數據中心柴油發電機組三種同期并機控制原理

盧天兵

（三菱重工業（上海）有限公司，上海 200051）

0 引 言

隨著互聯網及數據中心IDC行業的迅猛發展，目前柴油發電機組以其可靠性和安全性廣泛應用于數據中心IDC等通信行業。數據中心備用電源通常采用N+1臺柴油發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；（3）頻率偏差在設定限值內；（4）相位偏差在設定限值內。

1.2 并機方式[1]

發電機并機方式主要分為（常規）自同期和準同期兩種。（常規）自同期并機是將未投入母線的待并列發電機在不加勵磁的情況下轉動起來，在轉速接近系統同步轉速、滑差在允許的范圍內時強行合閘并列，再加勵磁發電，由母線將發電機拉入同步。該方式沖擊電流較大，并機時間短，適用于小水電并網。準同期并機是將未投入母線的發電機加上勵磁，調節其電壓和頻率，在滿足并列條件時，使發電機的出口開關合閘，將發電機投入母線，則在發電機定子回路中的環流幾乎為零，不會產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，該并機方式在數據中心等IT行業應用廣泛。

2 準同期并機[2]

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

2.1 動態準同期

在動態準同期中，同步發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，即待并機的頻率稍高于母線頻率，目的是避免并機后產生逆功率。動態同期并機原理如圖1所示。

圖1中，待并發電機運行在1 503 r/m、50.1 Hz，已接入母線發電機運行在1 500 r/m、50.0 Hz，滑差為+0.1 Hz。盡管發電機處于旋轉狀態，但已接入母線的發電機L1相位角始終指向時鐘12點，因此待并機的發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兩臺發電機會同期一次。

2.1.1 合閘信號

因斷路器自身機械結構有動作時間，發電機并機控制器須提前一定的相位角發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發電機輸出有功功率。圖3顯示滑差頻率為負時，G2發電機吸收有功功率，這種現象叫做逆功率。

2.1.3 調 整

以DEIF AGC-200型并機控制器為例，動態同期設定參數如表1所示。

圖2 正滑差

圖3 負滑差（逆功率）

表1 動態同期設定參數

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

發電機頻率與母線頻率間的滑差為+0.15 Hz，意味著發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

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

2.2 靜態準同期

在靜態準同期控制模式中，發電機頻率非常接近母線頻率，滑差比動態小，通常在0.05 Hz以內，目的是精確尋找同期點。需要注意，當使用繼電器觸點調節速度時，不推薦采用靜態并機，因為會使并機時間很慢。靜態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，會使發電機頻率朝母線頻率靠近。當頻率偏差在0.05 Hz范圍內時，相位角控制器將開始工作。

2.2.2 合閘信號

合閘信號出現在發電機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，因為滑差很小，合閘動作時間產生的延遲相位差可忽略不計。為了快速并機，需要調整合閘相位角窗口。合閘信號出現在“UGENL1”和“UBBL1”相位角之間，調整范圍±0.1°～20°，如圖5所示。

圖4 靜態準同期并機原理

圖5 合閘信號

2.2.3 同期后的負載狀態

同期后，機組將根據所選發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，推薦采用靜態同期模式。例如，幾臺發電機并聯在一段無負載的母線上。動態和靜態同期模式可以通過開關來切換選擇。

2.2.4 參數設定

并機控制器靜態準同期參數設定如表2所示。

表2 并機控制器靜態準同期參數

3 反常規自同期及解決勵磁涌流

常規自同期合閘時沖擊電流較大，而準同期方法并機時間長。如果發電機直接給變壓器送電，則會產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，再啟動所有發電機組。當速度上升至400 r/m時，令所有發電機GB合閘；當速度上升至900 r/m時，合上所有發電機勵磁開關，此時相當于自同期。雖然各臺發電機之間的相位角不同，但是由于轉速低，發電機電壓低，遠小于額定值，故發電機之間沖擊環流很小，發電機之間利用環流自行快速自同期。自同期后環流減小，所有發電機繼續采用同樣斜率升速，頻率電壓達到額定值后再給負載供電。

此方法比發電機先達到額定電壓頻率后再調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，當發電機啟動從靜止到達額定轉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保護動作，出現開關跳閘現象。

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的開關手動合閘及優先級最高的機組出口斷路器合閘，再啟動優先級最高的機組。隨著機組轉速上升，發電電壓慢慢升高，所有的變壓器均得到充磁。如果優先級最高的機組啟動失敗，則啟動優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置的強大mLogic軟件實現。

圖6 反常規自同期工作流程

圖7 改進原理圖