柴油发电机并联运行调试技术浅析.docx
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柴油发电机并联运行调试技术浅析
柴油发电机的并联运行调试
摘要：
柴油发电机组两台并机越来越普遍,经常由于需求功率的增加而出现要求柴油发电机组并机的服务,随着公司在电力供应严重匮乏的国家地区承接的工程越来越多，使得柴油发电机在工程中担负着工程建设的用电供应，为了满足大负荷或不间断供电要求,往往需要将两台或多台机组并联运行。
机组并联运行中,常出现功率分配不均匀现象,过度功率分配不均匀将会严重影响电站系统运行的安全性和可靠性,且会对发电机组产生严重危害。
这种危害性根源于系统的环流问题,也是并联电站调试中最常见、也是最难以解决的问题。
我根据在实际工作中调试并联机组的一些经验,提出了环流产生的原因、影响功率平均分配的一些因素及调试方法。
一．柴油发电机的特点
1柴油机发电机只有两个转速：
怠速和额定转速。
怠速在350－600/转分；额定转速与发电机转速相匹配（1500－1600转/分）。
2多为野外作业，噪音不须过多考虑，排气管、消音器可以简单使发动机排气的马力消耗尽量减小。
3运转的稳定性（即对调速器的稳定性）要高。
这关系到发出来的电压电流的稳定度。
4发动机的硬特性要好。
当载荷变化时，柴油机能在一个较大范围内保持转速的稳定性，不致大起大落。
二．发电机组并列运行的条件
发电机组投入并列运行的整个过程叫做并列。
将一台发电机组先运行起来，把电压送至母线上，而另一台发电机组启动后，与前一台发电机组并列，应在合闸瞬间，发电机组不应出现有害的冲击电流，转轴不受到突然的冲击。
合闸后，转子应能很快的被拉入同步。
（即转子转速等于额定转速）因此发电机组并列必须具备以下条件：
1.发电机组电压的有效值与波形必须相同
2.两台发电机电压的相位相同
3.两台发电机组的频率相同
4.两台发电机组的相序一致
三、什么叫发电机组的准同期并列法？
怎样进行同期并列？
准同期就是准确周期。
用准同期法进行并列操作，发电机组电压必须相同，频率相同以及相位一致，这可通过装在并机柜上的两块电压表、两块频率表以及同期指示灯来监视，并列操作步骤如下：
将其中一台发电机组的负荷开关合上，将电压送至母线上，而另一台机组处在待并状态。
调节待并发电机组的转速，使它等于或接近同步转速（与另一台机组的频率相差在半个周波以内），调节待并发电机组的电压，使其与另一台发电机组电压接近，在频率与电压均相近时，同期指示灯也时亮时暗，缓慢交替变化，当待并机组与另一台机组相位相同时，同期灯最暗时，立即将待并机组的断路器合闸，使两台发电机组并列。
如指示值偏大，则按后面情况重新调整。
四、发电机保护回路
1．逆功
逆功现象是由发电机组转速（频率）及电压不同而造成的，即一台发电机组带正功，而另一台机组带负功率。
也就是说带负功率的机组，这时变成了一个负载（此机组频率低，转速不一致的现象）。
电压不相同时，电压高的机组，向电压低的机组，提供一个无功电流与无功电压（此机组的电流表正向指示），相当于在本供电系统内，加了一个调相机组。
电压低的机组，这时成为一个大的负载，接受一个很大的无功电流，来维持两台机组的电压平衡（此机组的电流表反向指示）。
监测时把某一台机组的电压调高，或将另一台机组电压调低，造成一台机组有逆功电流，其动作电流为额定电流20%左右。
逆动继电器动作、跳闸、报警，但不停机。
2．过电流：
现在的发电机组额定功率一定，它的超载能力很低，基本上在额定功率的5%左右，允许带载时间15~30分钟，最多不超60分钟，超过这个时间，发电机组会发热，导线绝缘会降低，也就降低了使用寿命。
所以在设定过电流保护时无特殊要求的，过电流保护设定在额定电流的110%即可。
带载测试时，将电流带至额定流的110%，过流继电器动作。
跳闸、报警、不停机。
3．过电压：
在并列使用发电机组时最怕供电系统发生振荡，一但发生振荡系统电压升高，易造成用电设备及供电设备的绝缘击穿，使供电设备与用电设备一起瘫痪。
为此并列使用的发电机组均装有过电压保护，其设定值为额定电压的105%为最佳。
短接过电压继电器，跳闸停机、报警动作。
五、怎样调整并列机组的逆功现象？
