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功能说明与康明斯知识 |
柴油发电机组并联控制的供电接线方法（图解） |
摘要：所谓的并机模式是指将至少两台以上的相同电压和转速的发电机组并联起来，相当于二合一的结合体共同承担对同一用电负载进行电力输出。简单地说便是1+1=2的过程，随着负载的增大，用户单位如今普遍喜欢采取N+1供配电模式。N+1意味着若干的柴油发电机组数量，同时输出连接电缆或母排随之急剧增加，因此接线会变得更加复杂。康明斯发电机公司特此撰文阐明柴油发电机组配置原则、并行使用的好处及多台并联的技术条件，借此防止用户由于错误接线造成柴发出现不可逆转的事故。
一、并联系统的配置原则
柴油发电机组并机系统是一项成熟的配电技术，配置的核心是在保障供电可靠性和运行经济性的前提下，确保电能质量与系统安全。基于国家标准《民用建筑电气设计标准》GB51348-2019及行业通行做法，以下是多台柴油发电机组并机系统的关键配置原则：
1、容量配置与机组选型原则
合理的容量与台数配置，是系统安全、高效运行的基础。
（1）台数限制与总容量：为保障并机系统的稳定性和可靠性，机组的并机台数并非越多越好。根据规范，应急发电机组并机不宜超过4台，备用发电机组则不宜超过7台。同时，对于常用的400V低压机组，并机后的总容量不宜超过3000kW。
（2）机组匹配性：并机运行的柴油发电机组，应优先选择型号、规格和特性相同的机组及配套设备。不同品牌、新旧程度或功率差异过大的机组并机，会导致功率分配不均，严重时可能引发机组故障。不同容量的机组若需并机，其单机容量比不宜超过3:1，且需具备相似的调速特性。
（3）功率计算：
发电机组的容量需按以下三种工况计算后的最大值确定：
① 按稳定负荷：计算连续供电时的总容量需求。
② 按最大单台电动机启动：核算启动冲击电流对系统的影响。
③ 按允许电压降：确保大电机启动时，母线电压不低于规定值（有电梯负荷时不低于80%，无电梯负荷时不低于75%）。
2、关键技术控制原则
并机系统需要专门的控制装置来解决功率分配、同步并网等问题。
（1）强制“三同时”条件：并机瞬间，待并机组必须与正在运行的母线电压、频率、相位完全相同，这是并机成功的物理前提。
（2）自动化控制：基于上述条件的苛刻性，规范和技术专家均强烈建议采用全自动并机柜，而非依赖人工经验的手动并机。手动操作的成功率极低，风险极高。
（3）功率均分：
① 有功功率（P）：通过调速器（自动调频调载装置）控制，确保各机组按额定功率比例分担有功负载。在20%-100%负载范围内，功率分配差度应符合规范要求（通常同规格机组不超过±10%）。
② 无功功率（Q）：通过调压器（AVR）控制，确保无功电流（影响电压稳定）均匀分配，避免机组间产生过大环流。
③ 中性点接地：多机并列运行时，每台机组的中性点均应经刀开关或接触器接地，但正常运行时只能有一点直接接地，以防止谐波环流。
3、运行策略与管理原则
为了平衡机组磨损并应对不同负载，控制系统通常具备多种运行模式：
（1）均衡运行：系统自动统计机组运行时间，优先启动运行时间最少的机组，并定时轮换，使各机组寿命均衡。
（2）按需加载（AVS）：当负载率低于设定下限（如单机功率的75%）时，系统自动解列（退出）一台机组；当负载率高于设定上限（如75%）时，自动启动并同步并入一台机组。这能有效避免“大马拉小车”造成的燃油浪费。
（3）全开启动：在消防或一级负荷等应急场景下，系统可设置为所有机组同时启动、快速并机，以最快速度带载。
4、安全与电气保护原则
（1）防止反送电：发电机组电源严禁与市电电网并列运行，必须设置具备机械与电气双重互锁的自动转换开关（ATS），防止向电网反送电，这是保障电网检修人员生命安全的核心红线。
（2）保护配置：并机柜及发电机出口应配置完善的短路、过负荷及剩余电流动作保护电器。
二、并联运行的好处
相比于单台大功率机组，多台柴油发电机组并联运行好处可以概括为四个字：灵活、可靠、省钱。具体来说，主要体现在以下几个方面：
1、增强系统灵活性与扩展能力
（1）适应负荷变化：可根据实时负荷需求，灵活调整投入运行的机组数量，实现精确的“按需供电”。
