摘要： 在工业发电机领域，术语“并联发电机”通常是指2个或更多柴油发电机彼此物理连接，柴油发电机的电力输出同步并连接到一个公共的主配电板上的总线，这会创建一个管道，允许将组合的电力输出传送到设施。为了并联同步工作，连接的柴油发电机必须在几个规格上相互匹配，包括螺距、电压、相位和频率。本文系统阐述发电机组并联系统的四大优势（增加电源容量、优化效率、灵活维护、增加冗余），详细介绍同步指示灯法（灯光明暗法与灯光旋转法）和整步表法（准整步表法与自整步表法）两种并联操作方法，并深入分析发电机并网后有功功率和无功功率的调节原理与注意事项，为发电机组的并联运行提供理论依据和操作指导。
一、发电机组并联系统的优势
1. 增加电源容量
发电机组并联系统允许可扩展性，并且能够随着业务的增长增加额外的电力，并联系统组成如图1所示。提前规划特别容易，当需要更多功率容量时，可以将额外增加的柴油发电机连接到并联系统中，并且能方便地实现扩展发电机组的并机，令初步投资更显经济。用户可根据实际负载需求，先期投资较小容量的机组，后期再根据负载增长灵活增加机组数量，避免一次性大额投资。
2. 优化效率
在大多数应用中，电气负载不会保持恒定水平。电力需求的变化可能导致单个较大的发电机远低于其最佳电力容量，从而降低效率并可能导致燃料问题。并联系统可以很好地处理负载变化，发电机可以在额定容量的最佳75-80%下保持运行，最大限度地提高效率、燃料和维护成本。多台机组并联时，可根据负载大小自动选择投入运行机组的台数，使运行机组均处于高效区，降低单位功率的燃油消耗率。
3. 更灵活、更轻松的维护
即使在维护期间，并联运行的发电机也可以使应急备用电源系统保持活动状态。通过N+1并联配置，一台发电机可以完全离线进行维护，而其余发电机处理所需的负载。这可能会消除维护期间对租赁设备的需求，或消除完全关闭备用电源系统进行维护的风险。N+1配置中，N台机组即可满足全部负载需求，额外增加1台作为冗余，当任何一台机组需要检修时，其余N台机组仍能保障供电，不影响正常生产。
4. 为关键负载增加冗余
冗余系统如图2所示。并联系统可以设计成，如果一台发电机出现故障，电力负载会优先在系统中的其他发电机之间重新分配。这意味着即使其中一台发电机发生故障，最关键的应急元件也将具有维持电力所需的冗余。从历史上看，这一直是企业使用并行配置的主要原因之一，以创建冗余并保持电源连续性。当一台机组故障时，负载管理系统可自动卸载非关键负载，确保重要负载持续供电。
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图1 多台柴油发电机组并联示意图 |
图2 柴发机组并机冗余控制系统示意图 |
二、发电机组并联方法
检查和调整待并柴油发电机的电压、频率、初相位，使之满足准同步并车的条件，然后进行合闸，使发电机拉入同步。如果由手工完成这个过程，称为手动准同步并车操作；若由自动装置来完成，则称为自动并车操作。当待并发电机组起动，并建立了电压之后，可通过发电机控制屏上的电压表检测待并发电机电压是否与运行机的电压相等，应使电压差在±10%以内。只要发电机调压器工作正常，一般都能满足这个要求，无需特别调整。手动并车操作关键要检测和调整待并机的频率和初相位，使之满足准同步并车要求。要注意的是，不应在电网负载波动比较大（如有大功率电动机在起动、变速等）的情况下进行并车操作。一般通过“调速开关”来调节柴油机转速，使待并机的频率接近运行机的频率。然后进一步检测待并机与电网的频率差是否小于0.5 Hz，初相位是否一致。检测这两个并车条件的方法有同步指示灯法和整步表法，电路如图3所示。
1. 同步指示灯法
根据同步指示灯的不同连接方式可分为灯光明暗法和灯光旋转法。
