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柴油发电机并机柜功能、类型及负载分配方法 |
摘要：康明斯公司生产的并机柜专为柴油发电机并联运行设计、制造的专用装置。适用于 2 台及以上带电子调速器的柴油发电机的并联运行。具有远程启动发电机、自动并机、自动按比率分配有功功率、自动增机解列待机停机及发电机故障显示、保护等多种功能。本系统要实现对电站的频率、并联运行发电机组间的有功功率分配进行自动调节，使之在给定的允许范围之内；并通过操作来实现电站并联运行发电机组间的有功功率的转移，以便切换发电机组或卸载停机。
一、并机柜的种类
柴油发电机并联系统不但能减少值班人员的操作强度，并且能保持电网频率为额定值、提高供电质量且发电机组间负荷分配均衡以提高发电机组的负荷率，从而提高电站运行的稳定性及经济性。康明斯原厂并机柜内含同步器、负荷分配器、PLG 、优质电器组件和进口品牌空气开关、铜排及柜体等。接线如图1所示，并机柜外观如图2所示。经康明斯专业高级工程师优化设计而成，本装置具有功能齐全，运行安全可靠，维护方便等特点。
1、手动并机柜
采用传统的灯光法并机的系统。
2、半自动并机柜
人工操作发电机开、停机，人工操作并机柜系统的分、合闸健，自动完成并机、解列控制。
3、自动井机柜
由市电的有无控制的发电机组开、停以及并机系统的自动并机与解列，自动分配负载的并机系统。
4、全自动并机柜
在自动并机柜的基础上采用PLC（程序控制）完成多台发电机组的自动投入与并机，自动解列，与停机的逻辑功能（常称调峰）。
5、三遥并机系统
采用专用的单片机系统，完成并机柜以及发电机同PC机的通信连接的并机系统。
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图1 并机控制器接线端子示意图 |
图2 康明斯原厂DMC系列并机柜 |
二、自动并机柜的功能
多台柴油发电机组之间并机柜必须具备不可缺少的完善功能和保护系统，如图3、图4所示。
1、自动并机
当发电机组启动成功后，送电至并机柜，需并机时，由同步器检测信号，作用电调，将待并发电机组的频率和相位自动调节与母线一致，发出并机信号，作用空气开关合闸、并机。
2、自动分配负荷
当 2 台及以上发电机组并机完毕后，发电机组开始带负荷运行，负荷分配器将作用电调，根据发电机组的功率，按比例分配负荷。
3、调峰
当 2 台及以上机并联运行，在负荷变化时，可根据负荷率的大小，增减运行发电机组的台数.一般当负荷率低于 35% 时，将解列发电机组，负荷率高于 80% 时将启动，并列发电机组，以使发电机组运行在最经济的状态。此种功能要求发电机有自启动功能，才能完成。
4、保护功能（康明斯PC3.3控制器）：
当运行中发电机组之柴油机或控制系统故障时（如柴油机燃油阻塞），造成该发电机组不能正常出力，由其它发电机组拖动其进入电动机状态，加重了系统负担，此时，控制系统将会自动切断该发电机组，并发出警报。 当负载出现过流保护时，系统会自动跳闸，断开系统对负载的供电，同时发电机组自动冷却停机。当故障处理后，当市电还没有恢复，系统能自动运行供电。
（1）同步保护；
（2）逆功率保护；
（3）过电流和短路保护（由保护器完成）；
（4）过压、欠压保护。
5、软性加/减载和零功率分闸
在调峰功能中，在发电机组间的负载转移不是瞬时转移，因为瞬时转移会对整个并机系统造成电压波动，给发电机组和负载造成冲击；采用软性加/减载，使负载按一定的坡度转移，整个系统在转移过程中无冲击，当需要卸载一台发电机组，会将该发电机组的负载全部软性转移到其它发电机组上时，才会自动分闸。同样在一台发电机组同期并机后也是按设定的坡度加载，使之分配与其它发电机组同功率百分比的负载。
6、故障显示
发电机组故障时联动跳闸。如发电机组在运行中因水温过高等问题而保护停机时，其并机开关将联动跳闸，避免逆功率而拖累其它运行发电机组，也可保护发电机组自身免于大电流突然分断时产生高尖脉冲烧毁励磁系统。此保护动作时，并机柜上的故障指示灯亮。
