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康明斯發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的條件和原理
發(fā)布時(shí)間:2023-08-03 22:55:54  ▏閱讀:

 

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。

 

發(fā)電機(jī)三相電動(dòng)勢(shì)相量圖.png

圖1  發(fā)電機(jī)三相電動(dòng)勢(shì)相量圖 

發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)波形.png

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。

 

柴油發(fā)電機(jī)組三維布局正面圖.png

圖3  多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)三維布局圖

柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)系統(tǒng)電源分配圖.png

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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