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功能说明与康明斯知识 |
康明斯发电机组并联运行的条件和原理 |
摘要：根据康明斯公司多年的应用经验，在柴油发电机使用过程中，通常有三种情况需要并车操作。一是需要满足电网负荷的需求，当单机负荷达到80%额定容量时，且负荷仍有可能增加，这时就要考虑并联另一台发电机组；二是当用电设备瞬间启动电流过大，为了备用电源运行的安全，需要两台柴油发电机并联运行；三是当需要用备用发电机组替换下运行供电的发电机组时，为了保证不中断供电，需要通过柴油发电机并车进行替换。康明斯公司在本文中将并联运行的技术条件和不满足并车条件的危害，以及并机过程中出现的环流现象消除方法进行了系统性介绍。
一、并联运行的技术条件
1、三相线电压
从同步发电机的机械构造可以知道，三个一模一样的绕组按照空间360°三等分并且对称的安装在定子的机座上。这三个绕组——称为定子绕组或因为供给负载的电力由这里输出而被称为电枢绕组，它们在空间机械位置上已被确定为彼此之间120°电角的间隔。当同步发电机转子磁场（称为主磁场）的磁力线依次扫过并切割三个电枢绕组时，就会按照扫过的顺序在三个绕组上分别产生彼此之间相位差为120°（相量图如图1所示），波形为正弦形的感应电动势（波形图如图2所示）。各绕组起始端之间的感应电动势的差称为线电压，按照它们的初始相位的大小——相序写出这三相电压的表达式为：
u1=Umsin（2nft+0°)
u2=Umsin（2nft+120°)
u3=Umsin（2nft+240°）
这三个线电压通常也用U、V、W三个字母（或组合）表示。从这同一台同步发电机的三个绕组各自输出的线电压的表达式可以看出：
（1）初相角
0°、120°、240°这三个初相角是由同步发电机的结构决定的。
（2）f是线电压的频率。
它表示单位时间内，同步发电机转子磁场的磁力线切割电枢绕组的次数。其大小实际上是由柴油发动机的转速决定的，因为是发动机直接带着发电机转子一起旋转，转速越快则f越高，反之亦然f越低。
对于同一台同步发电机来讲，显然三个线电压的频率f是一样的。2nf实际上是转子磁场的磁力线切割电枢绕组的角频率，用ω表示。从三相电压的表达式可知：2nft+φi（φi=0°、120°、240°）是正弦量变化的核心，它反映了正弦量随时间t变化的进程。
（3）Um是线电压的最大值。
它是由同步发电机的励磁系统的励磁电流的大小决定的，因为同步发电机的转子磁场是由励磁电流流过转子绕组而产生的，电流大则转子磁场强，磁力线切割电枢绕组在绕组上产生的感应电动势就大，反之亦然，感应电动势就小。同步发电机只有一个励磁系统，因此三个绕组输出电压的最大值Um都是一样的。
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图1 发电机三相电动势相量图 |
图2 发电机电动势波形图 |
2、并车的条件
以上是对一台柴油发电机组输出的线电压各参数意义及相互关系的描述。如果再用一台或几台柴油发电机组与它并联运行，则必须使待并入康明斯发电机组的相关参数与它一样的，因此建议用户尽量使用同一品牌柴油发电机组，确保它们之间的参数完全相等（丙烯系统布置模拟如图3、图4所示）。从上面的分析可知，这些参数应该是：
（1）相序
相序必须一致。待并入机组的U、V、W和已运行机组的U、V、W同名端相并联。
（2）频率f
待并入机组的f与已运行机组的f应维持在标定频率50Hz，彼此之间不能有大于lHz（即1周）的误差。
（3）瞬时相位φ
即待并入机组的U、V、W和已运行机组的U、V、W同名线电压的2nft+φi（φi=0°、120°、240°）应时刻保持一致。因为柴油发电机组的发动机的转速决定着同步发电机的转子磁场磁力线切割电枢绕组的频率无所以微调发动机的转速必然引起频率拍勺变化。而一周内频率在某一时段的变化△f/△t实质是正弦波瞬时相位的变化即△φ。实时调控待并入机组和已运行机组的发动机转速，不断获得△φ增量或减量，从而使它的瞬时相位φ与已运行机组的瞬时相位△φ动态保持一样。
（4）瞬时电压u
对应三相每个时刻都大小相等。决定瞬时电压u大小的是线电压最大值Um与瞬时相位。以上的分析已经表明：实时调控侍并入机组和已运行机组的发动机转速及同步发电机励磁电流，就可以使各相对应的线电压的瞬时值u实时与标定值（例如380V）相等。
（5）波形良好无畸变
待并入机组和已运行机组的线电压的正弦波形都要良好且无畸变。并联运行中，若在某时刻出现畸变即意味着含有高次谐波。这有时也与特殊负载反馈的干扰或三相线电压的负载极端不平衡有关。高次谐波会导致并联机组之间出现谐波环流，影响并机效果。
这五个条件是两台或多台柴油发电机组并联运行的前提。综合上述可以看出：它们是相互关联相互依存的。在并联运行中的各机组必须实时调控自己的相关参数，使其与其它机组以及予先设定的相关标定参数一致，才能便整个并机系统处于对外提供电能的可靠运行中。
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图3 多台柴油发电机组并联系统三维布局图 |
图4 柴油发电机组并联系统电源分配图 |
二、并车条件不满足的危害
