柴油发电机组的并联运行

柴油发电机组的并联运行

摘要：柴油发电机组和UPS一样也可以并联运行，并且这种技术已在许多却门得到广泛应用。文中介绍柴油发电机组并联运行的技术条件、调控模式及应用实践。

柴油发电机组是由将燃烧柴油产生的热能转换为机械能的柴油发动机，和把机械能转为电能的同步发电机组成的。在电力网还未到达或供电保障性不强的地区，常用柴油发电机组发出性能与市电一样的电能供给用电设备。它也就成为市电电力网的得力助手。

现代，各种信息设备对供电提出了高质量、高可靠的要求。为此，UPS与柴油发电机组，以它们各自的特点相辅相成地构成的不间断供电系统成为最佳选择。在这里，UPS基本上是并联冗余应用的，而柴油发电机组也常是并联冗余运行的。

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1并联运行的作用

大型的网络监控中心、银行结算中心、空中管制中心等，根据自身的工作性质和特点都对供电系统的性能和可靠性提出了很高的要求;采用两路市电供电、配置两组并联冗余运行的大功率UPS构成双总线系统、同时安装几台"N十l"模式并联冗余运行的柴油发电机组与UPS构成一个高可靠、高质量、智能化的不间断供电体系，已是普遍采用的技术方案。

柴油发电机组的作用是:一且两路市电都中断，UPS目口时将蓄电池的直流电逆变成交流电供给负载工作。然后并联冗余运行的柴油发电机组也部起动起来，通过自动转换开关(ATS)切换到直接给UPS 提供与市电一样的电能，从而使UPS又像平常那样依靠交流电不间断地给设备供电。这时"N+l"模式并联冗余运行的柴油发电机组不仅为UPS提供性能良好的电力，而且提供了高可靠的电能;假如运行中一台机组出现问题退出并联，其他机组会带上全部负载仍正常运行。可见并联冗余运行的机组完全代替了两路市电供电的功能。

通常情况下，并联冗余运行模式的柴油发电机组并不直接连接负载，而是通过UPS供给负载电能。柴油发电机组为增加原有机组的输出功率而采用并联运行的方式要比UPS多一些。它们常被用于市电电力供应保障性不强，一年总有几次停电或拉闸限电地区的工矿企业。由于现代机械制造技术的进步、机电一体化的广泛应用、智能控制技术的普及，现代柴油发电机组不仅制造精良，各项性能指标大为提高，运行的可靠性也大大增强。

通常情况下，只要按规范做好维护保养工作，作为备用发电机，在起动运行后柴油发电机组因故障停机的几率极其微小。在各类工厂新增设备后，原有柴油发电机组已不能满足后备供电需要时，考虑再增加一台同样的机组与其并联使输出功率增加一倍，不失为一种经济实用的选择。

作为扩容应用的并联柴油发电机组一般不考虑冗余而只强调均分负载，它们都是接近满负荷地直接驱动用电设备。

2并联运行的技术条件

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°，波形为正弦形的感应电动势。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(2πft+0°)

u2=Umsin(2πft+120°)

u3=Umsin(2πft+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)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。厂的大小实际上是由柴油发电机组的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。2πf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：2πft+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。

这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，则必须使待并人机组的相关参数与它一样。从上面的分析可知，这些参数应该是:

(1)相序——必须一致。待并人机组的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2πft+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。实时调控待并人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。

图1两台准备并联的发电机各自输出的U、V、W三相电压波形（*号所指为△φ）

以1号发电机输出的U相电压波形和2号发电机输出的U相电压波形为代表，进行比对可以发现:两机的相序一致、输出电压波形良好、频率基本相同，误差在1周以内。但在瞬时相位角180°时，1号机

U相瞬时电压为0。2号机U相瞬时电压不为0，并且要经过△φ瞬时相位角以后才能为0。这表明两机的瞬时相位角不同步，瞬时电压不等，此时两机无法并联。这时可以调节一下2号柴油发电机组的转速，使其消除两机瞬时相位角之差△φ到360°时两台发电机的U相电压就完全同步了。

V和W相自然也随之同步，这时可以实现并联运行。可见两机并联运行，瞬时电压相瞬时相位起着重要的作用。

两台或多台柴油发电机组的并联运行后，要共同向负载供给电能，因此献出现了平均分担负载的问题，否则就会因各机组所承担的负载不一样而在它l之司形成环流。流动于各机组之间的环流，不仅使机组的损耗增加甚至会使整个并机系统宕机。由于负载经常地接人和撤出，更由于负载并非都是纯电阻性的，而更多地是电阻性伴有电容性和电感性的阻抗性负载。这就给并联运行的各柴油发电机组在均分负载上提出了较高的要求;不仅要对纯电阻性负载(电能在电阻性负载上面的消耗称为有功功率)进行均分，而且要对电抗性——容抗或感抗或兼而有之的负载(电能在电抗性负载上面只进行储存和释放的相互转换并不被消耗，所以称无功功率)进行均分。哪一项得不到均分，它就会在并联机组之间形成环流;不是有功环流就是无功环流或兼而有之，如图2所示。

