數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機組三種同期并機控制原理

盧天兵

（三菱重工業(yè)（上海）有限公司，上海 200051）

0 引 言

隨著互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)據(jù)中心IDC行業(yè)的迅猛發(fā)展，目前柴油發(fā)電機組以其可靠性和安全性廣泛應用于數(shù)據(jù)中心IDC等通信行業(yè)。數(shù)據(jù)中心備用電源通常采用N+1臺柴油發(fā)電機組并機運行的方式。本文主要講述1 500 r/m、50 Hz柴油發(fā)電機組三種同期并機控制原理。

1 并機條件及方式

1.1 并機條件

發(fā)電機同期并機必須符合4個條件：（1）相序相同；（2）電壓偏差在設定限值內(nèi)；（3）頻率偏差在設定限值內(nèi)；（4）相位偏差在設定限值內(nèi)。

1.2 并機方式[1]

發(fā)電機并機方式主要分為（常規(guī)）自同期和準同期兩種。（常規(guī)）自同期并機是將未投入母線的待并列發(fā)電機在不加勵磁的情況下轉(zhuǎn)動起來，在轉(zhuǎn)速接近系統(tǒng)同步轉(zhuǎn)速、滑差在允許的范圍內(nèi)時強行合閘并列，再加勵磁發(fā)電，由母線將發(fā)電機拉入同步。該方式?jīng)_擊電流較大，并機時間短，適用于小水電并網(wǎng)。準同期并機是將未投入母線的發(fā)電機加上勵磁，調(diào)節(jié)其電壓和頻率，在滿足并列條件時，使發(fā)電機的出口開關(guān)合閘，將發(fā)電機投入母線，則在發(fā)電機定子回路中的環(huán)流幾乎為零，不會產(chǎn)生電流和電磁力矩的沖擊。缺點是并機時間長，通常接近1 min。目前，該并機方式在數(shù)據(jù)中心等IT行業(yè)應用廣泛。

2 準同期并機[2]

并機控制模塊可以用于控制發(fā)電機準同期和市電斷路器（如果安裝的話）。準同期包含動態(tài)準同期和靜態(tài)準同期兩種，默認是動態(tài)準同期選項。

2.1 動態(tài)準同期

在動態(tài)準同期中，同步發(fā)電機運行在與母線不同的頻率下，這個頻率偏差叫做滑差。通常滑差為正數(shù)，即待并機的頻率稍高于母線頻率，目的是避免并機后產(chǎn)生逆功率。動態(tài)同期并機原理如圖1所示。

圖1中，待并發(fā)電機運行在1 503 r/m、50.1 Hz，已接入母線發(fā)電機運行在1 500 r/m、50.0 Hz，滑差為+0.1 Hz。盡管發(fā)電機處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但已接入母線的發(fā)電機L1相位角始終指向時鐘12點，因此待并機的發(fā)電機須縮小相位差為零時才能到達同期點。同期時間為1/（50.1-50.0）=10 s，也就是說每10 s兩臺發(fā)電機會同期一次。

2.1.1 合閘信號

因斷路器自身機械結(jié)構(gòu)有動作時間，發(fā)電機并機控制器須提前一定的相位角發(fā)出合閘信號給斷路器，這樣實際合閘時刻相位差為0，即同期點合閘。以ABB E系列空氣斷路器為例，合閘時間為0.08 s，合閘繼電器動作時間0.02 s，計算公式如下：

為確保合閘成功，合閘脈沖時長為100 ms（80 ms+20 ms）。

2.1.2 同期并機后的負載圖形

當要并機的G2發(fā)電機的空氣斷路器閉合后，它將分擔一部分負載。圖2顯示滑差頻率為正時，G2發(fā)電機輸出有功功率。圖3顯示滑差頻率為負時，G2發(fā)電機吸收有功功率，這種現(xiàn)象叫做逆功率。

2.1.3 調(diào) 整

以DEIF AGC-200型并機控制器為例，動態(tài)同期設定參數(shù)如表1所示。

圖2 正滑差

圖3 負滑差（逆功率）

表1 動態(tài)同期設定參數(shù)

滑差頻率包含有兩個設定——“Sync dfMAX”和“Sync dfMIN”。下面舉例計算說明正確設定滑差的重要性。

注解：（dfMAX+dfMIN）/2=滑差

例1：（0.3+0.0）/2=+0.15 Hz

發(fā)電機頻率與母線頻率間的滑差為+0.15 Hz，意味著發(fā)電機和母線之間的相位角會減少，直到進入同期點。

例2：（0.3-0.3）/2=+0 Hz

發(fā)電機頻率與母線頻率間的滑差為0 Hz，意味著發(fā)電機和母線之間的相位角不會減少。這種狀態(tài)下，發(fā)電機相位永遠不會進入同期點，因為發(fā)電機相位永遠追不上母線相位。