当两台发电机组空载并列后，会在两台机组之间，产生一个频率差与电压差的问题。
并且在两台机组的监视仪表上（电流表、功率表、功率因数表），反应出实际的逆功情况，一种是转速（频率）不一致造成的逆功，另一种是电压不等造成的逆功，其调整如下：
1．频率造成逆功现象的调整：
如果两台机组的频率不等，相差较大时，在仪表上（电流表、功率表）显示出，转速高的机组电流显示正值，功率表指示为正功率，反之，电流指示负值，功率指示负值。
这时调整其中一台机组的转速（频率），视功率表的指示进行调整，把功率表的指示调整为零即可。
使两台机组的功率指示均为零，这样两台机的转速（频率）基本上一致。
但是，这时电流表仍有指示时，这就是电压差造成的逆功现象了。
2．电压差造成逆功现象的调整：
当两台机组的功率表指示均为零时，而电流表仍然有电流指示（即一反一正指示）时，可调整其中一台发电机组的电压调整旋钮，调整时，视电流表与功率因数的指示进行。
将电流表的指示消除（即调整为零），电流表无指示后，这时视功率因数表的指示，把功率因数调至滞后0.5以上即可.一般可调整至0.8左右,为最佳状态。
六．柴油机稳态调速率和静态调压率
两台（或两台以上）机组并联运行的供电品质以及保证机组的可靠运行必须满足三个基本前提，即:
频率一致、电压一致和相序一致。
除了相序是电机制造和电缆布置已确定以外，频率和电压则与机组的运行参数及运行特性是密不可分的。
而柴油机的稳态调速率和发电机的静态调压率正是机组能否正常并联运行以及运行的品质好坏的决定因素。
1柴油机稳态调速率与机组并联运行的关系
柴油发电机组（柴油机）的转速理论上为设定的恒转速，这样才能保证供电的频率满足使用要求，然而机组的负载发生变化后，柴油机实际转速会偏离设定值。
这种随负载增加或减少而发生的实际转速偏离设定值的关系，称之为柴油机的稳态调速率，它只允许在一定的公差范围内波动，如图示1。
图1
这种转速的变化反应在发电机组上即为频率的变化。
当单台机组使用时，这种频率变化的实质是交流电正弦波波长和周期的略有变化，对绝大部分电器的使用是可以接受的。
当然，频率变化越小也就标示着发电机组输出电的品质越高。
为了得到较好的稳态调速率，可以通过调整调速器的调速率来达到目的。
通过图1还可以了解到柴油机的转速与负载成反比关系，负载越高转速越低。
如果形象地把转速比喻为一个"弹性"承载体，那么负载越大这个"弹性"承载体的高度越低。
正由于这种"弹性"特性，使几台柴油发电机组并联运行成为可能，并有可能较好地分配负载。
因为当待并机机组转速以略高于运行机组转速投人并联运行时，由于它的转速略高，能在瞬间承接部分负载;并且随着承受负载的增加，它的转速会有所下降，这种下降幅度也必然符合稳态调速率曲线规律的。
而原运行中的机组由于负载被转移到并人机组上，它的转速则有所上升，同样，这种上升幅度也必然符合稳态调速率曲线规律的。
直至并入机组和已运行机组的转速完全一致，并各自承担相应的负载。
因此，两台（或两台以上）机组并联运行，它们的稳态调速率曲线必须是比较一致的或接近，才能保证在运行时的负载承担比较均衡。
这种转速的一致性是发电机组并联运行的第二条原则:
频率相同。
必须说明的是，这里所说的负载主要是指发电机组承载的有功功率。
2发电机静态调压率与机组并联运行的关系
一般来说船用发电机组都是三相交流发电机组。
要求发电机输出的电压值是在船舶设计时已规定，然而当机组的负载功率发生增减时，发电机的实际输出电压也会跟着发生变化，并偏离规定电压。
这种电压随负载功率增减一起变化的关系，称之为发电机的静态调压率。
为了保证输出电压满足使用要求，它只允许在一定的公差范围内波动。
发电机的电压是与它承受的负载成反比关系的，发电机承受的负载越高，相对来说输出的电压也就越低，特性曲线如图2。
图2
发电机的静态调压特性与柴油机的稳态调速特性有着类似的特征，即:
电压的高低取决于负载的大小，有着"弹性"特征。
当待并机组电压以略高于运行机组电压投入并联运行时，由于它的电压略高，它先于已运行机组向电网输送电量（或者说承载负载），并且随着承受负载的增加，它的电压有所下降。
而已运行机组由于承担的负载被转移，负载减少，电压有所上升，直至并人机组和已运行机组的电压完全一致。
