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功能說(shuō)明與康明斯知識(shí) |
康明斯發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的條件和原理 |
摘要：根據(jù)康明斯公司多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在柴油發(fā)電機(jī)使用過(guò)程中，通常有三種情況需要并車(chē)操作。一是需要滿足電網(wǎng)負(fù)荷的需求，當(dāng)單機(jī)負(fù)荷達(dá)到80%額定容量時(shí)，且負(fù)荷仍有可能增加，這時(shí)就要考慮并聯(lián)另一臺(tái)發(fā)電機(jī)組；二是當(dāng)用電設(shè)備瞬間啟動(dòng)電流過(guò)大，為了備用電源運(yùn)行的安全，需要兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行；三是當(dāng)需要用備用發(fā)電機(jī)組替換下運(yùn)行供電的發(fā)電機(jī)組時(shí)，為了保證不中斷供電，需要通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)并車(chē)進(jìn)行替換。康明斯公司在本文中將并聯(lián)運(yùn)行的技術(shù)條件和不滿足并車(chē)條件的危害，以及并機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)的環(huán)流現(xiàn)象消除方法進(jìn)行了系統(tǒng)性介紹。
一、并聯(lián)運(yùn)行的技術(shù)條件
1、三相線電壓
從同步發(fā)電機(jī)的機(jī)械構(gòu)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(duì)稱的安裝在定子的機(jī)座上。這三個(gè)繞組——稱為定子繞組或因?yàn)楣┙o負(fù)載的電力由這里輸出而被稱為電樞繞組，它們?cè)诳臻g機(jī)械位置上已被確定為彼此之間120°電角的間隔。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)（稱為主磁場(chǎng)）的磁力線依次掃過(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(yīng)電動(dòng)勢(shì)（波形圖如圖2所示）。各繞組起始端之間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的差稱為線電壓，按照它們的初始相位的大小——相序?qū)懗鲞@三相電壓的表達(dá)式為：
u1=Umsin（2nft+0°)
u2=Umsin（2nft+120°)
u3=Umsin（2nft+240°）
這三個(gè)線電壓通常也用U、V、W三個(gè)字母（或組合）表示。從這同一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的三個(gè)繞組各自輸出的線電壓的表達(dá)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(jī)的結(jié)構(gòu)決定的。
（2）f是線電壓的頻率。
它表示單位時(shí)間內(nèi)，同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的磁力線切割電樞繞組的次數(shù)。其大小實(shí)際上是由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的，因?yàn)槭前l(fā)動(dòng)機(jī)直接帶著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速越快則f越高，反之亦然f越低。
對(duì)于同一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)來(lái)講，顯然三個(gè)線電壓的頻率f是一樣的。2nf實(shí)際上是轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)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(dá)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是線電壓的最大值。
它是由同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流的大小決定的，因?yàn)橥桨l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是由勵(lì)磁電流流過(guò)轉(zhuǎn)子繞組而產(chǎn)生的，電流大則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)強(qiáng)，磁力線切割電樞繞組在繞組上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就大，反之亦然，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就小。同步發(fā)電機(jī)只有一個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)，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(jī)三相電動(dòng)勢(shì)相量圖 |
圖2 發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)波形圖 |
2、并車(chē)的條件
以上是對(duì)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組輸出的線電壓各參數(shù)意義及相互關(guān)系的描述。如果再用一臺(tái)或幾臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組與它并聯(lián)運(yùn)行，則必須使待并入康明斯發(fā)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)與它一樣的，因此建議用戶盡量使用同一品牌柴油發(fā)電機(jī)組，確保它們之間的參數(shù)完全相等（丙烯系統(tǒng)布置模擬如圖3、圖4所示）。從上面的分析可知，這些參數(shù)應(yīng)該是：
（1）相序
相序必須一致。待并入機(jī)組的U、V、W和已運(yùn)行機(jī)組的U、V、W同名端相并聯(lián)。
（2）頻率f