（2）分阶段投资：初期用电负荷较小时，可以先安装一台机组。未来业务扩张、负荷增加时，再并联增加新的机组，有效保护初期投资。单台大机组则难以这样做。
举例：在一家大型工厂，在拥有一台已使用2年的500kVA康明斯发电机组，当工厂需要扩张时，但又不想扔掉旧的柴油发电给，而这台柴油发电机又不能满足工厂的日常用电需求，没有足够的电力可保障正常的生产。在这种情况下，可能会考虑在系统中添加第二台柴油发电机，比如另一台500kVA的康明斯发电机组，这将会为您提供1000kVA的功率。
2、增加冗余
并联系统不依赖单台机组。如果其中一台发生故障或需要检修，其他机组可以继续供电，只是总输出功率会相应降低。这相当于有了N+1的冗余备份，尤其适合数据中心、医院等对供电连续性要求极高的场所。
通过向您的电力系统中添加额外的柴油发电机，您可以增加冗余并使系统更加可靠。例如，您的总功率要求为2000kVA，但您需要购买更大的柴油发电机来解决负载接受问题，比如3000kVA。相反，您可以并行购买6x500kVA的柴油发电机。如果出现单一故障，如果您配置的是一台3000kVA的柴油发电机，那么，当这一台3000kVA的柴油发电机无法运行时，您将没有电源可用。而如果你配置的是并行6x500kVA的柴油发电机，在这种情况下，当6x500kVA设备之一无法运行时，您仍然可以使用2500kVA，从而为您提供一些冗余。
3、降低配置成本
添加额外的柴油发电机似乎是一项昂贵的投入，但对于许多用例而言，与其他解决方案相比，整个系统实际上可能更便宜。比如说约500kVA的康明斯发电机组被用于许多应用。超过这个规模，应用程序的数量和生产的数量会显着下降，而且由于数量的减少，价格会上涨。通常这意味着每kVA的成本更高，当您在上面的示例系统中达到3000kVA时，价格可能会高出数倍。运输到某些目的地的成本也是一个因素，较大的发电机组需要货车足够的空间尺寸（例如货车一般是满足不了大型机组的宽度需求），而不是较小柴油发电机仅需普通货即可完成配送，减少了运输相关费用，间接上也使企业配置柴油发电机的成本减少。
4、提升运行经济性与燃油效率
这是并联最显著的优势之一。柴油发电机组在70%-80%额定负载附近运行时，燃油效率和排放表现最佳。
（1）负荷低时（如夜间、节假日），系统可自动停运部分机组，让运行机组保持在高效区间，避免“大马拉小车”的浪费。
（2）负荷高时，系统可自动启动并投入更多机组，保证供电又不牺牲效率。
5、提高维护与操作的便利性
并联系统允许轮停维护。可以按计划轮流对某台机组进行保养或大修，同时让其他机组带载运行，确保业务不中断。单台机组一旦需要停机检修，就必须切换到备用电源，甚至会造成断电。
6、提升故障应对能力（尤其是大电机启动）
多台并联的机组总惯量大，抗冲击负荷能力强。当需要启动大功率电动机时（其启动电流可达额定电流的5-7倍），并联系统可以通过多台机组共同分担冲击，维持母线电压稳定，确保启动成功，避免单台机组因瞬时过载而停机。
7、优化空间与环境适应性
用几台中小型机组替代一台超大机组，可以解决一些实际问题。例如，单台超大型机组往往需要专门定制、运输困难，且需要非常大的承重和进排风空间。而几台标准化的中小型机组在运输、吊装、机房布局上灵活得多，能更好地适应建筑或场地的限制。
三、并联系统的要求和控制原理
1、并机容量的要求
柴油发电机主要提供应急电源保障容量，发电发电机组的并机容量首先应满足以下三个条件：
（1）发电机的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率；
（2）发电机的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率；
（3）在最大的电动机起动时，发电机的瞬时电压降不大于15%～20%。
其次，数据中心配置有大量的不间断电源，它的特性是非线性负载，在供电线路上会产生谐波，使发电机输出电压波形产生失真。对于高阻抗的发电机，谐波对发电机影响更大。由于发电发电机组相对电网是有限容量系统，多台发电机并机系统除了满足稳定负荷需求外，还需考虑负载特性（电能质量）、启动性能、冲击负载（冷冻发电机组和水泵的启动电流、变压器投入时的激磁电流）对发电机使用的影响。
2、并机控制原理