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"。

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。

3并联运行机组的监控

并机柜(俗称并车柜)是专门用于柴油发电机组并联运行监控的电子装备。在早期提出柴油发电机组并联运行的需求时，就是采用专门的并机柜，实时测试机组的相关参数并反馈调控各并联工作中的机组的运行状态，来达到并联运行要求的。

随着电子技术、动态控制理论及机械制造技术的进步，现代并机柜已经是高度智能化的性能优良的电子设备。它不仅能监控同型号、同输出功率的柴油发电机组的并联，而且还能实现不同型号、不同输出功率的机组的并联运行，还可以将柴油发电机组并入市电网上运行。

并机柜的工作原理如图3所示。1号、2号柴油发电机组启动后，分别通过各自的信号线A1、A2

将本机的相序、频率、瞬时电压、瞬时相位、波形等参数送人同步监控及显示单元。在这里第一条程序就是鉴别参与并联运行的各机组输出的三相线电压是否相序对应一致。这也是整个系统的"开关"，只有一致了，下面的程序才可运行，否则就会报警开指示错误。其它的参数经过该单元的调理、运算并与设定的标定参数相比较;对于还未达到并机条件的参数，则同步监控及显示单元会给出相应的误差调节信号，通过B1、B2两条信号线送至相连接的中央控制器及自动负载分配单元。该单元综合整个系统的运行数据得出调控参量，再通过各机组的自动同步单元去调控柴油发电机组的相应机构，使其相关运行参数消除误差。一切符合并机条件后，同步监控及显示单元即通过C1、C2两条信号线向自动空气开关发出闭合指令。各发电机组的三相电在母排上汇合，共同向负载供电。同步监控及显示单元实时显示已并联运行机组的一致的参数;如电压、电流(均以有效值表示)相位、相序(常以指示灯表示)、有功功率等。

并联运行的机组在带载运行的过程中，各机组电力输出线上的功率取样单元将电压、电流、有功功率和功率因数实时送人中央控制器及自动负载分配单元。这些信息经过分析、运算后，求出即时的有功功率和无功功率，以及与其它机组的申央控制器及自动负载分配单元的相关数据进行比较后的差别量，一起送人各自的自动同步单元。核单元将这些差别量变成控制柴油发动机转速和同步发电机励磁电流的等值信号，从而使柴油发电机组的运行参数得以相应的改变，达到各并联运行机组对有功功率和无功功率平均分配的目的。

现代柴油发电机组的用户大多强调供电的可靠性，所以在采用UPS并联冗余运行模式下，对柴油发电机组的运行也普遍应用了"N十l"的冗余运行模式，以便与UPS共同构成"双保险"的高可靠供电系统。在这种需求情势下，以并机板为核心的机组并联控制方式成为主流。并机板作为柴油发电机组控制柜的一个选件，不仅体积小使用方便，更重要的是各制造厂家生产的并机板普遍采用了16位或32位的高级微处理器，集成了新的程序语言和动态控制算法，其性能比体积庞大的并机柜更为优越。同型号、规格的柴油发电机组如果需要两台或多台并联运行，只要在各机组控制柜的备用插槽插入并机板，并连接好信号线，就可以实现自动并联运行。

并机板的控制逻辑和并机柜基本上是一样的。只是由于它的核心是高性能的微处理器，所以数据运算精度更高，调节速度更快。并机板监控并联运行的柴油发电机组的主要目标仍然是有功功率和无功功率在各机组之间的平均分配。而决定这两项关键参数的就是柴油发动机的转速和同步发电机的励磁电流。为此，并机板的数据分析，运算、控制逻辑也主要是求解出对本机的发动机转速调节和对同步发电机励磁电流调节的变化量。

转速调节量的求解逻辑如图4所示。

本机组的同步发电机输出的三相电各自承载的功率被采样后，一路送入功率模式确认单元，与其并联组的相关数据比较、处理，并确认有功功率是否在各并联机组之间平均分配。如果均分，微处理计算、调控系统就不会产生新的调速信号，柴油发动机维持正常转速。否则，调节器A将数据处理单元功率采样单元数据的运算结果，和来自模式确认单元的并联机组的相关参数进行比较、运算后得到的差别量送

