柴油发电机并车供电负荷均衡分配的因素

摘要：柴发机组并列后每台发电装备的负载分配器，同时投入工作，各自调整的转速，使其两台柴油发电机组的容量平均分配，通过满足并车条件后，柴发并联装置可稳定运行并实现负荷均衡，延迟设备寿命并提高供电可靠性。实际运用中需按期维保（如调速器校准、电压调节器检测）以确保性能。

      其工作原理就是根据本柴发机组的输出功率的大小（即电流的大小），自动调节发电机组的转速，使其负荷平衡。

      发电机并联供电的原理电路如图1所示，由图1可得如下两个方程式：

I——是负荷总电流。      由此可得I1和I2的表达式：

      两台发电机负载分配的均衡程度，可用两台发电机的电流差表示： 

      （公式3），（公式4），（公式5）三式是发电机负荷分配的基本表达式柴油发电机，从这三个公式可以看出，只有在U1=U2和R

和I2始终相等，各为总负荷电流的一半，即： .....................（公式6) 

       或者说两台发电机的电流差DI总等于0。      如果把调压器对负荷分配的危害考虑进去，那么发电机电压随负载变化的状况，将由调压器调节下的发电机外特点决定。由于调压器的坡率性不可能完全相同，故而在调压器调节下，两台发电机的外特点也不相同。

     并机系统结构如图2所示，要使两台发电机负载分配均衡，必须同时备下面所列因素才能实现：

（1）电压一致性与稳定性① 电压相等：并列发电机组的输出电压必须相同（允许±0.5%偏差），否则会引起环流（Circulating Current），造成能量损耗甚至装置故障。

② 电压波形同步：输出电压的幅值康明斯柴油发电机控制面板、频率和相位需保持一致，通常通过自动电压调整器（稳压板）实现。

① 频率匹配：并列发电机组的频率差需小于0.1Hz，且相位角一致（通过速度控制器调节）。

② 同步检测：需通过同步机构（如同步表、自动同步器）确保相位差接近零时闭合断路器。

① 相同的调速特点：各发电机组的调速器（Governor）需具有一致的调差率（Droop Control）或选取无差调整（Isochronous Control），确保负载变化时功率分配均匀。

② 有差调整（Droop）：负荷增加时速度略微下降，需设置相同的调差率（如3%~5%）。

③ 无差调节（Isochronous）：通过主从控制或负载分配模块（LAM）实现精准分配。

① 有功功率均衡：通过调速器调整原动机（柴油机）的油门开度，使各发电机组按额定容量比例分担有功负载（如两台同功率发电机组各承担50%）。

② 无功容量均衡：通过电压板调整励磁电流，确保无功功率按比例分配（防范一台承担全部无功负荷）。

① 并联操作界面：采用集中式或分布式控制系统，实时监测负载并调节各发电机组输出（如DEIF、ComAp、DeepSea等品牌控制屏）。

② 通信协议：发电机组间需通过CAN总线、Modbus等协议分享负载参数，确保快速响应。

② 电缆阻抗匹配：并机母线至各发电机组的电缆长度、截面积应接近，避免因阻抗差异致使分配不均。

② 允许差异：不同功率发电机组需通过控制系统设置容量分配比例（如30%/70%）。

      并机供电系统即便是在空载电压，坡率系数和正线电阻的差值不是太大的情形下作业，电流差也是很大的，远无法满足负荷分配均衡的要求。为了提升负载分配的均衡性，而在调压器中增设均衡元件。因为调压器型式不同，选择的均衡元件也各异。

      带炭片调压器的并车供电系统，通过调压器铁芯上的均衡线圈Weq与接在发电机负极电路中的负极电阻构成R-均衡电路。

      负极电阻是由电阻温度系数很小的镍铬合金制成，阻值很小，通常两个负极电阻的阻值相等R-1=R

，两个均衡线，阻值也相等。      如果负荷分配不均衡，设I

I2，则A，B两点电位不相等，于是就有电流自B点经过Weq2和Weq1流向A点，出现相应的磁势。在输出电流大的发电机调压器中，均衡线圈磁势与工作线圈磁势方向相同康明斯发电机生产厂家，使调压器铁芯合成磁势提高，调整点电压U1减少；输出电流小的发电机调压器，均衡线圈磁势与作业线圈磁势方向相反，使铁芯合成磁势减弱，调整点电压U2升高。结果原来输出电流大的发电机输出电流I1减少，原输出电流小的发电机输出电流I2增大，使负载分配趋于均衡。      可见，均衡线圈减轻电流差的实质是将与电流差有关的信号反馈到调压器的检验电路，借以改变调整点的电压，从而提升负荷分配的均衡性。

      以JTY-12型晶体管调压器为例，调压器电路中，R24为均衡电阻，阻值较小为10W。两个均衡电阻的一端接于发电机负端A，B两点，为了取出电流差信号，发电机负端是通过负极电阻接地的。

