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柴油发电机并机控制原理和系统组成图解 |
摘要：为了保证柴油发电机组供电的可靠性，提高供电质量（电压和频率），增加运行的灵活性，做到经济运行，往往需要将柴油发电机组并联运行。然而多台发电机组并联运行也不是一件简单的事，因此，康明斯公司在本文中针对性的介绍了柴油发电机组并联系统的组成、引用标准和工作条件及实现的各种具体方法；并详述了柴油发电机组稳定运行时有功功率及无功功率的调节与分配。
一、并联运行的的标准和条件
为了满足大负荷或不间断供电要求，需要启动两台或多台发电机组同时供电。柴油发电机组并联控制系统是可根据发动机和交流电机的特点及不同用户的特殊需求而度身定制。与各种类柴油发电机组的配合能使其优越性能得到更好的发挥，并同时满足不同客户的需求。
1、适用标准
本系统适用以下标准：
（1）国际电工委员会IEC标准
● IEC529（1989）封闭设备防护等级
● IEC947（1995）低压开关柜和控制柜通用标准
● IEC455（1992）低压开关柜和控制柜装配标准
（2）中国国家标准
● GB4208-84外壳防护等级的分类
● GB4200-84低压电气外壳防护等级
● GB7251-87低压成套开关设备
2、工作条件
在并联运行时必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步柴油发电机组受到损坏、电网遭受干扰。此时，柴油发电机组在电气上要满足4个基本条件：
（1） 相序
待并柴油发电机组输出电压的相序必须和已运行柴油发电机组的相序一致。
（2） 频率
待并柴油发电机组输出电压的频率和已运行柴油发电机组的频率相等。
（3） 电压
待并柴油发电机组的电压和已运行柴油发电机组的电压相等。
（4） 相位
待并柴油发电机组输出电压的相位和已运行柴油发电机组电压的相位相同。
上述条件不满足任何一条，都会因瞬时值不等而出现环流。其中相序相同必须严格遵守，其它三个条件允许稍有出入。一般说来，相序可由设计制造及安装自动满足，对于没有标明转向和相序的电机，可以利用相序指示器来确定，并联时将主要检查频率及电压的大小和相位。
二、并联系统组成
并机控制系统由1套集中式“并联主控制柜”和8个带有“并机控制模块”的随机安装的并机分控柜组成，发电机组并车控制模块和控制系统采用原装进口数字化模块。
1、并联主控制柜
（1）并联主控制柜（康明斯原厂产品）是以微处理器为中心的集成控制系统，功能分布如图1所示。并车控制系统应采用双机热备系统，具有冗余备份功能。当1套系统宕机后，不影响发电机的并机。
（2）控制柜有最新版本的控制面板主控制柜柜体为落地直立式，采用PLC及触摸屏对发电机系统那个逻辑控制和外部接口通信。过一个高分辨率可编程图形界面板，操作者可以完成对现场整个电力系统进行监测和控制。
（3）PLC可以控制各个市电回路及发电机系统内各开关柜分合闸及故障监控，在触摸屏中可清晰显示及操作各断路器。通过分层菜单为系统实现各种控制功能，并且为操作者以中文显示信息，使操作者很容易理解，并且可以迅速了解系统的功能和操作方法。
2、并联分控制柜
每台发电机组分控柜都具备集成调速和调压功能，可以综合发动机调速和发电机调压功能，即有并联检测、并联合闸、负载分配等功能，功能分布如图2所示。并有足够的控制功能和独立的操作能力，即使其它发电机组发生故障，系统仍然可以自主安全运行。避免个别发电机组的故障造成整个系统控制失灵的缺陷。每台发电机组控制屏具有自动、手动同步和负载分配功能.以便在主控制系统出现问题时，每台发电机组可以分别与母排实现手动并联.发电机组通过手动并联后，所有在线并联发电机组可按比例进行负载分配。在发电机组正常测试周期带测试负载（低压模拟负载）测试时，控制试验负载（高压电阻箱）断路器的闭合和断开，不影响整个电力系统的正常运行。并联系统可实现双画面并机操作，具有最新版本的控制面板，控制屏显示菜单必须为中英文（可选）液晶显示状态和参数。
