柴油發(fā)電機組是由將燃燒柴油產(chǎn)生的熱能轉換為機械能的柴油發(fā)動機,和把機械能轉為電能的同步發(fā)電機組成的。在電力網(wǎng)還未到達或供電保障性不強的地區(qū),常用柴油發(fā)電機組發(fā)出性能與市電一樣的電能供給用電設備。它也就成為市電電力網(wǎng)的得力助手。 以1號發(fā)電機輸出的U相電壓波形和2號發(fā)電機輸出的U相電壓波形為代表,進行比對可以發(fā)現(xiàn):兩機的相序一致、輸出電壓波形良好、頻率基本相同,誤差在1周以內(nèi)。但在瞬時相位角180°時,1號機U相瞬時電壓為0。2號機U相瞬時電壓不為0,并且要經(jīng)過△φ瞬時相位角以后才能為0。這表明兩機的瞬時相位角不同步,瞬時電壓不等,此時兩機無法并聯(lián)。這時可以調(diào)節(jié)一下2號柴油發(fā)電機組的轉速,使其消除兩機瞬時相位角之差△φ到360°時兩臺發(fā)電機的U相電壓就完全同步了。 通過理論分析、實驗和實際工作證明,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電壓之間只是瞬時相位有差別,而其它的參數(shù)都一致,則就會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。瞬時相位的差別產(chǎn)生有功環(huán)流,如何消除呢?
現(xiàn)代,各種信息設備對供電提出了高質量、高可靠的要求。為此,UPS與柴油發(fā)電機組,以它們各自的特點相輔相成地構成的不間斷供電系統(tǒng)成為最佳選擇。在這里,UPS基本上是并聯(lián)冗余應用的,而柴油發(fā)電機組也常是并聯(lián)冗余運行的。
1并聯(lián)運行的作用
大型的網(wǎng)絡監(jiān)控中心、銀行結算中心、空中管制中心等,根據(jù)自身的工作性質和特點都對供電系統(tǒng)的性能和可靠性提出了很高的要求;采用兩路市電供電、配置兩組并聯(lián)冗余運行的大功率UPS構成雙總線系統(tǒng)、同時安裝幾臺"N十l"模式并聯(lián)冗余運行的柴油發(fā)電機組與UPS構成一個高可靠、高質量、智能化的不間斷供電體系,已是普遍采用的技術方案。
柴油發(fā)電機組的作用是:一且兩路市電都中斷,UPS目口時將蓄電池的直流電逆變成交流電供給負載工作。然后并聯(lián)冗余運行的柴油發(fā)電機組也部起動起來,通過自動轉換開關(ATS)切換到直接給UPS提供與市電一樣的電能,從而使UPS又像平常那樣依靠交流電不間斷地給設備供電。這時"N+l"模式并聯(lián)冗余運行的柴油發(fā)電機組不僅為UPS提供性能良好的電力,而且提供了高可靠的電能;假如運行中一臺機組出現(xiàn)問題退出并聯(lián),其他機組會帶上全部負載仍正常運行?梢姴⒙(lián)冗余運行的機組完全代替了兩路市電供電的功能。
通常情況下,并聯(lián)冗余運行模式的柴油發(fā)電機組并不直接連接負載,而是通過UPS供給負載電能。
柴油發(fā)電機組為增加原有機組的輸出功率而采用并聯(lián)運行的方式要比UPS多一些。它們常被用于市電電力供應保障性不強,一年總有幾次停電或拉閘限電地區(qū)的工礦企業(yè)。由于現(xiàn)代機械制造技術的進步、機電一體化的廣泛應用、智能控制技術的普及,現(xiàn)代柴油發(fā)電機組不僅制造精良,各項性能指標大為提高,運行的可靠性也大大增強。
通常情況下,只要按規(guī)范做好維護保養(yǎng)工作,作為備用發(fā)電機,在起動運行后柴油發(fā)電機組因故障停機的幾率極其微小。在各類工廠新增設備后,原有柴油發(fā)電機組已不能滿足后備供電需要時,考慮再增加一臺同樣的機組與其并聯(lián)使輸出功率增加一倍,不失為一種經(jīng)濟實用的選擇。
作為擴容應用的并聯(lián)柴油發(fā)電機組一般不考慮冗余而只強調(diào)均分負載,它們都是接近滿負荷地直接驅動用電設備。
2并聯(lián)運行的技術條件
從同步發(fā)電機的機械構造可以知道;三個一模一樣的繞組按照空間360°三等分并且對稱的安裝在定子的機座上。這三個繞組——稱為定子繞組或因為供給負載的電力由這里輸出而被稱為電樞繞組,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(稱為主磁場)的磁力線依次掃過并切割三個電樞繞組時,就會按照掃過的順序在三個繞組上分別產(chǎn)生彼此之間相位差為120°,波形為正弦形的感應電動勢。各繞組起始端之間的感應電動勢的差稱為線電壓,按照它們的初始相位的大小——相序寫出這三相電壓的表達式為
u1=Umsin(2πft+0°)
u2=Umsin(2πft+120°)
