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功能說(shuō)明與康明斯知識 |
康明斯發(fā)電機組并聯(lián)運行的條件和原理 |
摘要：根據康明斯公司多年的應用經(jīng)驗，在柴油發(fā)電機使用過(guò)程中，通常有三種情況需要并車(chē)操作。一是需要滿(mǎn)足電網(wǎng)負荷的需求，當單機負荷達到80%額定容量時(shí)，且負荷仍有可能增加，這時(shí)就要考慮并聯(lián)另一臺發(fā)電機組；二是當用電設備瞬間啟動(dòng)電流過(guò)大，為了備用電源運行的安全，需要兩臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行；三是當需要用備用發(fā)電機組替換下運行供電的發(fā)電機組時(shí)，為了保證不中斷供電，需要通過(guò)柴油發(fā)電機并車(chē)進(jìn)行替換?？得魉构驹诒疚闹袑⒉⒙?lián)運行的技術(shù)條件和不滿(mǎn)足并車(chē)條件的危害，以及并機過(guò)程中出現的環(huán)流現象消除方法進(jìn)行了系統性介紹。
一、并聯(lián)運行的技術(shù)條件
1、三相線(xiàn)電壓
從同步發(fā)電機的機械構造可以知道，三個(gè)一模一樣的繞組按照空間360°三等分并且對稱(chēng)的安裝在定子的機座上。這三個(gè)繞組——稱(chēng)為定子繞組或因為供給負載的電力由這里輸出而被稱(chēng)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(fā)電機轉子磁場(chǎng)（稱(chēng)為主磁場(chǎng)）的磁力線(xiàn)依次掃過(guò)并切割三個(gè)電樞繞組時(shí)，就會(huì )按照掃過(guò)的順序在三個(gè)繞組上分別產(chǎn)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(dòng)勢（波形圖如圖2所示）。各繞組起始端之間的感應電動(dòng)勢的差稱(chēng)為線(xiàn)電壓，按照它們的初始相位的大小——相序寫(xiě)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(gè)線(xiàn)電壓通常也用U、V、W三個(gè)字母（或組合）表示。從這同一臺同步發(fā)電機的三個(gè)繞組各自輸出的線(xiàn)電壓的表達式可以看出：
（1）初相角
0°、120°、240°這三個(gè)初相角是由同步發(fā)電機的結構決定的。
（2）f是線(xiàn)電壓的頻率。
它表示單位時(shí)間內，同步發(fā)電機轉子磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)切割電樞繞組的次數。其大小實(shí)際上是由柴油發(fā)動(dòng)機的轉速決定的，因為是發(fā)動(dòng)機直接帶著(zhù)發(fā)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(fā)電機來(lái)講，顯然三個(gè)線(xiàn)電壓的頻率f是一樣的。2nf實(shí)際上是轉子磁場(chǎng)的磁力線(xiàn)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(shí)間t變化的進(jìn)程。
（3）Um是線(xiàn)電壓的最大值。
它是由同步發(fā)電機的勵磁系統的勵磁電流的大小決定的，因為同步發(fā)電機的轉子磁場(chǎng)是由勵磁電流流過(guò)轉子繞組而產(chǎn)生的，電流大則轉子磁場(chǎng)強，磁力線(xiàn)切割電樞繞組在繞組上產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢就大，反之亦然，感應電動(dòng)勢就小。同步發(fā)電機只有一個(gè)勵磁系統，因此三個(gè)繞組輸出電壓的最大值Um都是一樣的。
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圖1 發(fā)電機三相電動(dòng)勢相量圖 |
圖2 發(fā)電機電動(dòng)勢波形圖 |
2、并車(chē)的條件
以上是對一臺柴油發(fā)電機組輸出的線(xiàn)電壓各參數意義及相互關(guān)系的描述。如果再用一臺或幾臺柴油發(fā)電機組與它并聯(lián)運行，則必須使待并入康明斯發(fā)電機組的相關(guān)參數與它一樣的，因此建議用戶(hù)盡量使用同一品牌柴油發(fā)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(lián)。
（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(shí)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(xiàn)電壓的2nft+φi（φi=0°、120°、240°）應時(shí)刻保持一致。因為柴油發(fā)電機組的發(fā)動(dòng)機的轉速決定著(zhù)同步發(fā)電機的轉子磁場(chǎng)磁力線(xiàn)切割電樞繞組的頻率無(wú)所以微調發(fā)動(dòng)機的轉速必然引起頻率拍勺變化。而一周內頻率在某一時(shí)段的變化△f/△t實(shí)質(zhì)是正弦波瞬時(shí)相位的變化即△φ。實(shí)時(shí)調控待并入機組和已運行機組的發(fā)動(dòng)機轉速，不斷獲得△φ增量或減量，從而使它的瞬時(shí)相位φ與已運行機組的瞬時(shí)相位△φ動(dòng)態(tài)保持一樣。