待并入機(jī)組的f與已運(yùn)行機(jī)組的f應(yīng)維持在標(biāo)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(jī)組的U、V、W和已運(yùn)行機(jī)組的U、V、W同名線電壓的2nft+φi（φi=0°、120°、240°）應(yīng)時(shí)刻保持一致。因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁力線切割電樞繞組的頻率無(wú)所以微調(diào)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速必然引起頻率拍勺變化。而一周內(nèi)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(diào)控待并入機(jī)組和已運(yùn)行機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(yùn)行機(jī)組的瞬時(shí)相位△φ動(dòng)態(tài)保持一樣。
（4）瞬時(shí)電壓u
對(duì)應(yīng)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(diào)控侍并入機(jī)組和已運(yùn)行機(jī)組的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，就可以使各相對(duì)應(yīng)的線電壓的瞬時(shí)值u實(shí)時(shí)與標(biāo)定值（例如380V）相等。
（5）波形良好無(wú)畸變
待并入機(jī)組和已運(yùn)行機(jī)組的線電壓的正弦波形都要良好且無(wú)畸變。并聯(lián)運(yùn)行中，若在某時(shí)刻出現(xiàn)畸變即意味著含有高次諧波。這有時(shí)也與特殊負(fù)載反饋的干擾或三相線電壓的負(fù)載極端不平衡有關(guān)。高次諧波會(huì)導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)組之間出現(xiàn)諧波環(huán)流，影響并機(jī)效果。
這五個(gè)條件是兩臺(tái)或多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)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(yùn)行中的各機(jī)組必須實(shí)時(shí)調(diào)控自己的相關(guān)參數(shù)，使其與其它機(jī)組以及予先設(shè)定的相關(guān)標(biāo)定參數(shù)一致，才能便整個(gè)并機(jī)系統(tǒng)處于對(duì)外提供電能的可靠運(yùn)行中。
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圖3 多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)三維布局圖 |
圖4 柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)電源分配圖 |
二、并車(chē)條件不滿足的危害
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(yùn)行。
1、當(dāng)頻率相等、初相位一致、電壓不相等時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車(chē)瞬間將在兩發(fā)電機(jī)組間產(chǎn)生一個(gè)無(wú)功性質(zhì)的環(huán)流、對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)起到均壓作用。由于發(fā)電機(jī)在并車(chē)瞬間呈現(xiàn)很小的等值電抗，因此當(dāng)電壓差較大時(shí)，合閘瞬間會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)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(jī)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(jī)組與運(yùn)行發(fā)電機(jī)組電壓相等、頻率相等，但初相位不同，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車(chē)瞬間在待并機(jī)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(jī)組間會(huì)出現(xiàn)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(tái)減速而另一臺(tái)加速，最終使得并聯(lián)運(yùn)行的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)達(dá)到相位一致而進(jìn)入同步運(yùn)行。環(huán)流的有功分量對(duì)應(yīng)的功率稱為整步功率，其中超前的發(fā)電機(jī)輸出整步功率，滯后的發(fā)電機(jī)吸收整步功率。整步功率對(duì)應(yīng)的整步轉(zhuǎn)矩，對(duì)于超前發(fā)電機(jī)而言是阻轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速下降，對(duì)于滯后發(fā)電機(jī)而言是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速上升， 最終將兩機(jī)拉入同相位同步運(yùn)行。該過(guò)程稱為“牽入同步”過(guò)程。無(wú)功性質(zhì)的環(huán)流、對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)起到均壓作用。為了減少?zèng)_擊電流，一般并車(chē)操作時(shí)要求相位差小于△S15°。
3、待并機(jī)與運(yùn)行機(jī)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(xiàn)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(xiàn)相位差，只要相位差一出現(xiàn)，環(huán)流就隨之產(chǎn)生， 即出現(xiàn)整步轉(zhuǎn)矩，一臺(tái)減速而另一臺(tái)加速。只要頻率差不大，最終依靠整步轉(zhuǎn)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(duì)發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)都不利，應(yīng)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(jī)并車(chē)時(shí)，合閘瞬間任一條件不滿足，都會(huì)在發(fā)電機(jī)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(zhuǎn)矩起整步作用。只要沖擊電流不大，對(duì)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(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致全廠停電，甚至造成發(fā)電機(jī)組的損壞。
三、環(huán)流消除方法