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图1 柴油发电机组并联主控制柜界面图 |
图2 柴油发电机组并联分控制柜界面图 |
三、投入并联的方法
在电力系统中，为了投入并联所进行的调节和操作过程，称为同步过程。同步又可分为自同步和准同步两种方式。
1、自同步方式
自同步并联运行的操作是将未加励磁电流的柴油发电机组的转速升到接近额定转速；然后，把柴油发电机组投入并联，再立即加上直流励磁，此时，依靠定、转子磁场间所形成的电磁转矩，即可把转子自动牵入同步。自同步法的优点是，投入迅速，不需要增添复杂的装置，缺点是投入时定子电流冲击稍大。
2、准同步方式
准同步方式是将待并柴油发电机组在投入系统前通过调速器调节原动机转速，使柴油发电机组转速接近同步转速；通过励磁调整装置调节柴油发电机组励磁电流，使柴油发电机组端电压接近系统电压；在同步条件中的频差及压差满足给定值时，选择在零相角差到来前的合适时刻合上开关，柴油发电机组迅速被拉入同步运行。准同步并联运行的优点是，投入瞬间电网和电机基本没有冲击。
根据自动化程度的高低，准同步方式又可分为手动并联运行和自动并联运行。其中，手动并联运行包括灯光熄灭法（直接接法）、灯光旋转法（交叉接法）、粗同步法等；自动并联运行有晶体管自动并联运行、继电器自动并联运行和单片机控制自动并联运行等。
随着微机控制技术的发展，单片机自动控制的并联运行技术得到了很大的应用。由单片机控制的自动并联运行装置具有体积小、成本低、控制灵活等显著的优越性，因此，自动并联运行实现单片机控制已是一种趋势。其原理是，根据前面柴油发电机组并网的条件，利用单片机检测柴油发电机组的电压差、频率差和相位差，并根据该差率的大小自动对柴油发电机组进行调整，当差值非常小，认为已满足条件时，发出合闸脉冲，实现同步运行。
从上述分析可看出，只要掌握了柴油发电机组并联运行的条件，充分熟悉各种并联的方法，就可根据工程的具体情况，适当地选用某种并联方式。既可做到操作简便、迅速，可靠性高，又可防止并联瞬间出现的冲击电流和电压波动。但是，柴油发电机组同步运行后，还有一个重要的环节，就是对柴油发电机组进行功率分配。
四、有功和无功功率的调节与分配
在多台柴油发电机组并联运行的系统中，负载的任何变化都会引起频率和电压的波动，导致并联运行的柴油发电机组间出现功率交互振荡。三相四线制中在中线形成的以三次谐波为载波的调幅电流，又加剧了功率振荡。可见要使并联发电机组稳定运行，柴油发电机组均分负荷是必要的。所谓均分负荷，则力求把并联发电机组的运行状态调的一致，即有功功率按容量大小成比例分配，无功功率的分配则力求把所有柴油发电机组的功率因数调的一致。
1、有功功率的调节与分配
柴油发电机组输出的有功功率是由原动机的机械功率转化而来的，这样，改变并联运行同步柴油发电机组有功功率的分配必须通过调节调速器来实现的。而柴油发电机组要求原动机能保持恒定的转速，使得频率稳定，因此，调频与调载间有着内在的联系。
目前，在我国由于地区经济差距比较大，各地装配的柴油发电机组种类繁多，功率的调节与分配方式也各种各样，既存在手动控制，又存在自动控制等。下面将对自动控制做简单的介绍。对电网频率的自动调节和功率的自动分配，有许多不同的方案可供采用，有模拟式控制系统和数字式控制系统两种。在控制系统的控制下能经常地保持电网的频率为额定值，电力系统的负荷则按给定比例进行分配。