（4）瞬時(shí)電壓u
對應三相每個(gè)時(shí)刻都大小相等。決定瞬時(shí)電壓u大小的是線(xiàn)電壓最大值Um與瞬時(shí)相位。以上的分析已經(jīng)表明：實(shí)時(shí)調控侍并入機組和已運行機組的發(fā)動(dòng)機轉速及同步發(fā)電機勵磁電流，就可以使各相對應的線(xiàn)電壓的瞬時(shí)值u實(shí)時(shí)與標定值（例如380V）相等。
（5）波形良好無(wú)畸變
待并入機組和已運行機組的線(xiàn)電壓的正弦波形都要良好且無(wú)畸變。并聯(lián)運行中，若在某時(shí)刻出現畸變即意味著(zhù)含有高次諧波。這有時(shí)也與特殊負載反饋的干擾或三相線(xiàn)電壓的負載極端不平衡有關(guān)。高次諧波會(huì )導致并聯(lián)機組之間出現諧波環(huán)流，影響并機效果。
這五個(gè)條件是兩臺或多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的前提。綜合上述可以看出：它們是相互關(guān)聯(lián)相互依存的。在并聯(lián)運行中的各機組必須實(shí)時(shí)調控自己的相關(guān)參數，使其與其它機組以及予先設定的相關(guān)標定參數一致，才能便整個(gè)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(fā)電機組并聯(lián)系統三維布局圖 |
圖4 柴油發(fā)電機組并聯(lián)系統電源分配圖 |
二、并車(chē)條件不滿(mǎn)足的危害
實(shí)際并車(chē)時(shí)，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(lián)運行。
1、當頻率相等、初相位一致、電壓不相等時(shí)，兩臺發(fā)電機并車(chē)瞬間將在兩發(fā)電機組間產(chǎn)生一個(gè)無(wú)功性質(zhì)的環(huán)流、對兩臺發(fā)電機起到均壓作用。由于發(fā)電機在并車(chē)瞬間呈現很小的等值電抗，因此當電壓差較大時(shí)，合閘瞬間會(huì )產(chǎn)生很大的沖擊電流，對兩臺發(fā)電機和電力系統均不利。巨大的沖擊電流產(chǎn)生的沖擊電動(dòng)力，會(huì )損傷發(fā)電機電樞繞組、主開(kāi)關(guān)觸頭，使匯流排變形等。一般并車(chē)操作時(shí)，電壓差△U不得超過(guò)額定電壓的10%。
2、 待并發(fā)電機組與運行發(fā)電機組電壓相等、頻率相等，但初相位不同，兩臺發(fā)電機并車(chē)瞬間在待并機主開(kāi)關(guān)的動(dòng)、靜觸頭間會(huì )有一電壓差，在兩發(fā)電機組間會(huì )出現滯后電壓差90°的環(huán)流，此時(shí)的環(huán)流不再是純無(wú)功性質(zhì)。把環(huán)流有功和無(wú)功分解，得到有功分量環(huán)流的和無(wú)功分量的環(huán)流，在有功環(huán)流的作用下，一臺減速而另一臺加速，最終使得并聯(lián)運行的兩臺發(fā)電機達到相位一致而進(jìn)入同步運行。環(huán)流的有功分量對應的功率稱(chēng)為整步功率，其中超前的發(fā)電機輸出整步功率，滯后的發(fā)電機吸收整步功率。整步功率對應的整步轉矩，對于超前發(fā)電機而言是阻轉矩，使轉速下降，對于滯后發(fā)電機而言是驅動(dòng)轉矩，使轉速上升， 最終將兩機拉入同相位同步運行。該過(guò)程稱(chēng)為“牽入同步”過(guò)程。無(wú)功性質(zhì)的環(huán)流、對兩臺發(fā)電機起到均壓作用。為了減少沖擊電流，一般并車(chē)操作時(shí)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(shí)并車(chē)。在合閘瞬間不會(huì )出現電壓差，也就沒(méi)有環(huán)流。但由于頻率不相等，隨時(shí)間后移，就會(huì )出現相位差，只要相位差一出現，環(huán)流就隨之產(chǎn)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(shí)合閘后環(huán)流也不斷增大，對發(fā)電機和電力系統都不利，應避免這種情況的發(fā)生。通常在并車(chē)操作時(shí)要求頻差△f小于0.5Hz，以0.25Hz最好。
發(fā)電機并車(chē)時(shí)，合閘瞬間任一條件不滿(mǎn)足，都會(huì )在發(fā)電機組之間產(chǎn)生沖擊電流。沖擊電流的無(wú)功分量起均壓作用；有功分量產(chǎn)生的沖擊轉矩起整步作用。只要沖擊電流不大，對并車(chē)操作是有利的。若沖擊電流太大，會(huì )造成并車(chē)失敗，嚴重時(shí)會(huì )導致全廠(chǎng)停電，甚至造成發(fā)電機組的損壞。
三、環(huán)流消除方法
通過(guò)理論分析、實(shí)驗和實(shí)際工作證明，例如并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機組只有兩臺并聯(lián)。它們各相對應的三相線(xiàn)電壓之間只是瞬時(shí)相位有差別，而其它的參數都一致，則就會(huì )在這兩臺機組之間產(chǎn)生有功功率的不均分，從而形成以有功環(huán)流為主的環(huán)流。瞬時(shí)相位的差別產(chǎn)生有功環(huán)流，如何消除呢?
