新聞主題	柴油發(fā)電機組并機原理、條件及方式

 

摘要：當前社會(huì )中，柴油發(fā)電機組以其可靠性和安全性廣泛應用于數據中心IDC等通信行業(yè)。數據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同期并機功能原理和調整方法，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自同期方法以及避免投入變壓器負載時(shí)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400V電壓制，每分鐘1500轉速，頻率為50Hz的康明斯發(fā)電機組為例，將重點(diǎn)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(gè)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(shí)針排列，相位差為120°，就是正序；如按逆時(shí)針排列，就是負序；如果同相，就是零序。兩者相序相同的話(huà)，兩者的電壓差為0。

（2）電壓相同

      電壓偏差在設定限值內；發(fā)電機并聯(lián)運行時(shí)，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(huì )同時(shí)注入負載中，如果電壓不同，就會(huì )導致電流分配不均，甚至造成電流逆流的情況發(fā)生，對發(fā)電機和負載都會(huì )造成嚴重的損壞。因此，在并聯(lián)運行前，需要對各臺發(fā)電機進(jìn)行調整和校準，以確保它們的輸出電壓一致。

（3）頻率相同

      頻率偏差在設定限值內；發(fā)電機并聯(lián)運行時(shí)，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，通常以赫茲（Hz）為單位。如果發(fā)電機的輸出頻率不同，會(huì )導致并聯(lián)運行時(shí)電壓頻率不穩定，對電動(dòng)機等負載設備的正常運行產(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

      相位偏差在設定限值內；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(huì )導致電流方向相反，無(wú)法實(shí)現并聯(lián)運行。

2、并機方式

      發(fā)電機并機方式主要分為（常規）自同期和準同期兩種。（常規）自同期并機是將未投入母線(xiàn)的待并列發(fā)電機在不加勵磁的情況下轉動(dòng)起來(lái)，在轉速接近系統同步轉速、滑差在允許的范圍內時(shí)強行合閘并列，再加勵磁發(fā)電，由母線(xiàn)將發(fā)電機拉入同步。該方式?jīng)_擊電流較大，并機時(shí)間短，適用于小水電并網(wǎng)。準同期并機是將未投入母線(xiàn)的發(fā)電機加上勵磁，調節其電壓和頻率，在滿(mǎn)足并列條件時(shí)，使發(fā)電機的出口開(kāi)關(guān)合閘，將發(fā)電機投入母線(xiàn)，則在發(fā)電機定子回路中的環(huán)流幾乎為零，不會(huì )產(chǎn)生電流和電磁力矩的沖擊。缺點(diǎn)是并機時(shí)間長(cháng)，通常接近1分鐘。目前，該并機方式在數據中心等IT行業(yè)應用廣泛。

 

二、準同期并機

 

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

1、動(dòng)態(tài)準同期

      在動(dòng)態(tài)準同期中，同步發(fā)電機運行在與母線(xiàn)不同的頻率下，這個(gè)頻率偏差叫做滑差。通?；顬檎龜?，即待并機的頻率稍高于母線(xiàn)頻率，目的是避免并機后產(chǎn)生逆功率。動(dòng)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(xiàn)發(fā)電機運行在1500轉/分、50.0Hz，滑差為+0.1Hz。盡管發(fā)電機處于旋轉狀態(tài)，但已接入母線(xiàn)的發(fā)電機L；相位角始終指向時(shí)鐘12點(diǎn)，因此待并機的發(fā)電機須縮小相位差為零時(shí)才能到達同期點(diǎn)。同期時(shí)間

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

 

圖1  柴油發(fā)電機組動(dòng)態(tài)同期并機原理

 

 

（1）合閘信號

      因斷路器自身機械結構有動(dòng)作時(shí)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(shí)際合閘時(shí)刻相位差為0，即同期點(diǎn)合閘。以ABBE系列空氣斷路器為例，合閘時(shí)間為0.08秒，合閘繼電器動(dòng)作時(shí)間0.02秒，計算公式如下：

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

      為確保合閘成功，合閘脈沖時(shí)長(cháng)為100ms（80ms+20ms）。

（2）同期并機后的負載圖形

      當要并機的G?發(fā)電機的空氣斷路器閉合后，它將分擔一部分負載。圖2顯示滑差頻率為正時(shí)，G?發(fā)電機輸出有功功率。圖3顯示滑差頻率為負時(shí)，G?發(fā)電機吸收有功功率，這種現象叫做逆功率。

 

圖2  柴油發(fā)電機組并機頻率正滑差

圖3  柴油發(fā)電機組并機頻率負滑差（逆功率）

 

 

