小型发电机在地铁应急现场的并机运行研究

陈崇焜，周大林，肖涛古，陈奕富，张少峰，陆启民

（广州地铁集团有限公司，广州 510330）

0 引言

小型发电机体积小、质量轻、便于运输，非常适合作为应急电源，目前广泛应用于地铁的各种场合，尤其在一些大型发电机无法到达的区域，小型发电机的便携优势显得尤为重要，为应急工作提供重要的帮助。但小型发电机容量偏低，无法满足一些大功率应急设备（如水泵、风机等）的工作要求。

为满足现场实际负荷需求，考虑将多台小型发电机进行并机以达到扩大容量。目前发电机并机技术多用于大容量发电机组，在小型发电机领域无相关产品或指导。地铁日常运营管理中，为方便运输，现场配置了较多小型发电机，但若遇到区间水泵或隧道风机等大功率负荷时，小型发电机因容量不足无法满足这类负荷的要求，为充分发挥小型发电机的作用，本文针对现场两台或多台小型发电机并机运行的可行性进行研究，提出一种适用于现场的并机操作方式，并通过精确调整发电机输出电压的电压及频率，利用双通道示波器监测两台发电机的输出电压，寻找合适的并机时间点对两台发电机进行并机操作，该方法简单易行，可在地铁任何现场实现并机。

1 小型发电机并机运行基本要求

发电机并机，是指两台或多台发电机并联在一起向负荷供电。两台发电机并机运行时，为了避免两台发电机之间发生电流的冲击和转轴突然受到扭矩，应使两台发电机输出的每相的电动势瞬时值一直相等，此条件包含4条要求［1］：（1）两台发电机的频率相同；（2）两台发电机的波形相同；（3）两台发电机的电压、相位相同；（4）两台发电机的相序相同。

如果频率不同，两台发电机的电压相量之间有相对运动，将产生数值一直在变化的环流，引起电机内的功率振荡。如果波形不同，则在两台发电机内产生高次谐波环流，使发电机的运行损耗和温升升高。如果电压的大小和相位不一致，则会在两台发电机之间产生环流，若极性相反时进行并机操作，瞬间的环流数值可达到20～30倍的电机额定电流，该环流在发电机里产生巨大的电磁力冲击，损坏其定子绕组端部。如果相序不同，则两台发电机的某一相输出之间存在很大的电位差，这个电位差会产生巨大的环流和转矩冲击，严重损坏发电机。

2 小型发电机并机运行的方法及原理

常用的发电机并机方法有两种：（1）准确同步法，将两台发电机调整到满足文前所提的并机运行条件后再进行并机的操作；（2）自同步法，将其中一台发电机的励磁绕组经限流电阻短路，当该发电机转速升到和另一台发电机转速相近时（两台发电机频率相差±5%）进行并机，然后马上恢复该发电机励磁。

本文的并机操作基于准确同步法，使用准确同步法进行并机时，冲击电流很小，有利于保护发电机。基本原理如下：设两台发电机的相序相同，由于两台发电机输出电压的中性点是等电位，假设两台发电机的电压相同、但频率不同，可得到两台发电机的电压向量如图1所示。图中：Ua1、Ub1、Uc1为发电机1三相输出电压；Ua2、Ub2、Uc2为发电机2三相输出电压；w1为发电机1角频率；w2为发电机2角频率；Ua1＝Ua2，Ub1＝Ub2，Uc1＝Uc2。由图可知，因为两台发电机的频率不同，则w1≠w2，因此发电机2的各相输出电压会以（w1-w2）的角速度对发电机1的各相输出电压进行旋转。在旋转过程中，两台发电机的输出电压差以ΔU表示，以A相为例，可知在旋转过程中，当Ua1与Ua2重合时，ΔUa＝0；当Ua1与Ua2反相时，ΔUa＝-2Ua1；即ΔUa会在0～-2Ua1之间交替变化。

图1 两台发电机的电压向量图

显然，当ΔU＝0时进行并机操作最为合适，冲击电流为0。并机后，ΔU又会缓慢变大，这时候其中一台发电机会自动牵入同步，这种作用称为自整步作用。自整步作用的原理如下：由于两台发电机的频率不同，并机后，在ΔU的作用下，两台发电机之间会产生环流，由于同步电抗远大于电阻，因此环流与频率较低的发电机形成负电磁功率，与频率较高的发电机形成正电磁功率；频率较低的发电机在负电磁功率的作用下，其轴上受到驱动的电磁转矩，成为电动机状态，转速逐渐上升；频率较高的发电机在正电磁功率的作用下，其轴上收到制动的电磁转矩，使电机的转速降低。两台发电机并机后，在ΔU的作用下会各自调整自己的转速，直到两台发电机的转速一样，这个相互匹配的过程，称为牵入同步。

3 两台小型发电机并机操作

按照并机的基本要求，将两台发电机的输出通过一个断路器作为并机MCB连接，使用双通道示波器监测两台发电机输出的电压和频率。装置接线如图2所示。

图2 并机测试接线

并机前，先通过调整两台发电机的AVR［2-3］或油门等方式，使两台发电机的输出电压有效值及频率基本一致，误差控制在1%以内，误差越小，并机时的冲击电流越小，有利于提高并机成功率及保护发电机。