模拟式控制系统原理如图3所示。负荷分配器中的功率测量电路在并行电缆（平衡链）中产生一个正比于柴油发电机组有功功率的直流信号。由于所有的并行电缆都连接在一起，当有功功率分配不均衡时，并行电缆之间将产生电流信号，负荷分配器侦测到该信号时，自动对该柴油发电机组进行调整，实现有功功率的调节与分配。
数字式控制系统则主要是用单片机来进行控制功率的调节与分配，控制器外观示意图如图4所示。首先，利用单片机测出各发电机组的功率以及功差（指各发电机组的功率与平均功率的差值），再根据功差的大小对调速器发出调节信号，以达到消除功差的目的，从而实现有功功率的调节与分配。
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图3 柴油发电机组并机控制原理模拟图 |
图4 柴油发电机组数字智能控制器 |
2、无功功率的自动分配
改变并联运行的同步柴油发电机组无功功率的分配是通过改变各台柴油发电机组的励磁电流来实现的，又因为励磁电流与同步柴油发电机组的电势直接相关，因此，无功功率的分配与电压的调节是密不可分的。柴油发电机组的自动电压调节器能改变励磁电流，以自动维持柴油发电机组端电压的恒定，同时其附加装置也调整了无功功率，使并联运行的柴油发电机组间的无功功率得到合理的分配。柴油发电机组间的无功功率的分配，又取决于电压调节器的电压调整特性。最常用的是采用均具有有差电压调整特性的柴油发电机组并联运行，为了达到这一要求，通常在柴油发电机组间增设调差装置和均压连线。
（1）调差装置
在按电压偏差AU，调压的励磁系统中，调差系数足，一般是很小的，甚至几乎接近是无差的。这样，在柴油发电机组并联运行时，就会使无功功率的分配不稳定。为了使调压特性曲线具有足够倾斜度的有差调整特性，且Ke相同，以稳定而平均的分配无功功率，所以，在调压器上加装可以改变调差系数的装置。
（2）均压连线
均压线根据连接在励磁硅整流器的直流侧还是交流侧可以分为直流均压线和交流均压线。
① 直流均压线
直流均压线接线图如图5所示。对相同容量柴油发电机组的并联运行，可采用直流均压线来使各柴油发电机组的励磁电流在任何时候都相等，以保证各柴油发电机组的无功负荷在任何时候都平均分配，如图2所示。当两台柴油发电机组的励磁电流不同时，均压线上将出现平衡电流，使两台柴油发电机组的励磁电流保持相等。
② 交流均压线
直流均压线接线图如图6所示。对不同容量的柴油发电机组的并联运行，可采用交流均压线，如图3所示，其作用原理与直流均压联接基本相同。由图可见，将两台柴油发电机组调压装置的移相电抗器通过均压线并联。当两台柴油发电机组出现电压差时，通过均压线使柴油发电机组输出电压均衡，以保持无功负荷分配均衡，交流均压线对无功负荷分配好、均压电流小，但并联运行时冲击电流较大。
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图5 柴油发电机组并联系统直流均压连线法. |
图6 柴油发电机组并联系统交流均压连线法 |
总结：
贯穿于柴油机发电站并联运行的两个重要环节是并联运行和调频调载。目前，常见的情况是，并联运行用同步控制器，调频调载用负荷分配器。我们可以通过先进的单片机与自动控制技术将这两个功能集成在一个模块上，很显然，这比传统的控制装置要优良的多，不仅节省了安装空间，还有控制灵活、精确、可靠性高、便于改进等显著的优越性。在此基础上，我们还可以对该模块的功能进行扩展，最后可实现柴油发电机组自动启动、自动并联运行、自动调频调载、自动解列、自动停机、各种保护与报警等功能，构成一个完备的柴油机电站控制系统。
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