（1）灯光明暗法。将三盏同步指示灯分别跨接在待并车发电机和运行发电机的对应相上，每个灯泡两端的电压就是两对应相之间的电压差值。灯泡上所加电压的大小随相位差的变化而变化，在频率不相等时，其相位差随时间进行周期性的变化，灯泡就明暗交替变化。当相位差为0时，三个灯泡所加电压为零，同时熄灭，当相位差为180°时，三盏灯泡所加电压最大，灯泡最亮。设频率差为Δf，则相位差为2πΔf，灯光变化一个周期所需时间为 。频差Δf越大，灯光变化的周期越短，当灯光变化周期大于2 s时，才能符合频差并车条件。为了可靠抓获在同相位点（即灯全灭时）合闸，一般调整频差0.25 Hz（周期≥4 s），然后，在灯光全灭的中间期果断合闸。
（2）灯光旋转法。将三盏同步指示灯的其中一盏接在电网与待并机的对应A相上，其余两盏分别交叉跨接在电网的B相（C相）与待并机的C相（B相）上（即三盏同步指示灯一盏对接，两盏叉接）。当频率差为Δf时，三盏灯泡轮流熄灭，频差越大灯光旋转的速度越快，频差方向改变，灯光旋转的方向也改变。手动准同步并车操作时，应选择三盏同步指示灯顺时针方向旋转，在旋转一周的时间为3～5 s，同时对接相灯熄灭而两盏叉接相灯同样亮时，果断合闸。
灯光旋转法不仅能检测频差的大小，而且可以检测频差的方向，灯光明暗法只能检测频差的大小，频差的方向需通过两频率表读数的比较才能知道。如果出现灯光明暗法变成灯光旋转法、或灯光旋转法变成灯光明暗法，原因有两种可能，一是待并机与电网相序相反；另一种是同步指示灯接线错误。
2. 整步表法
为了验证发电机组是否满足并联条件，可用电压表检查电势，是直接接法或交叉接法，并联的方法叫“准整步法”。此时还有用“自准步法”进行并联，分述如下。
（1）准整步表法。用整步表将被试发电机并联于电网，实际发电机里的并联装置，一般是在相序预先正确的情况下，然后再考虑并联方法，有的采用操作简单而装置复杂的自动控制装置，只需操作按钮即可；有的则采用习惯上叫“同期小盘”上的准步表（又叫同步指示器）来寻找合闸时机进行并联运行。“同期小盘”上还装有两只电压表和两只频率表，用来监测同步发电机和电网的电压和频率，用整步表将同步发电机投入并联运行的原理，其实质与灯光法相同，也即用整步表指示出同步发电机与电网的频率差与相位差，但相序必须正确，生产实际中一般是在安装时就已考虑其相序的问题了，实验室不用灯光法时，可用相序表来测量发电机的相序使之和电网的相序一致。通常用的整步表根据其原理的不同可分为电动式和磁电式两种，其接线和使用方法稍有不同。
（2）自整步表法。用上述方法并联的优点是能使新投入的发电机和另一台发电机不受或受轻微的冲击，但手工操作较费时，当然采用自动控制装置时新发电机并网运行，情况尚为好些，但其装置比较复杂，而当电网某机组出现事故，突然退出运行而要求起动另外一台机组并联与电网时，由于此电网的电压和频率都在不断的变化，要具备准整步条件比较困难，情况又比较紧急，于是就采用“自整步法”来实现发电机的并联运行。其方法是：先将发电机的励磁绕组，经过约等于励磁绕组电阻10倍的电阻短路，当发电机的转速升至同步速时（电机和电网的频率差在5%以内），先合上并联开关，接着加上励磁，即可利用电机的“自整步作用”使它迅速牵入同步。
图3 柴油发电机组并联接线图
三、发电机并网后的功率调节
同步发电机并网后，常常需要改变它的有功功率和无功功率。如希望增加发电机输出的有功功率，根据功率平衡的观点，只要增加原动机的输入功率。
1. 有功功率的调节
有功功率的调节即柴油机输入功率的调节，方法如图4所示。同步发电机与无穷大电网并联，当发电机刚投入电网还没有向电网送出有功负荷时，如忽略发电机空载损失，则此时发电机处于“空接”在电网上的状态。如果要向电网发出有功功率，就必须增加发电机的输入功率，增大柴油机的出力，增加柴油机的力矩。由于作用在发电机转轴上力矩的增大，就使转子加速，于是发电机主磁极的位置将逐步超前，随着主极的超前，发电机激磁电势（）将超前于端电压（电网电压 ），相应的功率角（δ）及电磁功率（）将逐步增大，这样输入功率和输出功率之间将逐步恢复平衡，保持在新的工作点同步运行。
