數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組三種同期并機(jī)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(jī)組以其可靠性和安全性廣泛應(yīng)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(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行的方式。本文主要講述1 500 r/m、50 Hz柴油發(fā)電機(jī)組三種同期并機(jī)控制原理。

1 并機(jī)條件及方式

1.1 并機(jī)條件

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

1.2 并機(jī)方式[1]

發(fā)電機(jī)并機(jī)方式主要分為（常規(guī)）自同期和準(zhǔn)同期兩種。（常規(guī)）自同期并機(jī)是將未投入母線的待并列發(fā)電機(jī)在不加勵(lì)磁的情況下轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)強(qiáng)行合閘并列，再加勵(lì)磁發(fā)電，由母線將發(fā)電機(jī)拉入同步。該方式?jīng)_擊電流較大，并機(jī)時(shí)間短，適用于小水電并網(wǎng)。準(zhǔn)同期并機(jī)是將未投入母線的發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，調(diào)節(jié)其電壓和頻率，在滿足并列條件時(shí)，使發(fā)電機(jī)的出口開關(guān)合閘，將發(fā)電機(jī)投入母線，則在發(fā)電機(jī)定子回路中的環(huán)流幾乎為零，不會(huì)產(chǎn)生電流和電磁力矩的沖擊。缺點(diǎn)是并機(jī)時(shí)間長，通常接近1 min。目前，該并機(jī)方式在數(shù)據(jù)中心等IT行業(yè)應(yīng)用廣泛。

2 準(zhǔn)同期并機(jī)[2]

并機(jī)控制模塊可以用于控制發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期和市電斷路器（如果安裝的話）。準(zhǔn)同期包含動(dòng)態(tài)準(zhǔn)同期和靜態(tài)準(zhǔn)同期兩種，默認(rèn)是動(dòng)態(tài)準(zhǔn)同期選項(xiàng)。

2.1 動(dòng)態(tài)準(zhǔn)同期

在動(dòng)態(tài)準(zhǔn)同期中，同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行在與母線不同的頻率下，這個(gè)頻率偏差叫做滑差。通?；顬檎龜?shù)，即待并機(jī)的頻率稍高于母線頻率，目的是避免并機(jī)后產(chǎn)生逆功率。動(dòng)態(tài)同期并機(jī)原理如圖1所示。

圖1中，待并發(fā)電機(jī)運(yùn)行在1 503 r/m、50.1 Hz，已接入母線發(fā)電機(jī)運(yùn)行在1 500 r/m、50.0 Hz，滑差為+0.1 Hz。盡管發(fā)電機(jī)處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，但已接入母線的發(fā)電機(jī)L1相位角始終指向時(shí)鐘12點(diǎn)，因此待并機(jī)的發(fā)電機(jī)須縮小相位差為零時(shí)才能到達(dá)同期點(diǎn)。同期時(shí)間為1/（50.1-50.0）=10 s，也就是說每10 s兩臺(tái)發(fā)電機(jī)會(huì)同期一次。

2.1.1 合閘信號(hào)

因斷路器自身機(jī)械結(jié)構(gòu)有動(dòng)作時(shí)間，發(fā)電機(jī)并機(jī)控制器須提前一定的相位角發(fā)出合閘信號(hào)給斷路器，這樣實(shí)際合閘時(shí)刻相位差為0，即同期點(diǎn)合閘。以ABB E系列空氣斷路器為例，合閘時(shí)間為0.08 s，合閘繼電器動(dòng)作時(shí)間0.02 s，計(jì)算公式如下：

為確保合閘成功，合閘脈沖時(shí)長為100 ms（80 ms+20 ms）。

2.1.2 同期并機(jī)后的負(fù)載圖形

當(dāng)要并機(jī)的G2發(fā)電機(jī)的空氣斷路器閉合后，它將分擔(dān)一部分負(fù)載。圖2顯示滑差頻率為正時(shí)，G2發(fā)電機(jī)輸出有功功率。圖3顯示滑差頻率為負(fù)時(shí)，G2發(fā)電機(jī)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(jī)控制器為例，動(dòng)態(tài)同期設(shè)定參數(shù)如表1所示。

圖2 正滑差

圖3 負(fù)滑差（逆功率）

表1 動(dòng)態(tài)同期設(shè)定參數(shù)

滑差頻率包含有兩個(gè)設(shè)定——“Sync dfMAX”和“Sync dfMIN”。下面舉例計(jì)算說明正確設(shè)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(jī)頻率與母線頻率間的滑差為+0.15 Hz，意味著發(fā)電機(jī)和母線之間的相位角會(huì)減少，直到進(jìn)入同期點(diǎn)。

例2：（0.3-0.3）/2=+0 Hz

發(fā)電機(jī)頻率與母線頻率間的滑差為0 Hz，意味著發(fā)電機(jī)和母線之間的相位角不會(huì)減少。這種狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)相位永遠(yuǎn)不會(huì)進(jìn)入同期點(diǎn)，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)相位永遠(yuǎn)追不上母線相位。

