的反常規(guī)自同期方法以及避免投入變壓器負(fù)載時產(chǎn)生合閘涌流的方法。因此，康明斯公司在本文以中國傳統(tǒng)400V電壓制，每分鐘1500轉(zhuǎn)速，頻率為50Hz的康明斯發(fā)電機組為例，將重點分析柴油發(fā)電機組的這三種同期并機控制原理。

 

一、并機條件及方式

 

1、并機條件

      發(fā)電機同期并機必須符合4個條件：

（1）相序相同

      相序指的是三相交流電壓的排列順序，如A、B、C三相交流電壓的相位，按順時針排列，相位差為120°，就是正序；如按逆時針排列，就是負(fù)序；如果同相，就是零序。兩者相序相同的話，兩者的電壓差為0。

（2）電壓相同

      電壓偏差在設(shè)定限值內(nèi)；發(fā)電機并聯(lián)運行時，各臺發(fā)電機的輸出電壓必須相同。這是因為在并聯(lián)運行中，多臺發(fā)電機提供的電能會同時注入負(fù)載中，如果電壓不同，就會導(dǎo)致電流分配不均，甚至造成電流逆流的情況發(fā)生，對發(fā)電機和負(fù)載都會造成嚴(yán)重的損壞。因此，在并聯(lián)運行前，需要對各臺發(fā)電機進(jìn)行調(diào)整和校準(zhǔn)，以確保它們的輸出電壓一致。

（3）頻率相同

      頻率偏差在設(shè)定限值內(nèi)；發(fā)電機并聯(lián)運行時，各臺發(fā)電機的輸出頻率必須相同。頻率是指電源中交流信號的周期數(shù)，通常以赫茲（Hz）為單位。如果發(fā)電機的輸出頻率不同，會導(dǎo)致并聯(lián)運行時電壓頻率不穩(wěn)定，對電動機等負(fù)載設(shè)備的正常運行產(chǎn)生影響。因此，在并聯(lián)運行前，需要對發(fā)電機的頻率進(jìn)行調(diào)整，使其與其他發(fā)電機的輸出頻率保持一致。

（4）相位一致

      相位偏差在設(shè)定限值內(nèi)；發(fā)電機并聯(lián)運行的發(fā)電機的相位序列必須相同，即A相、B相、C相的連接順序必須一致。如果相位序列不一致，會導(dǎo)致電流方向相反，無法實現(xiàn)并聯(lián)運行。

2、并機方式

      發(fā)電機并機方式主要分為（常規(guī)）自同期和準(zhǔn)同期兩種。（常規(guī)）自同期并機是將未投入母線的待并列發(fā)電機在不加勵磁的情況下轉(zhuǎn)動起來，在轉(zhuǎn)速接近系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)速、滑差在允許的范圍內(nèi)時強行合閘并列，再加勵磁發(fā)電，由母線將發(fā)電機拉入同步。該方式?jīng)_擊電流較大，并機時間短，適用于小水電并網(wǎng)。準(zhǔn)同期并機是將未投入母線的發(fā)電機加上勵磁，調(diào)節(jié)其電壓和頻率，在滿足并列條件時，使發(fā)電機的出口開關(guān)合閘，將發(fā)電機投入母線，則在發(fā)電機定子回路中的環(huán)流幾乎為零，不會產(chǎn)生電流和電磁力矩的沖擊。缺點是并機時間長，通常接近1分鐘。目前，該并機方式在數(shù)據(jù)中心等IT行業(yè)應(yīng)用廣泛。

 

二、準(zhǔn)同期并機

 

      并機控制模塊可以用于控制發(fā)電機準(zhǔn)同期和市電斷路器（如果安裝的話）。準(zhǔn)同期包含動態(tài)準(zhǔn)同期和靜態(tài)準(zhǔn)同期兩種，默認(rèn)是動態(tài)準(zhǔn)同期選項。

1、動態(tài)準(zhǔn)同期

      在動態(tài)準(zhǔn)同期中，同步發(fā)電機運行在與母線不同的頻率下，這個頻率偏差叫做滑差。通常滑差為正數(shù)，即待并機的頻率稍高于母線頻率，目的是避免并機后產(chǎn)生逆功率。動態(tài)同期并機原理如圖1所示。