u3=Umsin(2πft+240°)
這三個線電壓通常也用U、V、W三個字母(或組合)表示。
從這同一臺同步發(fā)電機的三個繞組各自輸出的線電壓的表達式可以看出:
(1)0°、120°、240°這三個初相角是由同步發(fā)電機的結構決定的。
(2)f是線電壓的頻率。它表示單位時間內(nèi),同步發(fā)電機轉子磁場的磁力線切割電樞繞組的次數(shù)。廠的大小實際上是由柴油發(fā)電機組的柴油發(fā)動機的轉速決定的,因為是發(fā)動機直接帶著發(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)電機來講,顯然三個線電壓的頻率f是一樣的。2πf實際上是轉子磁場的磁力線切割電樞繞組的角頻率,用ω表示。從三相電壓的表達式可知:2πft+φi(φi=0°、120°、240°)是正弦量變化的核心,它反映了正弦量隨時間t變化的進程。
(3)Um是線電壓的最大值,它是由同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)的勵磁電流的大小決定的,因為同步發(fā)電機的轉子磁場是由勵磁電流流過轉子繞組而產(chǎn)生的,電流大則轉子磁場強,磁力線切割電樞繞組在繞組上產(chǎn)生的感應電動勢就大,反之亦然,感應電動勢就小。同步發(fā)電機只有一個勵磁系統(tǒng),因此三個繞組輸出電壓的最大值Um都是一樣的。
這是對一臺柴油發(fā)電機組輸出的線電壓各參數(shù)意義及相互關系的描述。如果再用一臺或幾臺柴油發(fā)電機組與它并聯(lián)運行,則必須使待并人機組的相關參數(shù)與它一樣。從上面的分析可知,這些參數(shù)應該是:
(1)相序——必須一致。待并人機組的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同名線電壓的2πft+φi(φi=0°、120°、240°)應時刻保持一致。因為柴油發(fā)電機組的發(fā)動機的轉速決定著同步發(fā)電機的轉子磁場磁力線切割電樞繞組的頻率無所以微調(diào)發(fā)動機的轉速必然引起頻率拍勺變化。而一周內(nèi)頻率在某一時段的變化△f/△t實質是正弦波瞬時相位的變化即△φ。實時調(diào)控待并人機組和已運行機組的發(fā)動機轉速,不斷獲得△φ增量或減量,從而使它的瞬時相位φ與已運行機組的瞬時相位△φ動態(tài)保持一樣。
(4)瞬時電壓u——對應三相每個時刻都大小相等。決定瞬時電壓u大小的是線電壓最大值Um與瞬時相位。以上的分析已經(jīng)表明:實時調(diào)控侍并入機組和已運行機組的發(fā)動機轉速及同步發(fā)電機勵磁電流,就可以使各相對應的線電壓的瞬時值u實時與標定值(例如380V)相等。
(5)波形良好無畸變——待并入機組和已運行機組的線電壓的正弦波形都要良好且無畸變。并聯(lián)運行中,若在某時刻出現(xiàn)畸變即意味著含有高次諧波。這有時也與特殊負載反饋的干擾或三相線電壓的負載極端不平衡有關。高次諧波會導致并聯(lián)機組之間出現(xiàn)諧波環(huán)流,影響并機效果。
這五個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:它們是相互關聯(lián)相互依存的。在并聯(lián)運行中的各機組必須實時調(diào)控自己的相關參數(shù),使其與其它機組以及予先設定的相關標定參數(shù)一致,才能便整個并機系統(tǒng)處于對外提供電能的可靠運行中。
圖1兩臺準備并聯(lián)的發(fā)電機各自輸出的U、V、W三相電壓波形(*號所指為△φ)
V和W相自然也隨之同步,這時可以實現(xiàn)并聯(lián)運行?梢妰蓹C并聯(lián)運行,瞬時電壓相瞬時相位起著重要的作用。
兩臺或多臺柴油發(fā)電機組的并聯(lián)運行后,要共同向負載供給電能,因此獻出現(xiàn)了平均分擔負載的問題,否則就會因各機組所承擔的負載不一樣而在它l之司形成環(huán)流。流動于各機組之間的環(huán)流,不僅使機組的損耗增加甚至會使整個并機系統(tǒng)宕機。由于負載經(jīng)常地接人和撤出,更由于負載并非都是純電阻性的,而更多地是電阻性伴有電容性和電感性的阻抗性負載。這就給并聯(lián)運行的各柴油發(fā)電機組在均分負載上提出了較高的要求;不僅要對純電阻性負載(電能在電阻性負載上面的消耗稱為有功功率)進行均分,而且要對電抗性——容抗或感抗或兼而有之的負載(電能在電抗性負載上面只進行儲存和釋放的相互轉換并不被消耗,所以稱無功功率)進行均分。哪一項得不到均分,它就會在并聯(lián)機組之間形成環(huán)流;不是有功環(huán)流就是無功環(huán)流或兼而有之,如圖2所示。
