新聞主題	柴油發電機并機控制原理和系統組成圖解

 

摘要：為了保證柴油發電機組供電的可靠性，提高供電質量（電壓和頻率），增加運行的靈活性，做到經濟運行，往往需要將柴油發電機組并聯運行。然而多臺發電機組并聯運行也不是一件簡單的事，因此，康明斯公司在本文中針對性的介紹了柴油發電機組并聯系統的組成、引用標準和工作條件及實現的各種具體方法；并詳述了柴油發電機組穩定運行時有功功率及無功功率的調節與分配。

 

一、并聯運行的的標準和條件

 

      為了滿足大負荷或不間斷供電要求，需要啟動兩臺或多臺發電機組同時供電。柴油發電機組并聯控制系統是可根據發動機和交流電機的特點及不同用戶的特殊需求而度身定制。與各種類柴油發電機組的配合能使其優越性能得到更好的發揮，并同時滿足不同客戶的需求。

1、適用標準

      本系統適用以下標準：

（1）國際電工委員會IEC標準

● IEC529（1989）封閉設備防護等級

● IEC947（1995）低壓開關柜和控制柜通用標準

● IEC455（1992）低壓開關柜和控制柜裝配標準

（2）中國國家標準

● GB4208-84外殼防護等級的分類

● GB4200-84低壓電氣外殼防護等級

● GB7251-87低壓成套開關設備

2、工作條件

      在并聯運行時必須避免產生巨大的沖擊電流，以防止同步柴油發電機組受到損壞、電網遭受干擾。此時，柴油發電機組在電氣上要滿足4個基本條件：

（1） 相序

      待并柴油發電機組輸出電壓的相序必須和已運行柴油發電機組的相序一致。

（2） 頻率

      待并柴油發電機組輸出電壓的頻率和已運行柴油發電機組的頻率相等。

（3） 電壓

      待并柴油發電機組的電壓和已運行柴油發電機組的電壓相等。

（4） 相位

      待并柴油發電機組輸出電壓的相位和已運行柴油發電機組電壓的相位相同。

      上述條件不滿足任何一條，都會因瞬時值不等而出現環流。其中相序相同必須嚴格遵守，其它三個條件允許稍有出入。一般說來，相序可由設計制造及安裝自動滿足，對于沒有標明轉向和相序的電機，可以利用相序指示器來確定，并聯時將主要檢查頻率及電壓的大小和相位。

 

二、并聯系統組成

 

      并機控制系統由1套集中式“并聯主控制柜”和8個帶有“并機控制模塊”的隨機安裝的并機分控柜組成，發電機組并車控制模塊和控制系統采用原裝進口數字化模塊。

1、并聯主控制柜

（1）并聯主控制柜（康明斯原廠產品）是以微處理器為中心的集成控制系統，功能分布如圖1所示。并車控制系統應采用雙機熱備系統，具有冗余備份功能。當1套系統宕機后，不影響發電機的并機。

（2）控制柜有最新版本的控制面板主控制柜柜體為落地直立式，采用PLC及觸摸屏對發電機系統那個邏輯控制和外部接口通信。過一個高分辨率可編程圖形界面板，操作者可以完成對現場整個電力系統進行監測和控制。

（3）PLC可以控制各個市電回路及發電機系統內各開關柜分合閘及故障監控，在觸摸屏中可清晰顯示及操作各斷路器。通過分層菜單為系統實現各種控制功能，并且為操作者以中文顯示信息，使操作者很容易理解，并且可以迅速了解系統的功能和操作方法。

2、并聯分控制柜

      每臺發電機組分控柜都具備集成調速和調壓功能，可以綜合發動機調速和發電機調壓功能，即有并聯檢測、并聯合閘、負載分配等功能，功能分布如圖2所示。并有足夠的控制功能和獨立的操作能力，即使其它發電機組發生故障，系統仍然可以自主安全運行。避免個別發電機組的故障造成整個系統控制失靈的缺陷。每臺發電機組控制屏具有自動、手動同步和負載分配功能.以便在主控制系統出現問題時，每臺發電機組可以分別與母排實現手動并聯.發電機組通過手動并聯后，所有在線并聯發電機組可按比例進行負載分配。在發電機組正常測試周期帶測試負載（低壓模擬負載）測試時，控制試驗負載（高壓電阻箱）斷路器的閉合和斷開，不影響整個電力系統的正常運行。并聯系統可實現雙畫面并機操作，具有最新版本的控制面板，控制屏顯示菜單必須為中英文（可選）液晶顯示狀態和參數。