这种电压的一致性就是发电机组并联运行的另一条原则:
电压相同。
要得到较好的静态调压率可通过调整发电机的自动电压调整器（AVR）来达到目的。
七.柴油发电机组并联运行的均衡性要求
由于交流发电机承受的负载除了有功功率之外还有无功功率，这两者的矢量总和称为视在功率见，图3所示。
图3
衡量多台柴油发电机组并联运行时负载分配的均衡性，可采用视在功率差度指标来考核，也可采用有功功率差度、无功功率差度两个指标分别来考核，我国的国标和船用规范都是采用后者。
要求是:
两台（或两台以上）机组并联后，在额定功率因素cosφ=0.8）的条件下，于75%额定负载处使各机组的功率分配基本一致（有功功率相等、无功功率相等，即功率因素cosφ均为0.8）;均功后不允许再对机组进行调整，当机组功率变化后达到稳定状态时需考核其分配差度。
如果试验过程中出现功率分配不均衡，主要是由各机组的稳态调速率、静态调压率曲线相差太大引起的。
一般而言，各机组的稳态调速率如有0.4%以上的误差就会引起有功功率分配的超差;静态调压率如有0.5%以上的误差就会引起无功功率的超差。
八．调试过程
前面几节简要叙述了发电机的特点和负载特性的调整要点，所以在实际调试当中考虑各台机组的承受相应负荷后，对于同功率发电机而言，发动机速降，发电机压降，必须相同，但在实际工作中不同厂家的发电机所使用的AVR，发动机控制器，主控制器，并联柜的电路设计不同，所以调试方法也有较大差异，我以达岱采用的发电机组在并机过程当中总结出来一套简单的调试方法，以下是发电机机组的并联调试过程，
1．用电主要负荷
1鄂式破碎机110KW，配降压启动柜
2反击破220KW，配备软启动器
3棒条给料机30千瓦，
4高速立式冲110KW*2=220KW，配备软启动器
5振动筛3台，30KW+18KW+18KW=66KW
6皮带机两条，30KW*2=60KW
7其他皮带机11条，电动机功率5.5KW,7.5KW,11KW总计约120KW
8拌合楼负荷，64KW+30KW+11KW+15KW+5.5KW=125.5KW
9生活营地，食堂，维修车间约120KW
2．发电机组的配置
根据用电设备,计算出视在功率总容量为1071.5KW负荷计算。
同时,考虑到机组出了故障时不致于影响供电,应配置足够的余量。
选用的是2台450kW和1台300kW的可以并机运行的发电机组作为供电电源,该机型采用成熟的康明斯柴油发动机,配备了先进的并联控制柜，其特点为自动化程度高，可以手动或者自动并联,使用与维护方便。
由于工程施工生产设备使用具有较大的离散性。
就要求电网的设置具有相应的灵活性和可靠性,根据不同时段,设备运行投入量的不同,利用增加并机,从而达到即满足用电要求,又可节能的目的，这里我们只使用了两台450KW并联运行，就足够供应全部负荷用电，300KW可以并入母线，但不和450KW并联运行，当沙石系统不运行时单台450KW或者300KW发电机可以给剩余负荷供电。
3．并联调试
将两台机组并联,首先要将两台机组的空载电压、调压特性，负载特性调整到完全相同,这是保证两台机组功率完全平均分配的前提条件,也是后续调整两台机组功率平均分配的基础。
当上述几项项调整平衡后,才能保证并联运行的两台机组输出端电压在任意负荷下都相等,同时保证功率平均分配,才能保证环流为0（理想状态）。
表明:
环流产生的根本原因是两台机组空载电压不是完全相等或调压特性有差异,造成输出端电压不相等而产生了环流，负载特性不同造成频率不相同产生环流。
我们使用的发电机组并机柜采用了HGM6310发电机组自动化控制器，采用了大屏幕液晶（ＬＣＤ）显示屏可以显示发电机三相电压、三相电流、频率、输出功率、无功功率、功率因数、转速等，发动机部分采用了FSK639D发动机电子调速器，具有调速精确快速，稳态调速率可调，超速保护等功能，发电机AVR采用的是ZL440T，有调差功能。
1发电机空载并机
首先启动1#，2#两台450KW发电机，然后分别调整两台发动机控制器的转速电位至额定转速，调整稳定度和增益电位器使转速稳定，分别调整各自的AVR的电压调整和稳定度电位器，空载电压调至400V，然后将其中一台发电机组的负荷开关合上，将电压送至母线上，这时可以观察待并机组控制柜上的同期灯缓慢一亮一灭，在同期灯最暗时，立即将待并机组的断路器合闸，并列后观察两机组的三相电流约为4A、5A、3A，功率显这里显示的功率值约3W、5W、4W，这说明发电机环流很小，可以进行下一步带负荷调试。