（3）調整

      以HGM9510型并機控制器為例，動(dòng)態(tài)同期設定參數如表1所示。

表1    動(dòng)態(tài)同期設定參數

      滑差頻率包含有兩個(gè)設定——"Syne dfux”和"Synedfuv"。

      下面舉例計算說(shuō)明正確設定滑差的重要性。

（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(xiàn)頻率間的滑差為+0.15 Hz，意味著(zhù)發(fā)電機和母線(xiàn)之間的相位角會(huì )減少，直到進(jìn)入同期點(diǎn)。

例2：（0.3-0.3）/2=+0Hz

      發(fā)電機頻率與母線(xiàn)頻率間的滑差為0Hz，意味著(zhù)發(fā)電機和母線(xiàn)之間的相位角不會(huì )減少。這種狀態(tài)下，發(fā)電機相位永遠不會(huì )進(jìn)入同期點(diǎn)，因為發(fā)電機相位永遠追不上母線(xiàn)相位。

2、靜態(tài)準同期

      在靜態(tài)準同期控制模式中，發(fā)電機頻率非常接近母線(xiàn)頻率，滑差比動(dòng)態(tài)小，通常在0.05 Hz以?xún)?，目的是精確尋找同期點(diǎn)。需要注意，當使用繼電器觸點(diǎn)調節速度時(shí)，不推薦采用靜態(tài)并機，因為會(huì )使并機時(shí)間很慢。靜態(tài)準同期并機原理如圖4所示。

 

圖4  柴油發(fā)電機組靜態(tài)準同期并機原理

 

（1）相位角控制

      并機控制中的頻率控制，會(huì )使發(fā)電機頻率朝母線(xiàn)頻率靠近。當頻率偏差在0.05 Hz范圍內時(shí)，相位角控制器將開(kāi)始工作。

（2）合閘信號

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

 

柴油發(fā)電機組并機合閘信號

 

（3）同期后的負載狀態(tài)

      同期后，機組將根據所選發(fā)電機組模式的要求更改控制器設定值。當滑差頻率不被接受時(shí)，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(wú)負載的母線(xiàn)上。動(dòng)態(tài)和靜態(tài)同期模式可以通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)切換選擇。

（4）參數設定

      并機控制器靜態(tài)準同期參數設定如表2所示。

表2    并機控制器靜態(tài)準同期參數

三、反常規自同期及解決勵磁涌流

 

      常規自同期合閘時(shí)沖擊電流較大，而準同期方法并機時(shí)間長(cháng)。如果發(fā)電機直接給變壓器送電，則會(huì )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、反常規自同期

      如圖6所示，先將所有機組速度電壓設定為同樣的上升斜率及額定值，再啟動(dòng)所有發(fā)電機組。當速度上升至400 r/m時(shí)，令所有發(fā)電機GB合閘：當速度上升至900 r/m時(shí)，合上所有發(fā)電機勵磁開(kāi)關(guān)，此時(shí)相當于自同期。雖然各臺發(fā)電機之間的相位角不同，但是由于轉速低，發(fā)電機電壓低，遠小于額定值，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)電機繼續采用同樣斜率升速，頻率電壓達到額定值后再給負載供電。

      此方法比發(fā)電機先達到額定電壓頻率后再調整準同期的方法快得多。通常準同期完成最快要接近1min，而應用此方法時(shí)，當發(fā)電機啟動(dòng)從靜止到達額定轉速自同期即同步完成，通常最快約8s。

 

圖6  柴油發(fā)電機組并機反常規自同期工作流程

 

2、解決勵磁涌流

      變壓器空載合閘時(shí)會(huì )產(chǎn)生勵磁涌流，其值高達變壓器額定電流的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(huì )導致開(kāi)關(guān)保護動(dòng)作，出現開(kāi)關(guān)跳閘現象。

      為了解決勵磁涌流，如圖7所示，在機組啟動(dòng)前先將所有變壓器二次側的開(kāi)關(guān)手動(dòng)合閘及優(yōu)先級最高的機組出口斷路器合閘，再啟動(dòng)優(yōu)先級最高的機組。隨著(zhù)機組轉速上升，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(dòng)失敗，則啟動(dòng)優(yōu)先級次高的機組同樣采用先合閘再勵磁的方式啟動(dòng)，以此類(lèi)推。此功能通過(guò)控制器內置的強大mLogic軟件實(shí)現。

 

圖7  柴油發(fā)電機組并機改進(jìn)原理圖

總結：

      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(gè)條件。同時(shí)，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)保護措施等因素，以確保發(fā)電機能夠安全、穩定地向負載供電。通過(guò)以上條件的滿(mǎn)足，發(fā)電機可以實(shí)現并聯(lián)運行，從而提高電力供應的可靠性和穩定性。同時(shí)，發(fā)電機并聯(lián)運行還可以實(shí)現功率的增加，滿(mǎn)足大功率負載的供電需求。因此，在電力系統中，發(fā)電機并聯(lián)運行被廣泛應用于電力站、工廠(chǎng)和大型建筑等場(chǎng)所，以確保電力供應的可靠性和穩定性。

 

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