通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工作證明，例如并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組只有兩臺(tái)并聯(lián)。它們各相對(duì)應(yīng)的三相線電壓之間只是瞬時(shí)相位有差別，而其它的參數(shù)都一致，則就會(huì)在這兩臺(tái)機(jī)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(diào)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速——也就是調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)。使同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)磁力線切割電樞繞組的頻率，在單位時(shí)間內(nèi)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(bǔ)瞬時(shí)相位的差別，達(dá)到使兩臺(tái)機(jī)組各相對(duì)應(yīng)的三相線電壓的瞬時(shí)相位一致，就可以實(shí)現(xiàn)平分負(fù)載有功功率，達(dá)到消除有功環(huán)流的目的。在并聯(lián)柴油發(fā)電機(jī)組的調(diào)試中經(jīng)?？梢园l(fā)現(xiàn):當(dāng)增大一臺(tái)機(jī)組的油門(mén)時(shí)有功功率就較多地轉(zhuǎn)到該臺(tái)機(jī)組，當(dāng)減小它的油門(mén)時(shí)，則有功功率就較多地轉(zhuǎn)向另一臺(tái)機(jī)組。所以微調(diào)頻率可以消除有功環(huán)流。
如果這兩臺(tái)并聯(lián)機(jī)組輸出的三相線電壓中，相對(duì)應(yīng)的其它參數(shù)都一樣，而只有瞬時(shí)電壓的大小不一樣。此時(shí)在兩機(jī)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(diào)控同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流，勵(lì)磁電流越大則轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)越強(qiáng)，其磁力線切割電樞繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓就高。反之，感應(yīng)電壓就小。
通過(guò)這樣的調(diào)節(jié)，就可以使兩臺(tái)機(jī)組各相對(duì)應(yīng)線電壓的瞬時(shí)值M相等并與標(biāo)定值（例如380V）一樣。其實(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流是由同步發(fā)電機(jī)內(nèi)的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的并經(jīng)過(guò)同步整流器而產(chǎn)生的。勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的定子繞組內(nèi)的電流又是受自動(dòng)電壓調(diào)整器（AVR）控制的。也就是說(shuō)給AVR控制信號(hào)使定子繞組的電流發(fā)生變化，從而引起定子磁場(chǎng)磁力線的變化和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的感應(yīng)電壓變化。
此變化的感應(yīng)電壓經(jīng)同步整流器后，成為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變化的勵(lì)磁電流。這必然會(huì)引起同步發(fā)電機(jī)輸出的三個(gè)線電壓的瞬時(shí)值的改變。所以在并聯(lián)機(jī)組的實(shí)際調(diào)試中可以遇見(jiàn):給某一臺(tái)機(jī)組的AVR輸入升壓信號(hào)時(shí)，無(wú)功功率就較多地轉(zhuǎn)到該機(jī)組。而輸入降壓信號(hào)時(shí)，無(wú)功功率就較多地轉(zhuǎn)向另一臺(tái)機(jī)組?？梢?jiàn)，適時(shí)地給AVR輸入平衡信號(hào)就可以使并聯(lián)運(yùn)行的兩臺(tái)機(jī)組平均分配無(wú)功功率，消除無(wú)功環(huán)流。所以調(diào)節(jié)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(diào)頻，無(wú)功調(diào)幅"。
總結(jié)：
其實(shí)，柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的過(guò)程，就是不斷地實(shí)時(shí)調(diào)控各機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，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(tái)或多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組處于良好的并聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)，除了各發(fā)電機(jī)組滿足以上并聯(lián)的五個(gè)條件外，還要彼此平均分擔(dān)負(fù)載。實(shí)際上，并機(jī)的五個(gè)條件和均分負(fù)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(jù)各機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行中的情況，只要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也就是調(diào)控發(fā)動(dòng)機(jī)的油門(mén)。實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流——也就是調(diào)控AVR。使并聯(lián)運(yùn)行的各機(jī)組的相關(guān)參數(shù)達(dá)到動(dòng)態(tài)的一致和同步，就可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行。 由于不同生產(chǎn)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(gòu)柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)，購(gòu)買(mǎi)相同品牌的設(shè)備，避免后期使用與規(guī)劃時(shí)出現(xiàn)不必要的損失。
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