2带负荷调试
首先断开其中2#发电机的断路器，仅用1#机组供电，启动部分相应的负荷，这时显示屏电流显示168A左右，记录发电机电压，频率，功率，功率因数，其中电压和频率和空载比较有所降低，然后观察同期灯，合上2#发电机的断路器，这时负荷会向2#机转移一部分，但不一定平均分配，而且有可能产生逆功，这时断开1#发电机断路器，负荷全由2#机承担，这时把记录下发电机电压，频率，功率，功率因数和1#机的数据对比，然后调整2#机AVR的调差电位器，使输出电压尽量和1#发电机的记录数据相等，调整2#机发动机控制器稳态调速率（速降）微调电位器，使显示频率和1#机记录数据相等，这时再合上1#机断路器，断开2#机断路器，重新微调2#机空载电压，频率，再合上2#机断路器，断开1#机断路器，查看2#机的电压，频率和1#机基本相等，再将1#机并入，观察两机组输出电流，输出功率是否平均。
调试完毕后基本满足以下条件：
KW总≈KW1+KW2KW1≈KW2
I总≈I1+I2I1≈I2
var1≈var2
COSΦ1≈COSΦ2
调试过程采用了三个不同的负荷进行调试，其中最大负荷电流约为额定电流的75％,这是因为柴油发电机组的最佳使用功率（经济功率）是0.75倍额定功率，柴油发电机组不受时间限制可长期运行的输出功率，在该功率运行时，燃油最省、故障率最低。
经过以上方法调试，就能把两台发电机特性调整基本一致。
具体调试数据见表1。
因沙石系统的反击破碎机和立式冲击破电机功率较大，且系统启动时自动顺序启动，大功率电机虽然配了软启动器，但启动电流依然达到了2.6-3.5倍额定电流，所以在实际运行时，自动并机在负荷均匀增加的场所还可以达到要求，在大突变负荷就来不及反应了，往往待并机组还没有完成启动，已运行机组因瞬间过流保护停机了，所以实际使用时，是将两台机组先进行手动并联，再启动筛分系统进行生产，其它情况根据负荷大小使用一台450KW或者300KW发电机就可以满足用电要求。
结束语
柴油发电机的应用和调试技术是每一位工程人员所应该熟知和掌握的,本文仅以达岱水电站砂石料系统供电发电机调试为基础,对一些较为突出的技术要点加以概括和总结,本文的不足之处,希广大同行给予批评、指证或补充完善。
注释：
1调差：
也叫发电机静态调压率，当机组的负载功率发生增减时，发电机的实际输出电压也会跟着发生变化，并偏离规定电压。
这种电压随负载功率增减一起变化的关系，称之为发电机的静态调压率
2速降：
也叫稳态调速率，机组的负载发生变化后，柴油机实际转速会偏离设定值。
这种随负载增加或减少而发生的实际转速偏离设定值的关系，称之为柴油机的稳态调速率
3AVR：
是英文AUTOMATICVOLTAGEREGULATOR的缩写
发电机自动电压调节器，用于稳定和保证发电机的电压特性
附表1
机组
参数
空载
负载1
负载2
负载3
单机
并机
单机
并机
单机
并机
1#机组
U1
400V
390V
384V
379V
V1
400V
388V
383V
380V
W1
400V
389V
386V
381V
I1
211A
393A
633A
I2
212A
396A
632A
I3
213A
394A
633A
P1
60.8kw
122KW
302KW
f1
51.2HZ
50.9HZ
50.7HZ
50.4HZ
Var
130
230
335
COSΦ1
0.42
0.46
0.71
2#机组
U2
400V
392V
385
381
V2
400V
389V
386
380
W2
400V
391V
389
381
I1
215A
395A
639
I2
212A
399A
638
I3
214A
391A
635
P2
63.2KW
125KW
310
f2
51．2HZ
50.9HZ
50.7HZ
51.4
Var
131
234
338
COSΦ2
O.41
0.47
0.72
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