实际并车时，除相序外，其他条件不可能做到完全一致，而且必须有一定的频差才能快速投入并联运行。
1、当频率相等、初相位一致、电压不相等时，两台发电机并车瞬间将在两发电机组间产生一个无功性质的环流、对两台发电机起到均压作用。由于发电机在并车瞬间呈现很小的等值电抗，因此当电压差较大时，合闸瞬间会产生很大的冲击电流，对两台发电机和电力系统均不利。巨大的冲击电流产生的冲击电动力，会损伤发电机电枢绕组、主开关触头，使汇流排变形等。一般并车操作时，电压差△U不得超过额定电压的10%。
2、 待并发电机组与运行发电机组电压相等、频率相等，但初相位不同，两台发电机并车瞬间在待并机主开关的动、静触头间会有一电压差，在两发电机组间会出现滞后电压差90°的环流，此时的环流不再是纯无功性质。把环流有功和无功分解，得到有功分量环流的和无功分量的环流，在有功环流的作用下，一台减速而另一台加速，最终使得并联运行的两台发电机达到相位一致而进入同步运行。环流的有功分量对应的功率称为整步功率，其中超前的发电机输出整步功率，滞后的发电机吸收整步功率。整步功率对应的整步转矩，对于超前发电机而言是阻转矩，使转速下降，对于滞后发电机而言是驱动转矩，使转速上升， 最终将两机拉入同相位同步运行。该过程称为“牵入同步”过程。无功性质的环流、对两台发电机起到均压作用。为了减少冲击电流，一般并车操作时要求相位差小于△S15°。
3、待并机与运行机电压相等，初相位相同，但频率不相等时并车。在合闸瞬间不会出现电压差，也就没有环流。但由于频率不相等，随时间后移，就会出现相位差，只要相位差一出现，环流就随之产生， 即出现整步转矩，一台减速而另一台加速。只要频率差不大，最终依靠整步转矩都能“牵入同步”。若频差Δf太大，往往难以拉入同步，同时合闸后环流也不断增大，对发电机和电力系统都不利，应避免这种情况的发生。通常在并车操作时要求频差△f小于0.5Hz，以0.25Hz最好。
发电机并车时，合闸瞬间任一条件不满足，都会在发电机组之间产生冲击电流。冲击电流的无功分量起均压作用；有功分量产生的冲击转矩起整步作用。只要冲击电流不大，对并车操作是有利的。若冲击电流太大，会造成并车失败，严重时会导致全厂停电，甚至造成发电机组的损坏。
三、环流消除方法
通过理论分析、实验和实际工作证明，例如并联运行的柴油发电机组只有两台并联。它们各相对应的三相线电压之间只是瞬时相位有差别，而其它的参数都一致，则就会在这两台机组之间产生有功功率的不均分，从而形成以有功环流为主的环流。瞬时相位的差别产生有功环流，如何消除呢?
从前面的分析可知：微调柴油发动机的转速——也就是调控发动机的油门。使同步发电机转子磁场磁力线切割电枢绕组的频率，在单位时间内产生一个增量或减量，即为瞬时相位的增量或减量，并以此填补瞬时相位的差别，达到使两台机组各相对应的三相线电压的瞬时相位一致，就可以实现平分负载有功功率，达到消除有功环流的目的。在并联柴油发电机组的调试中经常可以发现:当增大一台机组的油门时有功功率就较多地转到该台机组，当减小它的油门时，则有功功率就较多地转向另一台机组。所以微调频率可以消除有功环流。
如果这两台并联机组输出的三相线电压中，相对应的其它参数都一样，而只有瞬时电压的大小不一样。此时在两机之间就会有无功功率的不均分，从而形成较大的无功环流。消除无功环流的办法是，实时调控同步发电机转子绕组的励磁电流，励磁电流越大则转子磁场越强，其磁力线切割电枢绕组所产生的感应电压就高。反之，感应电压就小。
通过这样的调节，就可以使两台机组各相对应线电压的瞬时值M相等并与标定值（例如380V）一样。其实，转子绕组的励磁电流是由同步发电机内的励磁发电机发出的并经过同步整流器而产生的。励磁发电机的定子绕组内的电流又是受自动电压调整器（AVR）控制的。也就是说给AVR控制信号使定子绕组的电流发生变化，从而引起定子磁场磁力线的变化和励磁发电机转子绕组的感应电压变化。
此变化的感应电压经同步整流器后，成为同步发电机转子变化的励磁电流。这必然会引起同步发电机输出的三个线电压的瞬时值的改变。所以在并联机组的实际调试中可以遇见:给某一台机组的AVR输入升压信号时，无功功率就较多地转到该机组。而输入降压信号时，无功功率就较多地转向另一台机组。可见，适时地给AVR输入平衡信号就可以使并联运行的两台机组平均分配无功功率，消除无功环流。所以调节瞬时电压可以消除无功环流。这些就是技术术语中常说的"有功调频，无功调幅"。
总结：
其实，柴油发电机组并联运行的过程，就是不断地实时调控各机组的相关参数，便有功环流和无功环流减少到最小甚至为零的动态过程。可见要使两台或多台柴油发电机组处于良好的并联运行状态，除了各发电机组满足以上并联的五个条件外，还要彼此平均分担负载。实际上，并机的五个条件和均分负载是相互关联、相辅相成的。通过以上的分析表明，根据各机组并联运行中的情况，只要实时调节柴油发动机的转速也就是调控发动机的油门。实时调节同步发电机的励磁电流——也就是调控AVR。使并联运行的各机组的相关参数达到动态的一致和同步，就可以实现并联机组的平稳运行。 由于不同生产厂家的AVR性能不同，因此，康明斯公司在此呼吁用户，尽可能在采购柴油发电机组时，购买相同品牌的设备，避免后期使用与规划时出现不必要的损失。
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