数据中心柴油发电机组三种同期并机控制原理

卢天兵

（三菱重工业（上海）有限公司，上海 200051）

0 引 言

随着互联网及数据中心IDC行业的迅猛发展，目前柴油发电机组以其可靠性和安全性广泛应用于数据中心IDC等通信行业。数据中心备用电源通常采用N+1台柴油发电机组并机运行的方式。本文主要讲述1 500 r/m、50 Hz柴油发电机组三种同期并机控制原理。

1 并机条件及方式

1.1 并机条件

发电机同期并机必须符合4个条件：（1）相序相同；（2）电压偏差在设定限值内；（3）频率偏差在设定限值内；（4）相位偏差在设定限值内。

1.2 并机方式[1]

发电机并机方式主要分为（常规）自同期和准同期两种。（常规）自同期并机是将未投入母线的待并列发电机在不加励磁的情况下转动起来，在转速接近系统同步转速、滑差在允许的范围内时强行合闸并列，再加励磁发电，由母线将发电机拉入同步。该方式冲击电流较大，并机时间短，适用于小水电并网。准同期并机是将未投入母线的发电机加上励磁，调节其电压和频率，在满足并列条件时，使发电机的出口开关合闸，将发电机投入母线，则在发电机定子回路中的环流几乎为零，不会产生电流和电磁力矩的冲击。缺点是并机时间长，通常接近1 min。目前，该并机方式在数据中心等IT行业应用广泛。

2 准同期并机[2]

并机控制模块可以用于控制发电机准同期和市电断路器（如果安装的话）。准同期包含动态准同期和静态准同期两种，默认是动态准同期选项。

2.1 动态准同期

在动态准同期中，同步发电机运行在与母线不同的频率下，这个频率偏差叫做滑差。通常滑差为正数，即待并机的频率稍高于母线频率，目的是避免并机后产生逆功率。动态同期并机原理如图1所示。

图1中，待并发电机运行在1 503 r/m、50.1 Hz，已接入母线发电机运行在1 500 r/m、50.0 Hz，滑差为+0.1 Hz。尽管发电机处于旋转状态，但已接入母线的发电机L1相位角始终指向时钟12点，因此待并机的发电机须缩小相位差为零时才能到达同期点。同期时间为1/（50.1-50.0）=10 s，也就是说每10 s两台发电机会同期一次。

2.1.1 合闸信号

因断路器自身机械结构有动作时间，发电机并机控制器须提前一定的相位角发出合闸信号给断路器，这样实际合闸时刻相位差为0，即同期点合闸。以ABB E系列空气断路器为例，合闸时间为0.08 s，合闸继电器动作时间0.02 s，计算公式如下：

为确保合闸成功，合闸脉冲时长为100 ms（80 ms+20 ms）。

2.1.2 同期并机后的负载图形

当要并机的G2发电机的空气断路器闭合后，它将分担一部分负载。图2显示滑差频率为正时，G2发电机输出有功功率。图3显示滑差频率为负时，G2发电机吸收有功功率，这种现象叫做逆功率。

2.1.3 调 整

以DEIF AGC-200型并机控制器为例，动态同期设定参数如表1所示。

图2 正滑差

图3 负滑差（逆功率）

表1 动态同期设定参数

滑差频率包含有两个设定——“Sync dfMAX”和“Sync dfMIN”。下面举例计算说明正确设定滑差的重要性。

注解：（dfMAX+dfMIN）/2=滑差

例1：（0.3+0.0）/2=+0.15 Hz

发电机频率与母线频率间的滑差为+0.15 Hz，意味着发电机和母线之间的相位角会减少，直到进入同期点。

例2：（0.3-0.3）/2=+0 Hz

发电机频率与母线频率间的滑差为0 Hz，意味着发电机和母线之间的相位角不会减少。这种状态下，发电机相位永远不会进入同期点，因为发电机相位永远追不上母线相位。

2.2 静态准同期

在静态准同期控制模式中，发电机频率非常接近母线频率，滑差比动态小，通常在0.05 Hz以内，目的是精确寻找同期点。需要注意，当使用继电器触点调节速度时，不推荐采用静态并机，因为会使并机时间很慢。静态准同期并机原理如图4所示。

2.2.1 相位角控制

并机控制中的频率控制，会使发电机频率朝母线频率靠近。当频率偏差在0.05 Hz范围内时，相位角控制器将开始工作。

2.2.2 合闸信号

合闸信号出现在发电机L1相位指向母线相位时钟12点位置。这与断路器动作时间无关，因为滑差很小，合闸动作时间产生的延迟相位差可忽略不计。为了快速并机，需要调整合闸相位角窗口。合闸信号出现在“UGENL1”和“UBBL1”相位角之间，调整范围±0.1°～20°，如图5所示。

图4 静态准同期并机原理

图5 合闸信号

2.2.3 同期后的负载状态

同期后，机组将根据所选发电机组模式的要求更改控制器设定值。当滑差频率不被接受时，推荐采用静态同期模式。例如，几台发电机并联在一段无负载的母线上。动态和静态同期模式可以通过开关来切换选择。

2.2.4 参数设定

并机控制器静态准同期参数设定如表2所示。

表2 并机控制器静态准同期参数

3 反常规自同期及解决励磁涌流

常规自同期合闸时冲击电流较大，而准同期方法并机时间长。如果发电机直接给变压器送电，则会产生合闸励磁涌流造成断路器跳闸。并机控制器具有的励磁前合闸“CBE”（Close Before Excitation）功能可快速自同期，消除冲击电流，解决变压器励磁涌流。

3.1 反常规自同期

如图6所示，先将所有机组速度电压设定为同样的上升斜率及额定值，再启动所有发电机组。当速度上升至400 r/m时，令所有发电机GB合闸；当速度上升至900 r/m时，合上所有发电机励磁开关，此时相当于自同期。虽然各台发电机之间的相位角不同，但是由于转速低，发电机电压低，远小于额定值，故发电机之间冲击环流很小，发电机之间利用环流自行快速自同期。自同期后环流减小，所有发电机继续采用同样斜率升速，频率电压达到额定值后再给负载供电。

此方法比发电机先达到额定电压频率后再调整准同期的方法快得多。通常准同期完成最快要接近1 min，而应用此方法时，当发电机启动从静止到达额定转速自同期即同步完成，通常最快约8 s。

3.2 解决励磁涌流

变压器空载合闸时会产生励磁涌流，其值高达变压器额定电流的6～8倍。如果使用机组对变压器施加额定电压直接送电，则励磁涌流会导致开关保护动作，出现开关跳闸现象。

为了解决励磁涌流，如图7所示，在机组启动前先将所有变压器二次侧的开关手动合闸及优先级最高的机组出口断路器合闸，再启动优先级最高的机组。随着机组转速上升，发电电压慢慢升高，所有的变压器均得到充磁。如果优先级最高的机组启动失败，则启动优先级次高的机组同样采用先合闸再励磁的方式启动，以此类推。此功能通过控制器内置的强大mLogic软件实现。

图6 反常规自同期工作流程

图7 改进原理图