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柴油发电机组的并联运行

来源:东莞康达发电机维修 发布时间:2012年02月17日 浏览量:3778

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问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。

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+1”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:一旦两路市电都中断,UPS即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都起动起来,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+1”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~EUPS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IN360。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

ul=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。f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w表示。从三相电压的表达式可知;2πft+φii=0°、120°、240°)是正弦量变化的核心,它反映了正弦量随时间f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,则必须使待并入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l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+φii=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f,所以微调发动机的转速必然引起频率厂的变化。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与已运行机组的瞬时相位动态保持一样。

(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:实时调控待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,才能使整个并机系统处于对外提供电能的可靠运行中。

图1所示的是两台要并联机组的电压波形。

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l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l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,瞬时电压和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,因此就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们之间形成环流。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。由于负载经常地接入和撤出,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问形成环流;不是有功环流就是无功环流或兼而有之,如图2所示。

图2 并联机组之间应均分负载,否则产生环流

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问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。而输人降压信号时,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,使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人市电网上运行。

图5 并机柜工作原理框图

并机柜的工作原理如图3所示。l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,否则就会报警并指示错误。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入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,以及与其它机组的中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,一起送入各自的自动同步单元。该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+1”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l6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。

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