通过示波器观察两台发电机的输出波形如图3所示。因为两发电机的输出频率仍存在细微的差别，所以，两个发电机的输出波形仍会有轻微的相对运动，但相对运动较为缓慢。

图3 两台发电机的输出波形

下一步，密切观察示波器中两个波形的相对运动，当发现两个波形重合的瞬间，迅速合上并机MCB。并机瞬间，其中一台发电机可能会有轻微的抖动或者有个加大出力的反应，这个属于正常现象，原因是两台发电机在进行上文提到的牵入同步的过程。检查两台发电机的输出MCB及并机MCB是否跳闸，两台发电机的运行声音是否平稳，若无异常，说明并机成功。并机后，示波器中的波形如图4所示。

图4 并机成功后的输出波形

若两个发电机工作正常，并机后并机线中应无电流。若检测到存在较大电流，说明其中一台发电机一直无法完成牵入同步，同时以电动机的状态，成为了另一台发电机的负荷。遇到该情况，应断开并机开关，检查两台发电机是否存在故障。主要检查以下功能：（1）两台发电机是否能正常调整电压；（2）两台发电机是否能正常调整频率；（3）两台发电机是否能正常带负荷。若以上功能异常，一般是由于发电机的电子调速器、调压器或控制器故障所导致［4］，应重点检查以上部件的功能。

4 发电机并机的停机

当不再需要为负荷供电，需停止发电机的并机运行时，应按以下步骤进行：（1）将所带负荷停机；（2）断开两台发电机之间的并机MCB（图2）；（3）断开两台发电机的输出开关；（4）将两台发电机停机。

5 两台小型发电机并机负载试验

为验证并机后的带负荷能力，本文分别进行相同及不同容量发电机的并机带不同类型负荷的负荷试验。

5.1 两台同功率发电机并机负载试验情况

使用两台5 kVA发电机并机后，通过变频器启动一台7 kW的抽水泵，测量水泵电流及两台发电机的输出电流曲线如图5所示。由图可知，随着水泵的启动，水泵电流在逐步上升，两台发电机的输出电流也同时上升，可发现，两台发电机的输出电流基本均等，即两台电机的出力基本均等，共同承担了水泵负荷。并机带负荷，实质是两台发电机之间的功率分配。发电机并机运行后，在稳定状态下，两台发电机的有功功率分配是由发电机的功频特性决定的，只有当两台发电机的调差系数相同时，两台发电机分担的功率才与本身的容量成比例［4］。但两台发电机的调差系数无法绝对一致，因此，即使两台型号相同的发电机，在实际带负荷时，有功功率的分配也不是绝对平均的。

图5 同功率发电带负载情况

5.2 两台不同功率发电机并机负载试验情况

使用一台5 kVA发电机与一台8 kVA发电机并机后，逐步增加负荷，测量总电流及两台发电机的输出电流曲线如图6所示。可见，随着负荷的逐步增加，两台发电机的输出电流也同时上升。观察各自电流可发现，两台发电机的输出电流与发电机的容量相关，发电机容量越大，其分担的负荷电流也越大。当负荷持续增加，小容量发电机首先达到其额定输出电流并保持稳定，随后负荷继续增加，但小容量发电机输出电流将不再变大，后续增加的负荷由大容量发电机负担。

图6 不同功率发电机带负载情况

5.3 发电机并机后带远距离大功率负荷情况

发电机并机后，带远距离的大功率负荷（区间水泵）进行测试。测试发现，若负荷采用直接启动的方式，全压启动电机时，其启动电流可达到电机额定电流的3～7倍［5］，将造成发电机的电压急剧下降，导致负荷无法正常启动［6］，如图7所示。

图7 大功率负荷启动瞬间电压波形

同时，由于两台发电机的输出电流并不完全一致，所以两台发电机被拉低的压降也存在差异，这会导致两台发电机发生功率震荡并产生强烈抖动，破坏了两台发电机的同步状态，严重情况下，会引起发电机输出跳闸或损坏发电机。

产生功率震荡的原因有很多，按类型分，主要有自由震荡、强迫震荡两种。自由震荡一般是由于负载的突然变化，如投切大功率负荷或者系统发生短路故障；强迫震荡一般发生在三相负载不平衡时，导致发电机发生的周期性震荡［7-8］。

除了电机启动的原因，电能在长距离输送的过程中，由于线路阻抗的存在，线路上会产生电压损失，导致负荷处的电压会比发电机输出的电压要低［9］，距离越长，线路阻抗的影响越大。因此，发电机并机后，若其负荷为远距离的大功率负荷，为保证并机输出正常，应保证以下条件：（1）并机发电机总容量应大于负荷功率两倍或以上；（2）并机发电机的放置点应尽量接近负荷，减少供电电缆的长度；（3）供电电缆使用大线径的电缆；（4）尽量采用星三角启动［10］、变频启动或软起动等方式启动负荷［11］。

6 结束语

目前发电机并机技术主要应用在大容量发电机上，但地铁抢险现场多使用小容量发电机，为解决小容量发电机在抢险现场容量不足的问题，本文从电机并机的原理着手，提出了一种适用于地铁现场的发电机并机方法。通过该并机方法，可以任意现场实现两台或多台发电机的并机运行。并且通过现场并机试验及各种情况下的负荷试验，验证了该方法的可行性，同时针对试验过程中遇到的一些常见问题（如功率分配、功率震荡等），给出相关的建议及解决方案。以上工作表明在地铁抢险现场工作中，将两台或多台小型发电机通过并机运行的方式向大功率负荷供电，可作为在现场应急工作的一种应急电源解决方案。