2.2 靜態(tài)準(zhǔn)同期

在靜態(tài)準(zhǔn)同期控制模式中，發(fā)電機(jī)頻率非常接近母線頻率，滑差比動(dòng)態(tài)小，通常在0.05 Hz以內(nèi)，目的是精確尋找同期點(diǎn)。需要注意，當(dāng)使用繼電器觸點(diǎn)調(diào)節(jié)速度時(shí)，不推薦采用靜態(tài)并機(jī)，因?yàn)闀?huì)使并機(jī)時(shí)間很慢。靜態(tài)準(zhǔn)同期并機(jī)原理如圖4所示。

2.2.1 相位角控制

并機(jī)控制中的頻率控制，會(huì)使發(fā)電機(jī)頻率朝母線頻率靠近。當(dāng)頻率偏差在0.05 Hz范圍內(nèi)時(shí)，相位角控制器將開始工作。

2.2.2 合閘信號(hào)

合閘信號(hào)出現(xiàn)在發(fā)電機(jī)L1相位指向母線相位時(shí)鐘12點(diǎn)位置。這與斷路器動(dòng)作時(shí)間無關(guān)，因?yàn)榛詈苄?，合閘動(dòng)作時(shí)間產(chǎn)生的延遲相位差可忽略不計(jì)。為了快速并機(jī)，需要調(diào)整合閘相位角窗口。合閘信號(hào)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(zhǔn)同期并機(jī)原理

圖5 合閘信號(hào)

2.2.3 同期后的負(fù)載狀態(tài)

同期后，機(jī)組將根據(jù)所選發(fā)電機(jī)組模式的要求更改控制器設(shè)定值。當(dāng)滑差頻率不被接受時(shí)，推薦采用靜態(tài)同期模式。例如，幾臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)在一段無負(fù)載的母線上。動(dòng)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(shè)定

并機(jī)控制器靜態(tài)準(zhǔn)同期參數(shù)設(shè)定如表2所示。

表2 并機(jī)控制器靜態(tài)準(zhǔn)同期參數(shù)

3 反常規(guī)自同期及解決勵(lì)磁涌流

常規(guī)自同期合閘時(shí)沖擊電流較大，而準(zhǔn)同期方法并機(jī)時(shí)間長。如果發(fā)電機(jī)直接給變壓器送電，則會(huì)產(chǎn)生合閘勵(lì)磁涌流造成斷路器跳閘。并機(jī)控制器具有的勵(lì)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(lì)磁涌流。

3.1 反常規(guī)自同期

如圖6所示，先將所有機(jī)組速度電壓設(shè)定為同樣的上升斜率及額定值，再啟動(dòng)所有發(fā)電機(jī)組。當(dāng)速度上升至400 r/m時(shí)，令所有發(fā)電機(jī)GB合閘；當(dāng)速度上升至900 r/m時(shí)，合上所有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁開關(guān)，此時(shí)相當(dāng)于自同期。雖然各臺(tái)發(fā)電機(jī)之間的相位角不同，但是由于轉(zhuǎn)速低，發(fā)電機(jī)電壓低，遠(yuǎn)小于額定值，故發(fā)電機(jī)之間沖擊環(huán)流很小，發(fā)電機(jī)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(jī)繼續(xù)采用同樣斜率升速，頻率電壓達(dá)到額定值后再給負(fù)載供電。

此方法比發(fā)電機(jī)先達(dá)到額定電壓頻率后再調(diào)整準(zhǔn)同期的方法快得多。通常準(zhǔn)同期完成最快要接近1 min，而應(yīng)用此方法時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)從靜止到達(dá)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(lì)磁涌流

變壓器空載合閘時(shí)會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，其值高達(dá)變壓器額定電流的6～8倍。如果使用機(jī)組對(duì)變壓器施加額定電壓直接送電，則勵(lì)磁涌流會(huì)導(dǎo)致開關(guān)保護(hù)動(dòng)作，出現(xiàn)開關(guān)跳閘現(xiàn)象。

為了解決勵(lì)磁涌流，如圖7所示，在機(jī)組啟動(dòng)前先將所有變壓器二次側(cè)的開關(guān)手動(dòng)合閘及優(yōu)先級(jí)最高的機(jī)組出口斷路器合閘，再啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高的機(jī)組。隨著機(jī)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(jí)最高的機(jī)組啟動(dòng)失敗，則啟動(dòng)優(yōu)先級(jí)次高的機(jī)組同樣采用先合閘再勵(lì)磁的方式啟動(dòng)，以此類推。此功能通過控制器內(nèi)置的強(qiáng)大mLogic軟件實(shí)現(xiàn)。

圖6 反常規(guī)自同期工作流程

圖7 改進(jìn)原理圖