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功能說明與康明斯知識 |
康明斯發電機組并聯運行的條件和原理 |
摘要：根據康明斯公司多年的應用經驗，在柴油發電機使用過程中，通常有三種情況需要并車操作。一是需要滿足電網負荷的需求，當單機負荷達到80%額定容量時，且負荷仍有可能增加，這時就要考慮并聯另一臺發電機組；二是當用電設備瞬間啟動電流過大，為了備用電源運行的安全，需要兩臺柴油發電機并聯運行；三是當需要用備用發電機組替換下運行供電的發電機組時，為了保證不中斷供電，需要通過柴油發電機并車進行替換。康明斯公司在本文中將并聯運行的技術條件和不滿足并車條件的危害，以及并機過程中出現的環流現象消除方法進行了系統性介紹。
一、并聯運行的技術條件
1、三相線電壓
從同步發電機的機械構造可以知道，三個一模一樣的繞組按照空間360°三等分并且對稱的安裝在定子的機座上。這三個繞組——稱為定子繞組或因為供給負載的電力由這里輸出而被稱為電樞繞組，它們在空間機械位置上已被確定為彼此之間120°電角的間隔。當同步發電機轉子磁場（稱為主磁場）的磁力線依次掃過并切割三個電樞繞組時，就會按照掃過的順序在三個繞組上分別產生彼此之間相位差為120°（相量圖如圖1所示），波形為正弦形的感應電動勢（波形圖如圖2所示）。各繞組起始端之間的感應電動勢的差稱為線電壓，按照它們的初始相位的大小——相序寫出這三相電壓的表達式為：
u1=Umsin（2nft+0°)
u2=Umsin（2nft+120°)
u3=Umsin（2nft+240°）
這三個線電壓通常也用U、V、W三個字母（或組合）表示。從這同一臺同步發電機的三個繞組各自輸出的線電壓的表達式可以看出：
（1）初相角
0°、120°、240°這三個初相角是由同步發電機的結構決定的。
（2）f是線電壓的頻率。
它表示單位時間內，同步發電機轉子磁場的磁力線切割電樞繞組的次數。其大小實際上是由柴油發動機的轉速決定的，因為是發動機直接帶著發電機轉子一起旋轉，轉速越快則f越高，反之亦然f越低。
對于同一臺同步發電機來講，顯然三個線電壓的頻率f是一樣的。2nf實際上是轉子磁場的磁力線切割電樞繞組的角頻率，用ω表示。從三相電壓的表達式可知：2nft+φi（φi=0°、120°、240°）是正弦量變化的核心，它反映了正弦量隨時間t變化的進程。
（3）Um是線電壓的最大值。
它是由同步發電機的勵磁系統的勵磁電流的大小決定的，因為同步發電機的轉子磁場是由勵磁電流流過轉子繞組而產生的，電流大則轉子磁場強，磁力線切割電樞繞組在繞組上產生的感應電動勢就大，反之亦然，感應電動勢就小。同步發電機只有一個勵磁系統，因此三個繞組輸出電壓的最大值Um都是一樣的。
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圖1 發電機三相電動勢相量圖 |
圖2 發電機電動勢波形圖 |
2、并車的條件
以上是對一臺柴油發電機組輸出的線電壓各參數意義及相互關系的描述。如果再用一臺或幾臺柴油發電機組與它并聯運行，則必須使待并入康明斯發電機組的相關參數與它一樣的，因此建議用戶盡量使用同一品牌柴油發電機組，確保它們之間的參數完全相等（丙烯系統布置模擬如圖3、圖4所示）。從上面的分析可知，這些參數應該是：
（1）相序
相序必須一致。待并入機組的U、V、W和已運行機組的U、V、W同名端相并聯。
（2）頻率f
待并入機組的f與已運行機組的f應維持在標定頻率50Hz，彼此之間不能有大于lHz（即1周）的誤差。
（3）瞬時相位φ
即待并入機組的U、V、W和已運行機組的U、V、W同名線電壓的2nft+φi（φi=0°、120°、240°）應時刻保持一致。因為柴油發電機組的發動機的轉速決定著同步發電機的轉子磁場磁力線切割電樞繞組的頻率無所以微調發動機的轉速必然引起頻率拍勺變化。而一周內頻率在某一時段的變化△f/△t實質是正弦波瞬時相位的變化即△φ。實時調控待并入機組和已運行機組的發動機轉速，不斷獲得△φ增量或減量，從而使它的瞬時相位φ與已運行機組的瞬時相位△φ動態保持一樣。