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图3 柴发发电机组并机柜功能框图 |
图4 柴发发电机组并机柜保护系统框图 |
三、并机后负载分配
柴油发电机组并机首先要满足功率均分分配的要求，功率均分分配包括有功功率和无功功率两个方面。所谓均分分配指的是各台发电机组所承担的有功功率和无功功率都应该与它们的额定功率成正比。如果功率分配出现较大的不平衡，无论是有功功率还是无功功率，都不仅会影响发电机组运行的效率与经济性，而且甚至会引起整个电站的故障。
1、并机控制器数据信息
HGM9510模块控制各发电机组的功率分配误差小于±2%，远远小于国家标准±10%。所有HGM9510并机控制器之间连接是通过MSC总线(CAN BUS)来实现的，MSC总线上传输每个HGM9510模块的数据信息。数据信息包括：
（1）有功功率；
（2）无功功率；
（3）运行状态；
（4）报警状态；
（5）开关状态。
根据采集到的所有发电机组输出的有功功率、无功功率百分比大小，计算出有功功率、无功功率目标值(Tgt%)，然后每个模块输出的有功功率、无功功率值(kW%)通过PID算法调节与目标平均值的差值，来达到各台发电机组的有功功率与无功功率输出大小一致。
2、负荷转移
HGM9510并机控制器具有软加载软卸载功能，避免发电合闸与分闸时对发电机组的冲击，延长发电机组使用寿命。负载调度方案如下：
（1）按需求开机：
① 在自动模式下，开关量输入口远程开机带载(按需求)有效时，优先级最高的模块首先开机，当负载大于模块设定的开机最大百分比时，次优先级的模块开机，同步井机，带载均分。
② 当负载小于模块设定的停机最小百分比时，次优先级的模块停机延时完后，分闸散热停机。
③ 当带载的发电机组报警停机时，次优先级的模块开机。
（2）全部开机：
① 在自动模式下，开关量输入口远程开机带载(按需求)有效时，所有模块全部开机，首先达到带载条件的模块先合闸，其它模块达到带载条件后，一一同步并机。然后模块检测负载，当负载小于模块设定的停机最小百分比时，优先级小的模块停机延时完后，分闸散热停机。
② 当负载大于模块设定的开机最大百分比时，剩余未开机的发电机组全部自动开机。
③ 当带载的发电机组报警停机时，剩余未开机的发电机组全部自动开机。
（3）均衡发动机运行时间：
① 在自动模式下，开关量输入口远程开机带载(按需求)有效时，发动机运行时间小的发电机组首先开机。
② 当带载运行的发电机组运行时间大于其它发电机组设定的均衡发动机运行时间时，调度其它发电机组开机(可按需求开机、全部开机两种模式)，其它发电机组同步井机后。自己分闸卸载停机。
③ 所有的发电机组按均衡发动机运行时间的大小轮流循环自动开停机。
（4）调度其它发电机组停机机的最小负载百分比：
举例：3台发电机组额定有功功率都为100kW。优先级为1，2，3停机的最小负载百分比设定为：60%；当前3台发电机组井机带载，负载功率为240kW。
① 当负载为120kW时，优先级3发电机组开始自动停机延时，延时结束后，卸载停机，优先级1与2的发电机组均分负载各带60KW(额定功率的60%)
② 当负载为60kW时，优先级2发电机组开始自动停机延时，延时结束后，卸载停机，优先级1发电机组带负载60KW(额定功率的60%)
③ 当远程开机信号无效时，优先1发电机组开始自动停机延时，延时结束后，分闸停机。
总结：
柴发并机柜结构简单，美观大方。操作简易、标示清楚一目了然，既使是从来未接触过发电机或并机柜的电工也能在最短的时间里教会操作并机柜。 功能齐全，具有逆功率保护。机器故障保护等功能，严格按GB/T2820标准执行。
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