      设由于某种起因造成发电机负载不平衡且I1I2，此时jAjB，若均衡电路接通，均衡电阻上的压降IeqR24使第一台发电机的调压器敏感点的电压Ua升高，励磁控制电路晶体管的导通比减轻，平均励磁电流减少，发电机电压U1减少，输出电流I1减轻；第二台发电机的调压器敏感点的电压Ua2减小，励磁控制电路晶体管的导通比增大，平均励磁电流增大，发电机电压U2升高，输出电流I2增大，较终使得电流差DI=I

      可见均衡电阻均衡负载的基础原理是：将敏感到的电流差信号，反馈到调压器的检修电路，借以改变检比电路输出的偏差信号，使容量管的导通比改变，发电机调节点电压改变，从而使电流差减小，达到均衡负荷的目的。这与炭片调压器中均衡线圈均衡负载的原理是相似的。      上述发电机的空载电压Uo，正线电阻R+和调压器的坡率系数K直接影响着负载的分配，此外，还有一些要素则是通过以上几种参数间接影响负荷分配的，如激磁电路电阻，发电机正极至反流割断器“F”之间的线路电阻等，这里不再陈说。

随着电子技术、动态控制理论及机械制造技术的进步，现代并机柜已经是高度自动化的性能优良的电子设备。它不仅能监控同型号、同输出功率的柴发机组的并机，而且还能实现不一样规格、不同输出容量的机组的并联运转，还可以将柴油发电机组并入电网网上运行。

       并联系统的工作机理如图3、图4所示。1号、2号柴油发电机组启动后，分别通过各自的信号线将本机的相序、频率、瞬时电压、瞬时相位、波形等数据送入同步监控及显示单元。在这里第一条方式就是鉴别参与并联运行的各机组输出的三相线电压是否相序对应一致。这也是整个系统的开关，只有一致了，下面的程序才可运转，否则就会报警开指示“非法”。其它的数据经过该单元的调理、运算并与设定的标定参数相比较;对于还未达到并机因素的参数，则同步监控及显示单元会给出相应的误差调整信号，通过B1、B2两条信号线送至相连接的*监控系统及自动负载分配单元。该单元综合整个机构的运行数据得出调控参量，再通过各机组的自动同步单元去调控柴发机组的相应系统，使其相关运行数据解决误差。一切符合并联要素后，同步监控及显示单元即通过C1、C2两条信号线向自动空气开关发出闭合指令。各发电机组的三相电在母排上汇合，共同向负载供电。同步监控及显示单元实时显示已并联运行机组的一致的数据;如电压、电流(均以有效值表示)相位、相序(常以指示灯表示)、有功功率等。

      并联运转的机组在实载运行的流程中，各机组电力输出线上的容量取样单元将电压、电流、有功容量和功率因数实时送入中央控制界面及自动负载分配单元。这些信息经过剖析、运算后，求出即时的有功功率和无功容量，以及与其它机组的申央监控系统及自动负载分配单元的相关参数进行比较后的差别量，一起送入各自的自动同步单元。核单元将这些差异量变成控制柴油发动机转速和同步发电机励磁电流的等值信号，从而使柴油发电机组的运转数据得以相应的改变，达到各并车运转机组对有功功率和无功功率平均分配的目的。

      现代柴发机组的用户大多强调供电的可靠性，所以在采取UPS并列冗余运行模式下，对柴发机组的运行也普遍运用了N十l的冗余运转模式，以便与UPS共同构成双保险的高可靠供电装置。在这种需求情势下，以并车板为核心的机组并列控制步骤成为主流。并车板作为柴发机组控制柜的一个选件，不仅体积小操作方便，更重要的是各制造销售中心生产的并列板普遍选用了16位或32位的高级微排除器，集成了新的方式语言和动态控制算法，其性能比体积庞大的并机柜更为优越。同类型、型号的柴发机组如果需要两台或多台并列运行，只要在各机组控制柜的备用插槽插入并联板，并连接好信号线，就可以实现自动并机运行。

      并机板的控制逻辑和并联柜基本上是一样的。只是由于它的核心是高性能的微排除器，故而参数运算精度更高，调节转速更快。并车板监控并列运行的柴油发电机组的主要目标仍然是有功容量和无功容量在各机组之间的平均分配。而决定这两项关键数据的就是柴油发动机的速度和同步发电机的励磁电流。为此，并车板的数据分析，运算、控制逻辑也主要是求解出对本机的发动机转速调节和对同步发电机励磁电流调节的变化量。

由于除发电机空载电压不等出现的电流差不随负载变化外，其他诸参数不等出现的电流差都随负荷增大而增大，于是对负载均衡性的要点具体着眼点是在接近额定负荷时，两台发电机输出的电流不能相差太大，以免使输出电流大的发电机因过载烧毁。