從前面的分析可知:微調(diào)柴油發(fā)動機的轉速——也就是調(diào)控發(fā)動機的油門。使同步發(fā)電機轉子磁場磁力線切割電樞繞組的頻率,在單位時間內(nèi)產(chǎn)生一個增量或減量,即為瞬時相位的增量或減量,并以此填補瞬時相位的差別,達到使兩臺機組各相對應的三相線電壓的瞬時相位一致,就可以實現(xiàn)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(diào)試中經(jīng)?梢园l(fā)現(xiàn):當增大一臺機組的油門時有功功率就較多地轉到該臺機組,當減小它的油門時,則有功功率就較多地轉向另一臺機組。所以微調(diào)頻率可以消除有功環(huán)流。
如果這兩臺并聯(lián)機組輸出的三相線電壓中,相對應的其它參數(shù)都一樣,而只有瞬時電壓的大小不一樣。此時在兩機之間就會有無功功率的不均分,從而形成較大的無功環(huán)流。消除無功環(huán)流的辦法是,實時調(diào)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越強,其磁力線切割電樞繞組所產(chǎn)生的感應電壓就高。反之,感應電壓就小。
通過這樣的調(diào)節(jié),就可以使兩臺機組各相對應線電壓的瞬時值M相等并與標定值(例如380V)一樣。其實,轉子繞組的勵磁電流是由同步發(fā)電機內(nèi)的勵磁發(fā)電機發(fā)出的并經(jīng)過同步整流器而產(chǎn)生的。勵磁發(fā)電機的定子繞組內(nèi)的電流又是受自動電壓調(diào)整器(AVR)控制的。也就是說:給AVR控制信號使定子繞組的電流發(fā)生變化,從而引起定子磁場磁力線的變化和勵磁發(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。這必然會引起同步發(fā)電機輸出的三個線電壓的瞬時值的改變。所以在并聯(lián)機組的實際調(diào)試中可以遇見:給某一臺機組的AVR輸入升壓信號時,無功功率就較多地轉到該機組。而輸入降壓信號時,無功功率就較多地轉向另一臺機組。可見,適時地給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功功率,消除無功環(huán)流。所以調(diào)節(jié)瞬時電壓可以消除無功環(huán)流。這些就是技術術語中常說的"有功調(diào)頻,無功調(diào)幅"。
其實,柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的過程,就是不斷地實時調(diào)控各機組的相關參數(shù),便有功環(huán)流和無功環(huán)流減少到最小甚至為零的動態(tài)過程。
可見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),除了各機組滿足以上并聯(lián)的五個條件外,還要彼此平均分擔負載。實際上,并機的五個條件和均分負載是相互關聯(lián)、相輔相成的。
通過以上的分析表明:根據(jù)各機組并聯(lián)運行中的情況,只要實時調(diào)節(jié)柴油發(fā)動機的轉速也就是調(diào)控發(fā)動機的油門。實時調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的勵磁電流——也就是調(diào)控AVR。使并聯(lián)運行的各機組的相關參數(shù)達到動態(tài)的一致和同步,就可以實現(xiàn)并聯(lián)機組的平穩(wěn)運行。
3并聯(lián)運行機組的監(jiān)控
并機柜(俗稱并車柜)是專門用于柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行監(jiān)控的電子裝備。在早期提出柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行的需求時,就是采用專門的并機柜,實時測試機組的相關參數(shù)并反饋調(diào)控各并聯(lián)工作中的機組的運行狀態(tài),來達到并聯(lián)運行要求的。
隨著電子技術、動態(tài)控制理論及機械制造技術的進步,現(xiàn)代并機柜已經(jīng)是高度智能化的性能優(yōu)良的電子設備。它不僅能監(jiān)控同型號、同輸出功率的柴油發(fā)電機組的并聯(lián),而且還能實現(xiàn)不同型號、不同輸出功率的機組的并聯(lián)運行,還可以將柴油發(fā)電機組并入市電網(wǎng)上運行。