 

圖1  柴油發電機組并聯主控制柜界面圖

圖2  柴油發電機組并聯分控制柜界面圖

 

三、投入并聯的方法

 

      在電力系統中，為了投入并聯所進行的調節和操作過程，稱為同步過程。同步又可分為自同步和準同步兩種方式。

1、自同步方式

      自同步并聯運行的操作是將未加勵磁電流的柴油發電機組的轉速升到接近額定轉速；然后，把柴油發電機組投入并聯，再立即加上直流勵磁，此時，依靠定、轉子磁場間所形成的電磁轉矩，即可把轉子自動牽入同步。自同步法的優點是，投入迅速，不需要增添復雜的裝置，缺點是投入時定子電流沖擊稍大。

2、準同步方式

      準同步方式是將待并柴油發電機組在投入系統前通過調速器調節原動機轉速，使柴油發電機組轉速接近同步轉速；通過勵磁調整裝置調節柴油發電機組勵磁電流，使柴油發電機組端電壓接近系統電壓；在同步條件中的頻差及壓差滿足給定值時，選擇在零相角差到來前的合適時刻合上開關，柴油發電機組迅速被拉入同步運行。準同步并聯運行的優點是，投入瞬間電網和電機基本沒有沖擊。

     根據自動化程度的高低，準同步方式又可分為手動并聯運行和自動并聯運行。其中，手動并聯運行包括燈光熄滅法（直接接法）、燈光旋轉法（交叉接法）、粗同步法等；自動并聯運行有晶體管自動并聯運行、繼電器自動并聯運行和單片機控制自動并聯運行等。

      隨著微機控制技術的發展，單片機自動控制的并聯運行技術得到了很大的應用。由單片機控制的自動并聯運行裝置具有體積小、成本低、控制靈活等顯著的優越性，因此，自動并聯運行實現單片機控制已是一種趨勢。其原理是，根據前面柴油發電機組并網的條件，利用單片機檢測柴油發電機組的電壓差、頻率差和相位差，并根據該差率的大小自動對柴油發電機組進行調整，當差值非常小，認為已滿足條件時，發出合閘脈沖，實現同步運行。

      從上述分析可看出，只要掌握了柴油發電機組并聯運行的條件，充分熟悉各種并聯的方法，就可根據工程的具體情況，適當地選用某種并聯方式。既可做到操作簡便、迅速，可靠性高，又可防止并聯瞬間出現的沖擊電流和電壓波動。但是，柴油發電機組同步運行后，還有一個重要的環節，就是對柴油發電機組進行功率分配。

 

四、有功和無功功率的調節與分配

 

      在多臺柴油發電機組并聯運行的系統中，負載的任何變化都會引起頻率和電壓的波動，導致并聯運行的柴油發電機組間出現功率交互振蕩。三相四線制中在中線形成的以三次諧波為載波的調幅電流，又加劇了功率振蕩。可見要使并聯發電機組穩定運行，柴油發電機組均分負荷是必要的。所謂均分負荷，則力求把并聯發電機組的運行狀態調的一致，即有功功率按容量大小成比例分配，無功功率的分配則力求把所有柴油發電機組的功率因數調的一致。

1、有功功率的調節與分配

      柴油發電機組輸出的有功功率是由原動機的機械功率轉化而來的，這樣，改變并聯運行同步柴油發電機組有功功率的分配必須通過調節調速器來實現的。而柴油發電機組要求原動機能保持恒定的轉速，使得頻率穩定，因此，調頻與調載間有著內在的聯系。

      目前，在我國由于地區經濟差距比較大，各地裝配的柴油發電機組種類繁多，功率的調節與分配方式也各種各樣，既存在手動控制，又存在自動控制等。下面將對自動控制做簡單的介紹。對電網頻率的自動調節和功率的自動分配，有許多不同的方案可供采用，有模擬式控制系統和數字式控制系統兩種。在控制系統的控制下能經常地保持電網的頻率為額定值，電力系統的負荷則按給定比例進行分配。