有功功率调节应重视的几个问题：
（1）增加有功功率的速度应遵照有关规程的规定，或制造厂家的要求。有功功率增加的速度不宜太快，否则将对发电机的结构产生不利的影响。当然也不应无根据的限制有功功率增长的速度，这将延误供电时间，特别是在事故情况下，尤为重要。通常有功功率增加速率应控制在每分钟不超过额定功率的10%～20%。
（2）有功功率的调节还要特别注意柴油机输入功率的配合问题，要充分注意负荷的调整，使其协调。当增加负载时，应同时增加油门开度，避免因调速器响应滞后造成的频率下降。
（3）静态稳定问题。同步发电机的静态稳定即是指在柴油发电机组柴油机方面，运行参数发生一些微小的扰动，在扰动消除后，发电机又能恢复到原先的状态继续同步运行的能力，称为静态稳定（如图5所示）。静态稳定的极限对应于功率角δ=90°，正常运行时δ通常保持在30°～60°范围内，以留有足够的稳定裕量。
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图4 发电机并联时有功功率的调节 |
图5 发电机并联时的静态稳定 |
2. 无功功率的调节
无功功率的调节即是发电机励磁的调节。为了讨论上的方便暂假设：有功功率恒定不变（柴油机输入功率不变），要改变并网同步发电机的无功功率，根据公式：
以上两种公式中均必然满足 ；。有功功率保持不变时，调节发电机的无功功率的方法，就是改变发电机的励磁电流。
（1）正常励磁：正常励磁即发电机的全部输出功率均为有功功率，即 ，此时发电机的激磁电势为 。电枢电流全部为有功分量，无功功率为零。
（2）过励：增加发电机的励磁，使其超过“正常励磁”称为过励。此时发电机向电网输出感性无功功率，电枢电流滞后于端电压，功率因数滞后。
（3）欠励：减少发电机的励磁，使其小于“正常励磁”称为欠励。此时发电机从电网吸收感性无功功率（即输出容性无功），电枢电流超前于端电压，功率因数超前。
无功功率调节应注意的几个问题：
（1）由于发电机与无穷大电网并联运行，电网电压视为恒定值，调整励磁不会引起电压的变化。但在有限容量系统中，调节励磁会影响系统电压，需与其他机组的调压器协调动作。
（2）调节励磁可以调节无功功率，但只能调节无功功率，而不能改变有功功率。有功功率的调节必须通过改变原动机的输入功率来实现。
（3）调节励磁时应注意，不要使其超过励磁电源或发电机励磁绕组的允许值，以免出现励磁机与发电机励磁绕组过热现象。一般限制励磁电流不超过额定值的1.1～1.2倍。
（4）注意发电机电枢电流，保持不超过发电机视在功率，以防引起发电机电枢绕组过电流。电枢电流不应超过额定电流值，否则需要降低有功出力或无功出力。
总结： 柴油发电机组并联运行需满足电压、频率、相位和相序一致的条件。并联系统具有增加容量、优化效率、灵活维护和增加冗余四大优势。并车操作可采用同步指示灯法（灯光明暗法或灯光旋转法）或整步表法（准整步表法或自整步表法），频差应控制在0.25Hz以内（灯光变化周期≥4s）。并网后，有功功率通过调节柴油机油门（输入功率）实现调节，增加速度不宜过快（≤10%～20%额定功率/min），静态稳定极限对应δ=90°；无功功率通过调节励磁电流实现调节，过励输出感性无功，欠励吸收感性无功。调节励磁时应注意不超过励磁绕组允许值（≤1.1～1.2倍额定励磁电流）和电枢额定电流。并联系统通常由电气工程师或合格技术人员处理，现代控制器可自动实现负载分配和机组启停管理。
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