（4）瞬時電壓u
對應三相每個時刻都大小相等。決定瞬時電壓u大小的是線電壓最大值Um與瞬時相位。以上的分析已經表明：實時調控侍并入機組和已運行機組的發動機轉速及同步發電機勵磁電流，就可以使各相對應的線電壓的瞬時值u實時與標定值（例如380V）相等。
（5）波形良好無畸變
待并入機組和已運行機組的線電壓的正弦波形都要良好且無畸變。并聯運行中，若在某時刻出現畸變即意味著含有高次諧波。這有時也與特殊負載反饋的干擾或三相線電壓的負載極端不平衡有關。高次諧波會導致并聯機組之間出現諧波環流，影響并機效果。
這五個條件是兩臺或多臺柴油發電機組并聯運行的前提。綜合上述可以看出：它們是相互關聯相互依存的。在并聯運行中的各機組必須實時調控自己的相關參數，使其與其它機組以及予先設定的相關標定參數一致，才能便整個并機系統處于對外提供電能的可靠運行中。
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圖3 多臺柴油發電機組并聯系統三維布局圖 |
圖4 柴油發電機組并聯系統電源分配圖 |
二、并車條件不滿足的危害
實際并車時，除相序外，其他條件不可能做到完全一致，而且必須有一定的頻差才能快速投入并聯運行。
1、當頻率相等、初相位一致、電壓不相等時，兩臺發電機并車瞬間將在兩發電機組間產生一個無功性質的環流、對兩臺發電機起到均壓作用。由于發電機在并車瞬間呈現很小的等值電抗，因此當電壓差較大時，合閘瞬間會產生很大的沖擊電流，對兩臺發電機和電力系統均不利。巨大的沖擊電流產生的沖擊電動力，會損傷發電機電樞繞組、主開關觸頭，使匯流排變形等。一般并車操作時，電壓差△U不得超過額定電壓的10%。
2、 待并發電機組與運行發電機組電壓相等、頻率相等，但初相位不同，兩臺發電機并車瞬間在待并機主開關的動、靜觸頭間會有一電壓差，在兩發電機組間會出現滯后電壓差90°的環流，此時的環流不再是純無功性質。把環流有功和無功分解，得到有功分量環流的和無功分量的環流，在有功環流的作用下，一臺減速而另一臺加速，最終使得并聯運行的兩臺發電機達到相位一致而進入同步運行。環流的有功分量對應的功率稱為整步功率，其中超前的發電機輸出整步功率，滯后的發電機吸收整步功率。整步功率對應的整步轉矩，對于超前發電機而言是阻轉矩，使轉速下降，對于滯后發電機而言是驅動轉矩，使轉速上升， 最終將兩機拉入同相位同步運行。該過程稱為“牽入同步”過程。無功性質的環流、對兩臺發電機起到均壓作用。為了減少沖擊電流，一般并車操作時要求相位差小于△S15°。
3、待并機與運行機電壓相等，初相位相同，但頻率不相等時并車。在合閘瞬間不會出現電壓差，也就沒有環流。但由于頻率不相等，隨時間后移，就會出現相位差，只要相位差一出現，環流就隨之產生， 即出現整步轉矩，一臺減速而另一臺加速。只要頻率差不大，最終依靠整步轉矩都能“牽入同步”。若頻差Δf太大，往往難以拉入同步，同時合閘后環流也不斷增大，對發電機和電力系統都不利，應避免這種情況的發生。通常在并車操作時要求頻差△f小于0.5Hz，以0.25Hz最好。
發電機并車時，合閘瞬間任一條件不滿足，都會在發電機組之間產生沖擊電流。沖擊電流的無功分量起均壓作用；有功分量產生的沖擊轉矩起整步作用。只要沖擊電流不大，對并車操作是有利的。若沖擊電流太大，會造成并車失敗，嚴重時會導致全廠停電，甚至造成發電機組的損壞。
三、環流消除方法
通過理論分析、實驗和實際工作證明，例如并聯運行的柴油發電機組只有兩臺并聯。它們各相對應的三相線電壓之間只是瞬時相位有差別，而其它的參數都一致，則就會在這兩臺機組之間產生有功功率的不均分，從而形成以有功環流為主的環流。瞬時相位的差別產生有功環流，如何消除呢?