为保证响应速度，并机系统同步控制采用准同期方式，系统采用随机并联方式，即系统中任一台首先达到额定输出的发电机组，都可以先合闸到母线供电，其他发电机组与该发电机组同步后再依次合闸供电。
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并车接线端子指示图 |
（1）每台发电发电机组控制柜（GCP）控制一台发电发电机组，配备自动同步与负载分配模块，通过控制发电机组得转速与电压，来实现发电机组互相之间的并联及负载均衡。同时也通过广角模拟表，来监控发电发电机组输出，如电压、电流、功率因数、有功、无功等，以保证操作人员一眼就可以看到多台发电机组的多项参数。GCP 可以与相应发电机组一起安装，以节省空间，降低总成本。对应发电机组的高压开关由GCP 来控制其分/合。
（2）主控柜（MCP）用来协调控制整个系统的运行，通过PLC 编程，实现系统的逻辑控制，包括投入和切除发电机组，优先级设定等。
（3）发电机系统（发电机组、并联、高压开关等）平时处在自动模式，通过外部送来的信号（比如可以是市电进线失压信号），由并联控制系统来监视市电状况。
（4）市电失电/故障时，并联系统收到信号，通过设定的时间延迟（PLC设定，可根据实际情况灵活修改）后，给全部发电机组送出启动信号（信号送至GCP，GCP 再送信号至各发电机组的机上控制器），6 台发电机组同时启动。率先达到90%额定频率和额定电压的发电机组，GCP 发出信号，自动闭合真空断路器，发电机组合闸到应急母线。其他发电机与母线同步后，自动合闸到母线。
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柴发并联系统母排接线图 |
3、负载管理
假设用户一共采用6台发电机组自动并联运行，系统自动分配负载，按下述逻辑实现负载管理。
（1）系统负载管理按N+1模式来控制，全部发电机组并联运行1~10 分钟（PLC 设定，可调）后，如系统全部负载小于单机额定容量的360%（可调）且持续时间超过1 分钟，则系统自动切除第6 台发电机组，此时全部负载可以只用5台发电机组带，通过N+1 的冗余负载管理设计，来保证供电可靠性；
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1号机并车接线图 |
（2）如负载继续下降至小于单机容量的270%且持续时间超过1 分钟，则系统自动切除第5 台发电机组；如负载继续下降至小于单机容量的180%且持续时间超过1 分钟，则系统自动切除第4 台发电机组；如负载继续下降至小于单机容量的90%且持续时间超过1分钟，则系统自动切除第3台发电机组。系统最小保证两台发电机组在线运行。
（3）如系统负载增加，至大于单机额定容量的120%，则系统自动启动第3 台发电机组，并自动同步后合闸，向负载供电；如系统全部负载增加，至大于单机额定容量的240%，则系统自动启动第4 台发电机组，并自动同步后合闸，向负载供电。其他发电机组的运行以此类推。
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2号机并车接线图 |
（4）系统带载运行中，任一台发电机组故障，则系统自动报警，同时启动一台冗余发电机组投入使用。
（5）市电恢复，则全部在线发电机组通过主控柜MCP断开发电机组进线断路器，发电发电机组自动冷却延时后停机。
（6）当主控制处于手动模式时，整个应急发电系统处于手动状态，可手动启动发电机组，手动并联，手动停机等。试验功能可通过手动模式来实现。并联系统应配备数字式自动负载分荷（Load Sharing）控制器，将负载在各发电机组间均匀分担。
上述逻辑控制功能可在现场设定，无需硬件改动，即可灵活扩容。
总结：
综上所述，柴油发电机组并联运行的核心逻辑就是用“多台小机器组合”的灵活模式，取代“一台大机器”的单一模式，从而获得更高的可靠性、经济性和可扩展性。而配置一套合格的柴油发电机组并机系统，应根据负荷大小和重要性，确定机组台数（建议2-4台）和总容量上限，并且确保各机组型号、规格一致，容量比不超过3:1。此时，需要注意的是必须采用全自动并机控制器，同时具备AVS（按需加载）和功率均分功能。
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