入调节器B。

有功功率不能在并联机组之间平均分配并产生有功环流，肯定是本机组的平率和相位与其并联机组的不一样造成的。本机组电压频率和并联机组电压频率在调节器D进行比较后得到频率偏差量△f，它一方面与设定频率（例如50Hz）一起经过PID（比例、微分、积分运算）程序处理，并将结果送入调节器C。另一方面又进入△f频率变量调理程序，把求解的变量输入到相位误差PID程序参与运算。相位误差PID将它和来自调节E的本机组瞬时相位与并联机组瞬时相位比较误差一起分析、运算，其结果也输入调节器C。

调节器C的作用是对来自频率偏差的PID处理结果及瞬时相位误差的PID处理结果进行比较、分析，然后将得到的调节量传到调节器B。程序运算、比较功能使调节器B像个阀门，它将调节器A的含有有功功率偏差的信息与调节器C的含有瞬时相位误差的信息，综合处理后形成调节量，并以此驱动转速调节量产生单元。这个单元的转换器使调节量变为可以实际作用于发动机电子调速器的转速调节量，从而使其转速、频率和瞬时相位变为与并联机组一致，达到各机组平均分配有功功率的目的。

图4转速调节量的求解逻辑

无功功率在并联机组之间不平均分配并形成无功环流，主要是应为机组的瞬时电压不相等造成的。解决这个问题的运算逻辑如图5所示。

在并联发电机组处于无功功率平均分配期间，调节器A和都无新的变量产生，它们经过各自的PID 解析后，以常量的形式共同作用于励磁电流调控单元，使它输出的励磁电流维持并联机组各发电机的电压一致。

调节器B的作用在于监测并联机组的无功功率是否平均分配。它是将本机组的无功功率与设定的无功功率比较、处理后才做出判定的。设定的无功功率Q0表达式为：

图5求解电压调节量的逻辑

Q0=本机组的标称无功功率×（总无功功率/标称总无功功率）

式中：本机组的标称无功功率，即在本发电机的功率因数下，所能提供的最大无功功率。

总无功功率是指全部并联机组的标称无功功率之和。

标称总无功功率则是全部并联机组的标称无功功率之和。

取设定的无功功率与本机无功功率进行比较、求算，可以使结果更精确、稳定，同时也为无功功率的采样提供了便利。

由于并联运行的各发电机组之间瞬时电压不一致导致形成无功环流。在这样的情况下，调节器A比较出本机输出的瞬时电压与并连接组的瞬时电压的偏差量，此量和设定量（例如：380V及其波形的数学模型）在PID运算程序中经分析处理后，将其含有瞬时电压偏差量的数据输入励磁电流调控单元。同时输入此单元的还有：本机无功功率及设定的无功功率经调节器B比较，然后又得到PID程序处理后的含有无功功率偏差的数据。这两组具有因果关系的数据，在以软件为主的励磁电流调控单元运算，求解后，将实际调节同步发电机瞬时电压的信息送入该发电机的励磁电流调控系统。从而使并联运行的各机组的瞬时电压保持一致，无功功率得以均分。

从以上转速调节量和电压调节量的求解过程可以看出；无论是作为调节器的比较、分析程序还是PID 的运算、处理程序以及以软件为主的转速调节量产生单元、励磁电流调控单元，都是并机板中高性能微处理的作用使然。因此，系统才可快速、精确地实时给出调节数据，保证并运行的柴油发电机组处于稳

定、良好的工作状态。

空中管制中心对供电系统提出很高的要求。为此，采用最新的技术和装备建造了一个完善的高可靠供电体系。其系统工作原理如图6所示。S1、S2、S0是联动互锁的自动开关，正常时S1、S2闭合，市电l通过自动转换开关ATS1直供A组并联UPS。市电2除经ATS2向B组并联UPS输电外，还过ATS3为二级负载(机房空调、新凤、照明等设备)供电。两路来自不同变电站的市电同时向一个系统输电，这就使运行的可靠性提高了一倍；

倘若一路市电停用，则磁路的输入开关（S1或S2）会自动断开，联络开关S0联动闭合，系统变为由一路正常的市电供电。在开关切换的瞬间，由于一级负载（小型计算机、服务器等信息设备）是由A、B两组UPS供电，不会受任何影响。对二级负载的工作效果也没什么影响。