      圖1中，待并發(fā)電機運行在1503 RPM、50.1 Hz，已接入母線發(fā)電機運行在1500轉(zhuǎn)/分、50.0Hz，滑差為+0.1Hz。盡管發(fā)電機處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但已接入母線的發(fā)電機L；相位角始終指向時鐘12點，因此待并機的發(fā)電機須縮小相位差為零時才能到達(dá)同期點。同期時間

為1/（50.1-50.0）=10s，也就是說每10s兩臺發(fā)電機會同期一次。

 

圖1  柴油發(fā)電機組動態(tài)同期并機原理

 

 

（1）合閘信號

      因斷路器自身機械結(jié)構(gòu)有動作時間，發(fā)電機并機控制器須提前一定的相位角發(fā)出合閘信號給斷路器，這樣實際合閘時刻相位差為0，即同期點合閘。以ABBE系列空氣斷路器為例，合閘時間為0.08秒，合閘繼電器動作時間0.02秒，計算公式如下：

提前相位角=360°x（0.08+0.02）（合閘時間）x0.1（滑差頻率）=3.6°.................（公式1)

      為確保合閘成功，合閘脈沖時長為100ms（80ms+20ms）。

（2）同期并機后的負(fù)載圖形

      當(dāng)要并機的G?發(fā)電機的空氣斷路器閉合后，它將分擔(dān)一部分負(fù)載。圖2顯示滑差頻率為正時，G?發(fā)電機輸出有功功率。圖3顯示滑差頻率為負(fù)時，G?發(fā)電機吸收有功功率，這種現(xiàn)象叫做逆功率。

 

圖2  柴油發(fā)電機組并機頻率正滑差

圖3  柴油發(fā)電機組并機頻率負(fù)滑差（逆功率）

 

 

（3）調(diào)整

      以HGM9510型并機控制器為例，動態(tài)同期設(shè)定參數(shù)如表1所示。

表1    動態(tài)同期設(shè)定參數(shù)

      滑差頻率包含有兩個設(shè)定——"Syne dfux”和"Synedfuv"。

      下面舉例計算說明正確設(shè)定滑差的重要性。

（df_MAX+df_MIN）/2=滑差

例1：（0.3+0.0）/2=+0.15 Hz

      發(fā)電機頻率與母線頻率間的滑差為+0.15 Hz，意味著發(fā)電機和母線之間的相位角會減少，直到進(jìn)入同期點。

例2：（0.3-0.3）/2=+0Hz

      發(fā)電機頻率與母線頻率間的滑差為0Hz，意味著發(fā)電機和母線之間的相位角不會減少。這種狀態(tài)下，發(fā)電機相位永遠(yuǎn)不會進(jìn)入同期點，因為發(fā)電機相位永遠(yuǎn)追不上母線相位。

2、靜態(tài)準(zhǔn)同期

      在靜態(tài)準(zhǔn)同期控制模式中，發(fā)電機頻率非常接近母線頻率，滑差比動態(tài)小，通常在0.05 Hz以內(nèi)，目的是精確尋找同期點。需要注意，當(dāng)使用繼電器觸點調(diào)節(jié)速度時，不推薦采用靜態(tài)并機，因為會使并機時間很慢。靜態(tài)準(zhǔn)同期并機原理如圖4所示。

 

圖4  柴油發(fā)電機組靜態(tài)準(zhǔn)同期并機原理

 

（1）相位角控制

      并機控制中的頻率控制，會使發(fā)電機頻率朝母線頻率靠近。當(dāng)頻率偏差在0.05 Hz范圍內(nèi)時，相位角控制器將開始工作。

（2）合閘信號

      合閘信號出現(xiàn)在發(fā)電機L；相位指向母線相位時鐘12點位置。這與斷路器動作時間無關(guān)，因為滑差很小，合閘動作時間產(chǎn)生的延遲相位差可忽略不計。為了快速并機，需要調(diào)整合閘相位角窗口。合閘信號出現(xiàn)在“Ucexu”和“Ummu；”相位角之間，調(diào)整范圍±0.1°～20°，如圖5所示。

 

柴油發(fā)電機組并機合閘信號

 

（3）同期后的負(fù)載狀態(tài)