從前面的分析可知：微調柴油發動機的轉速——也就是調控發動機的油門。使同步發電機轉子磁場磁力線切割電樞繞組的頻率，在單位時間內產生一個增量或減量，即為瞬時相位的增量或減量，并以此填補瞬時相位的差別，達到使兩臺機組各相對應的三相線電壓的瞬時相位一致，就可以實現平分負載有功功率，達到消除有功環流的目的。在并聯柴油發電機組的調試中經常可以發現:當增大一臺機組的油門時有功功率就較多地轉到該臺機組，當減小它的油門時，則有功功率就較多地轉向另一臺機組。所以微調頻率可以消除有功環流。
如果這兩臺并聯機組輸出的三相線電壓中，相對應的其它參數都一樣，而只有瞬時電壓的大小不一樣。此時在兩機之間就會有無功功率的不均分，從而形成較大的無功環流。消除無功環流的辦法是，實時調控同步發電機轉子繞組的勵磁電流，勵磁電流越大則轉子磁場越強，其磁力線切割電樞繞組所產生的感應電壓就高。反之，感應電壓就小。
通過這樣的調節，就可以使兩臺機組各相對應線電壓的瞬時值M相等并與標定值（例如380V）一樣。其實，轉子繞組的勵磁電流是由同步發電機內的勵磁發電機發出的并經過同步整流器而產生的。勵磁發電機的定子繞組內的電流又是受自動電壓調整器（AVR）控制的。也就是說給AVR控制信號使定子繞組的電流發生變化，從而引起定子磁場磁力線的變化和勵磁發電機轉子繞組的感應電壓變化。
此變化的感應電壓經同步整流器后，成為同步發電機轉子變化的勵磁電流。這必然會引起同步發電機輸出的三個線電壓的瞬時值的改變。所以在并聯機組的實際調試中可以遇見:給某一臺機組的AVR輸入升壓信號時，無功功率就較多地轉到該機組。而輸入降壓信號時，無功功率就較多地轉向另一臺機組。可見，適時地給AVR輸入平衡信號就可以使并聯運行的兩臺機組平均分配無功功率，消除無功環流。所以調節瞬時電壓可以消除無功環流。這些就是技術術語中常說的"有功調頻，無功調幅"。
總結：
其實，柴油發電機組并聯運行的過程，就是不斷地實時調控各機組的相關參數，便有功環流和無功環流減少到最小甚至為零的動態過程。可見要使兩臺或多臺柴油發電機組處于良好的并聯運行狀態，除了各發電機組滿足以上并聯的五個條件外，還要彼此平均分擔負載。實際上，并機的五個條件和均分負載是相互關聯、相輔相成的。通過以上的分析表明，根據各機組并聯運行中的情況，只要實時調節柴油發動機的轉速也就是調控發動機的油門。實時調節同步發電機的勵磁電流——也就是調控AVR。使并聯運行的各機組的相關參數達到動態的一致和同步，就可以實現并聯機組的平穩運行。 由于不同生產廠家的AVR性能不同，因此，康明斯公司在此呼吁用戶，盡可能在采購柴油發電機組時，購買相同品牌的設備，避免后期使用與規劃時出現不必要的損失。
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