如果两路市电都停电，S1、S2、S0会自动断开。此时，一级负载因为A、B两组并联UPS都有支持15分钟工作的电池组，所以仍可正常运行。二级负载只得停电待电。这种情况也正式柴油发电机组发挥作用的时机；ATS1、ATS2、ATS3即刻从市电输入端转换到S3、S4、S5柴油发电机组供电端，并同时给三台发电机组传出启动命令。开动后，输出电压、频率、波形最先稳定的发电机组（一般需15s 左右）接入发电机输出并联母排，分投开关控制柜也即可指令S3、S4闭合，以确保一级负载不间断供电。A、B两组冗余并联UPS每组输出600kVA，而一台发电机组可输出1250kVA，所以完全可以满足两组并联UPS的负载量。

第二台进入稳定工作状态的发电机组随后也并入母排，与第一台机组形成并联冗余工作模式。

图6三台柴油发动机组并联运行原理框图

值得注意的是;就在并人瞬间，有功和无功功率肯定要在两台机组之间进行平分，因此会造成冲击振荡，严重时将无法实现并机。但是前面已经叙及，由于柴油发电机组控制柜中的并机板和发动机的电子调速器，郡采用了16位或32位高性能微处理器、编程了快速而完善的动态控制算法、建立了精确的数学模型，所以使这种带载情况下并机产生的振荡变的很平缓很微小，带载并机过程可靠而稳定。

两台机组并联运行后，分投开关控制柜发出信号使S5闭合，二级负载得电工作。实际上，从两路市电中断到发电机支持二级负载工作这段时间很短，机房温度、湿度不会有什么变化，所以没影响。这时还在开动着的第三台机组就不再并入发电机输出并联母排，而是自动关机，处于待起动状态。并联运行的机组中一且某台故障退出并联，它就会立即启动投入并机。这实质上也像市电那样，起到了两路交流电对整个系统供电的效果。

市电恢复后，S1、S2自动闭合。ATS1、ATS2、ATS3又切换到市电输入端，并给运行的发电机组发出关机信号。一切又返回正常。在这个高可靠的供电系统中，三台并联运行的柴油发电机组起到了对市电网供电的备份作用。它们采用“N十l”的并联冗余带载模式，同时还有一台机组处于随时可以投人并联的待机状态，这就大大提高了对系统输电的可靠性。充分体现出柴油发电机组并联运行的优越性。

5并联运行机组的调试

大量的工程实践表明，一般情况下，现在郡采用同型号同规格的柴油发电机组构成并联运行，即使将原有的机组扩容也是如此。这是因为这样选择可以为机组的安装、调试、运行以及维护、保养等带来许多方便。在每台参与并联的机组控制柜中插入并机板，并且互联并机线(符合CAN总线协议)，就方便地组成了柴油发电机组的并联运行系统。并机板也称并机卡，是以32位微处理器为核心的智能化电子装置，具有速度和电压调整、同步、并联、有功及无功负载平均分配、电气参数测量、有功与无功功率设定、电气保护等强大的测控功能。

在各机组的安装、调试过程中，除了按技术规范做好并联的各种接线外，要特别注意各机组接向输出电压并联母排的相序U、V、W要相应一致，并且母排与市电网的相序也要一一对应相同。调试最好先在空载的情况下进行；自动或手动将并联母排和各负载之间的开关断开，然后把组成并联运行的各机组都开动起来，观察各机组控制柜面板上的指示灯和LCD显示屏。由于各机组的并机板都予先对频率、电压、功率等主要参数进行了标准设定，各机组的运行大都离不开这些参数范围，通常情况下会顺利地自动并机。这时控制柜面板上的显示屏会自动弹出并机的相关参数，还可听到发电机输出开关自动闭合的响声。如果并联的各机组都开机后，两、三分钟仍并不上机，参数误差大的机组会自动报警，同时将偏差大的项显示在屏上。在这样的情况下，可以先将其它机组关机，只留该机组运行。然后通过控制柜面板上的键盘迸人参数调节选项，利用软件对偏差参数进行修正。或者直接在并机板上仔细调节相关的电位器等硬件，针对参数的误差微调发动机的转速或同步发电机的电压。因为参与并联运行的柴油发电机组都应具有2%—5%稳态调速率与5%范围内的稳态电压调整率。经过人为微调以后，再将其它机组开动起来，就能实现各机组的并联运行。在空载条件下调试好的并联运行的柴油发电机组，再带上负载也可以平稳地运行工作。

实际上，各机组切人并联运行的瞬间、运行过程中、特别是负载接人、撤离时，各机组的相关参数不可能时时一致。这就完全靠功能强大的微处理器指令并机板实时测控各机组的并机数据，部使其在满足并联运行的条件下稳定地工作。机组并联运行的过程也就是并机板对并机参数实时动态测控的过程。