      同期后，機組將根據(jù)所選發(fā)電機組模式的要求更改控制器設(shè)定值。當(dāng)滑差頻率不被接受時，推薦采用靜態(tài)同期模式。例如，幾臺發(fā)電機并聯(lián)在一段無負(fù)載的母線上。動態(tài)和靜態(tài)同期模式可以通過開關(guān)來切換選擇。

（4）參數(shù)設(shè)定

      并機控制器靜態(tài)準(zhǔn)同期參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2    并機控制器靜態(tài)準(zhǔn)同期參數(shù)

三、反常規(guī)自同期及解決勵磁涌流

 

      常規(guī)自同期合閘時沖擊電流較大，而準(zhǔn)同期方法并機時間長。如果發(fā)電機直接給變壓器送電，則會產(chǎn)生合閘勵磁涌流造成斷路器跳閘。并機控制器具有的勵磁前合閘“CBE”（Close Before Excitation）功能可快速自同期，消除沖擊電流，解決變壓器勵磁涌流。

1、反常規(guī)自同期

      如圖6所示，先將所有機組速度電壓設(shè)定為同樣的上升斜率及額定值，再啟動所有發(fā)電機組。當(dāng)速度上升至400 r/m時，令所有發(fā)電機GB合閘：當(dāng)速度上升至900 r/m時，合上所有發(fā)電機勵磁開關(guān)，此時相當(dāng)于自同期。雖然各臺發(fā)電機之間的相位角不同，但是由于轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機電壓低，遠(yuǎn)小于額定值，故發(fā)電機之間沖擊環(huán)流很小，發(fā)電機之間利用環(huán)流自行快速自同期。自同期后環(huán)流減小，所有發(fā)電機繼續(xù)采用同樣斜率升速，頻率電壓達(dá)到額定值后再給負(fù)載供電。

      此方法比發(fā)電機先達(dá)到額定電壓頻率后再調(diào)整準(zhǔn)同期的方法快得多。通常準(zhǔn)同期完成最快要接近1min，而應(yīng)用此方法時，當(dāng)發(fā)電機啟動從靜止到達(dá)額定轉(zhuǎn)速自同期即同步完成，通常最快約8s。

 

圖6  柴油發(fā)電機組并機反常規(guī)自同期工作流程

 

2、解決勵磁涌流

      變壓器空載合閘時會產(chǎn)生勵磁涌流，其值高達(dá)變壓器額定電流的6～8倍。如果使用機組對變壓器施加額定電壓直接送電，則勵磁涌流會導(dǎo)致開關(guān)保護(hù)動作，出現(xiàn)開關(guān)跳閘現(xiàn)象。

      為了解決勵磁涌流，如圖7所示，在機組啟動前先將所有變壓器二次側(cè)的開關(guān)手動合閘及優(yōu)先級最高的機組出口斷路器合閘，再啟動優(yōu)先級最高的機組。隨著機組轉(zhuǎn)速上升，發(fā)電電壓慢慢升高，所有的變壓器均得到充磁。如果優(yōu)先級最高的機組啟動失敗，則啟動優(yōu)先級次高的機組同樣采用先合閘再勵磁的方式啟動，以此類推。此功能通過控制器內(nèi)置的強大mLogic軟件實現(xiàn)。

 

圖7  柴油發(fā)電機組并機改進(jìn)原理圖

總結(jié)：

      發(fā)電機并聯(lián)運行除了電壓相同、相序相同和頻率相同三個條件。同時，在并聯(lián)運行前還需要考慮發(fā)電機容量匹配、并聯(lián)電纜選擇和并聯(lián)保護(hù)措施等因素，以確保發(fā)電機能夠安全、穩(wěn)定地向負(fù)載供電。通過以上條件的滿足，發(fā)電機可以實現(xiàn)并聯(lián)運行，從而提高電力供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時，發(fā)電機并聯(lián)運行還可以實現(xiàn)功率的增加，滿足大功率負(fù)載的供電需求。因此，在電力系統(tǒng)中，發(fā)電機并聯(lián)運行被廣泛應(yīng)用于電力站、工廠和大型建筑等場所，以確保電力供應(yīng)的可靠性和穩(wěn)定性。

 

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