從前面的分析可知：微調柴油發(fā)動(dòng)機的轉速——也就是調控發(fā)動(dòng)機的油門(mén)。使同步發(fā)電機轉子磁場(chǎng)磁力線(xiàn)切割電樞繞組的頻率，在單位時(shí)間內產(chǎn)生一個(gè)增量或減量，即為瞬時(shí)相位的增量或減量，并以此填補瞬時(shí)相位的差別，達到使兩臺機組各相對應的三相線(xiàn)電壓的瞬時(shí)相位一致，就可以實(shí)現平分負載有功功率，達到消除有功環(huán)流的目的。在并聯(lián)柴油發(fā)電機組的調試中經(jīng)?？梢园l(fā)現:當增大一臺機組的油門(mén)時(shí)有功功率就較多地轉到該臺機組，當減小它的油門(mén)時(shí)，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(huán)流。
如果這兩臺并聯(lián)機組輸出的三相線(xiàn)電壓中，相對應的其它參數都一樣，而只有瞬時(shí)電壓的大小不一樣。此時(shí)在兩機之間就會(huì )有無(wú)功功率的不均分，從而形成較大的無(wú)功環(huán)流。消除無(wú)功環(huán)流的辦法是，實(shí)時(shí)調控同步發(fā)電機轉子繞組的勵磁電流，勵磁電流越大則轉子磁場(chǎng)越強，其磁力線(xiàn)切割電樞繞組所產(chǎn)生的感應電壓就高。反之，感應電壓就小。
通過(guò)這樣的調節，就可以使兩臺機組各相對應線(xiàn)電壓的瞬時(shí)值M相等并與標定值（例如380V）一樣。其實(shí)，轉子繞組的勵磁電流是由同步發(fā)電機內的勵磁發(fā)電機發(fā)出的并經(jīng)過(guò)同步整流器而產(chǎn)生的。勵磁發(fā)電機的定子繞組內的電流又是受自動(dòng)電壓調整器（AVR）控制的。也就是說(shuō)給AVR控制信號使定子繞組的電流發(fā)生變化，從而引起定子磁場(chǎng)磁力線(xiàn)的變化和勵磁發(fā)電機轉子繞組的感應電壓變化。
此變化的感應電壓經(jīng)同步整流器后，成為同步發(fā)電機轉子變化的勵磁電流。這必然會(huì )引起同步發(fā)電機輸出的三個(gè)線(xiàn)電壓的瞬時(shí)值的改變。所以在并聯(lián)機組的實(shí)際調試中可以遇見(jiàn):給某一臺機組的AVR輸入升壓信號時(shí)，無(wú)功功率就較多地轉到該機組。而輸入降壓信號時(shí)，無(wú)功功率就較多地轉向另一臺機組?？梢?jiàn)，適時(shí)地給AVR輸入平衡信號就可以使并聯(lián)運行的兩臺機組平均分配無(wú)功功率，消除無(wú)功環(huán)流。所以調節瞬時(shí)電壓可以消除無(wú)功環(huán)流。這些就是技術(shù)術(shù)語(yǔ)中常說(shuō)的"有功調頻，無(wú)功調幅"。
總結：
其實(shí)，柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的過(guò)程，就是不斷地實(shí)時(shí)調控各機組的相關(guān)參數，便有功環(huán)流和無(wú)功環(huán)流減少到最小甚至為零的動(dòng)態(tài)過(guò)程。可見(jiàn)要使兩臺或多臺柴油發(fā)電機組處于良好的并聯(lián)運行狀態(tài)，除了各發(fā)電機組滿(mǎn)足以上并聯(lián)的五個(gè)條件外，還要彼此平均分擔負載。實(shí)際上，并機的五個(gè)條件和均分負載是相互關(guān)聯(lián)、相輔相成的。通過(guò)以上的分析表明，根據各機組并聯(lián)運行中的情況，只要實(shí)時(shí)調節柴油發(fā)動(dòng)機的轉速也就是調控發(fā)動(dòng)機的油門(mén)。實(shí)時(shí)調節同步發(fā)電機的勵磁電流——也就是調控AVR。使并聯(lián)運行的各機組的相關(guān)參數達到動(dòng)態(tài)的一致和同步，就可以實(shí)現并聯(lián)機組的平穩運行。 由于不同生產(chǎn)廠(chǎng)家的AVR性能不同，因此，康明斯公司在此呼吁用戶(hù)，盡可能在采購柴油發(fā)電機組時(shí)，購買(mǎi)相同品牌的設備，避免后期使用與規劃時(shí)出現不必要的損失。
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