      模擬式控制系統原理如圖3所示。負荷分配器中的功率測量電路在并行電纜（平衡鏈）中產生一個正比于柴油發電機組有功功率的直流信號。由于所有的并行電纜都連接在一起，當有功功率分配不均衡時，并行電纜之間將產生電流信號，負荷分配器偵測到該信號時，自動對該柴油發電機組進行調整，實現有功功率的調節與分配。

      數字式控制系統則主要是用單片機來進行控制功率的調節與分配，控制器外觀示意圖如圖4所示。首先，利用單片機測出各發電機組的功率以及功差（指各發電機組的功率與平均功率的差值），再根據功差的大小對調速器發出調節信號，以達到消除功差的目的，從而實現有功功率的調節與分配。

 

圖3  柴油發電機組并機控制原理模擬圖

圖4  柴油發電機組數字智能控制器

 

2、無功功率的自動分配

      改變并聯運行的同步柴油發電機組無功功率的分配是通過改變各臺柴油發電機組的勵磁電流來實現的，又因為勵磁電流與同步柴油發電機組的電勢直接相關，因此，無功功率的分配與電壓的調節是密不可分的。柴油發電機組的自動電壓調節器能改變勵磁電流，以自動維持柴油發電機組端電壓的恒定，同時其附加裝置也調整了無功功率，使并聯運行的柴油發電機組間的無功功率得到合理的分配。柴油發電機組間的無功功率的分配，又取決于電壓調節器的電壓調整特性。最常用的是采用均具有有差電壓調整特性的柴油發電機組并聯運行，為了達到這一要求，通常在柴油發電機組間增設調差裝置和均壓連線。

（1）調差裝置

      在按電壓偏差AU，調壓的勵磁系統中，調差系數足，一般是很小的，甚至幾乎接近是無差的。這樣，在柴油發電機組并聯運行時，就會使無功功率的分配不穩定。為了使調壓特性曲線具有足夠傾斜度的有差調整特性，且Ke相同，以穩定而平均的分配無功功率，所以，在調壓器上加裝可以改變調差系數的裝置。

（2）均壓連線

      均壓線根據連接在勵磁硅整流器的直流側還是交流側可以分為直流均壓線和交流均壓線。

① 直流均壓線

      直流均壓線接線圖如圖5所示。對相同容量柴油發電機組的并聯運行，可采用直流均壓線來使各柴油發電機組的勵磁電流在任何時候都相等，以保證各柴油發電機組的無功負荷在任何時候都平均分配，如圖2所示。當兩臺柴油發電機組的勵磁電流不同時，均壓線上將出現平衡電流，使兩臺柴油發電機組的勵磁電流保持相等。

② 交流均壓線

      直流均壓線接線圖如圖6所示。對不同容量的柴油發電機組的并聯運行，可采用交流均壓線，如圖3所示，其作用原理與直流均壓聯接基本相同。由圖可見，將兩臺柴油發電機組調壓裝置的移相電抗器通過均壓線并聯。當兩臺柴油發電機組出現電壓差時，通過均壓線使柴油發電機組輸出電壓均衡，以保持無功負荷分配均衡，交流均壓線對無功負荷分配好、均壓電流小，但并聯運行時沖擊電流較大。

 

圖5  柴油發電機組并聯系統直流均壓連線法.

圖6  柴油發電機組并聯系統交流均壓連線法

 

總結：

      貫穿于柴油機發電站并聯運行的兩個重要環節是并聯運行和調頻調載。目前，常見的情況是，并聯運行用同步控制器，調頻調載用負荷分配器。我們可以通過先進的單片機與自動控制技術將這兩個功能集成在一個模塊上，很顯然，這比傳統的控制裝置要優良的多，不僅節省了安裝空間，還有控制靈活、精確、可靠性高、便于改進等顯著的優越性。在此基礎上，我們還可以對該模塊的功能進行擴展，最后可實現柴油發電機組自動啟動、自動并聯運行、自動調頻調載、自動解列、自動停機、各種保護與報警等功能，構成一個完備的柴油機電站控制系統。

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