2.2 靜態(tài)準同期

在靜態(tài)準同期控制模式中，發(fā)電機頻率非常接近母線頻率，滑差比動態(tài)小，通常在0.05 Hz以內(nèi)，目的是精確尋找同期點。需要注意，當使用繼電器觸點調(diào)節(jié)速度時，不推薦采用靜態(tài)并機，因為會使并機時間很慢。靜態(tài)準同期并機原理如圖4所示。

2.2.1 相位角控制

并機控制中的頻率控制，會使發(fā)電機頻率朝母線頻率靠近。當頻率偏差在0.05 Hz范圍內(nèi)時，相位角控制器將開始工作。

2.2.2 合閘信號

合閘信號出現(xiàn)在發(fā)電機L1相位指向母線相位時鐘12點位置。這與斷路器動作時間無關(guān)，因為滑差很小，合閘動作時間產(chǎn)生的延遲相位差可忽略不計。為了快速并機，需要調(diào)整合閘相位角窗口。合閘信號出現(xiàn)在“UGENL1”和“UBBL1”相位角之間，調(diào)整范圍±0.1°～20°，如圖5所示。

圖4 靜態(tài)準同期并機原理

圖5 合閘信號

2.2.3 同期后的負載狀態(tài)

同期后，機組將根據(jù)所選發(fā)電機組模式的要求更改控制器設定值。當滑差頻率不被接受時，推薦采用靜態(tài)同期模式。例如，幾臺發(fā)電機并聯(lián)在一段無負載的母線上。動態(tài)和靜態(tài)同期模式可以通過開關(guān)來切換選擇。

2.2.4 參數(shù)設定

并機控制器靜態(tài)準同期參數(shù)設定如表2所示。

表2 并機控制器靜態(tài)準同期參數(shù)

3 反常規(guī)自同期及解決勵磁涌流

常規(guī)自同期合閘時沖擊電流較大，而準同期方法并機時間長。如果發(fā)電機直接給變壓器送電，則會產(chǎn)生合閘勵磁涌流造成斷路器跳閘。并機控制器具有的勵磁前合閘“CBE”（Close Before Excitation）功能可快速自同期，消除沖擊電流，解決變壓器勵磁涌流。

3.1 反常規(guī)自同期

如圖6所示，先將所有機組速度電壓設定為同樣的上升斜率及額定值，再啟動所有發(fā)電機組。當速度上升至400 r/m時，令所有發(fā)電機GB合閘；當速度上升至900 r/m時，合上所有發(fā)電機勵磁開關(guān)，此時相當于自同期。雖然各臺發(fā)電機之間的相位角不同，但是由于轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機電壓低，遠小于額定值，故發(fā)電機之間沖擊環(huán)流很小，發(fā)電機之間利用環(huán)流自行快速自同期。自同期后環(huán)流減小，所有發(fā)電機繼續(xù)采用同樣斜率升速，頻率電壓達到額定值后再給負載供電。

此方法比發(fā)電機先達到額定電壓頻率后再調(diào)整準同期的方法快得多。通常準同期完成最快要接近1 min，而應用此方法時，當發(fā)電機啟動從靜止到達額定轉(zhuǎn)速自同期即同步完成，通常最快約8 s。

3.2 解決勵磁涌流

變壓器空載合閘時會產(chǎn)生勵磁涌流，其值高達變壓器額定電流的6～8倍。如果使用機組對變壓器施加額定電壓直接送電，則勵磁涌流會導致開關(guān)保護動作，出現(xiàn)開關(guān)跳閘現(xiàn)象。

為了解決勵磁涌流，如圖7所示，在機組啟動前先將所有變壓器二次側(cè)的開關(guān)手動合閘及優(yōu)先級最高的機組出口斷路器合閘，再啟動優(yōu)先級最高的機組。隨著機組轉(zhuǎn)速上升，發(fā)電電壓慢慢升高，所有的變壓器均得到充磁。如果優(yōu)先級最高的機組啟動失敗，則啟動優(yōu)先級次高的機組同樣采用先合閘再勵磁的方式啟動，以此類推。此功能通過控制器內(nèi)置的強大mLogic軟件實現(xiàn)。

圖6 反常規(guī)自同期工作流程

圖7 改進原理圖