重康动力（深圳）有限公司

摘要：随着大容量10 kV备用发电机组并联广泛使用后，与市电互相切换以保证一级负荷，同时由PLC统一控制所有切换的逻辑关系，获得了很好的效果。在以下介绍的PLC逻辑控制案例中可以发现，高压并联发电机组的使用及并联技术已经逐渐发展成熟，由两台机组到4台、6台、8台甚至16台以及更多，都可以遵循以上案例进行拓展，而与市电切换的逻辑也是随着台数的增加呈平方级地复杂，用PLC作为一个指挥中心控制发电机组与市电切换是一个非常好的解决方案。考虑到负荷的重要性，越来越多的项目使用备用发电机组，从几十个千瓦到几千个千瓦，随着大容量发电机组并联技术的成熟和成本的下降，投资者和建设者会逐渐考虑从低压发电机组到高压发电机组，如果是单台机组容量不够的情况下，设计人员会考虑用10 kV高压发电机组代替传统的380 V发电机组。

 

一、高压并联发电机组使用的优势

 

1. 备用容量大

（1）在日益发展的工业领域，用户的用电量需求持续增大。高压并联发电机组可以作为两路市电外的第三路电源，发电机组可以按总负荷的100%考虑设计，与市电容量相当，燃料储备可以保证发电机组满负荷运行至少24小时。在燃料供应充足的情况下，可通过油罐车不间断补给，实现更长时间的持续供电保障。

（2）单台高压发电机组容量覆盖范围宽，国产和进口品牌均可提供从1000 kW至4000 kW的单机容量，多台并联后总容量可达数万千瓦乃至数十兆瓦，完全满足大型数据中心（单座数据中心IT负荷通常在10～50 MW）、半导体工厂、大型医院和超高层建筑等关键设施的备用电源需求。

（3）容量扩展灵活度高。当负荷增长需要扩容时，只需增加并联机组台数（在控制系统中加入新的机组子站），无需更换已有设备和母线，避免了低压系统中“一次建成、终身受限”的瓶颈问题。典型的系统扩展路径为：2台→4台→6台→8台→16台，台数的增加仅需在PLC逻辑和并机控制中增加相应模块，母线容量可随并联台数线性扩展。

（4）相比单台低压发电机仅作应急电源的局限性，高压并联机组可作为真正的第三电源运行。在双路市电均失电的情况下，高压并联机组可以提供与市电相同的容量和供电质量，实现“不间断”的电力切换（通过ATS或并机同步切换，切换时间可控制在1秒以内），这对于半导体制造、金融数据中心等对供电连续性要求极高的用户具有不可替代的价值。

2. 综合成本可行性强

（1）设备成本对比：根据世界知名发电机组厂家的报价，同容量的高压机组并联的价格约比低压机组并联贵11%左右，但这只是设备的初次采购成本。高压发电机组的单位功率价格（元/kW）随单机容量的增大而下降，对于单机2000 kW以上的项目，高压机组的设备单价已接近低压机组。

（2）电缆及安装成本：高压并联发电机组电缆成本可以忽略不计。以10 kV输电为例，输送同样功率时电流仅为400 V系统的1/25，电缆截面大幅减小，可采用3×95 mm²甚至更小截面的高压电缆，而低压系统同容量需要每相多根（4～8根）大截面（如4×240 mm²以上）电缆并联。电缆成本的节省可抵消高压机组设备上的差价。

（3）土建及占地面积：四台高压发电机组安装在一起比四台低压机组分散布置建筑面积可省50 m²以上。城市土地成本昂贵，高压机组的集中布置不仅节省了机房面积，还减少了通风、排烟、燃油管道的长度和施工量。对于位于城市核心区域的项目（如市中心医院、商业综合体），土建成本节省尤为显著。

（4）运维成本：高压系统电流小，配电设备发热量低，开关柜和母线的损耗和维护成本较低。虽然高压设备对运维人员的技术要求较高，但集中布置减少了巡检路线和分散维护的工作量，综合运维成本与低压方案基本持平。

（5）全生命周期成本考量：虽然高压机组初始投资略高，但考虑到电缆成本节省、土建面积减少、系统扩展便利以及长期运行的可靠性提升，高压并联方案的全生命周期成本（TCO）通常优于低压方案，尤其在项目总容量超过5 MW时优势更加明显。

3. 技术成熟，可靠性强

（1）国际成熟度：虽然国内鲜有生产单台2000 kW以上大容量低压柴油发电机的国产厂家，大部分为进口品牌。但在国外，大容量高压柴油发电机组的质量和可靠性已经达到相当高的水平，可靠性甚至超过了低压机组。据资料，国外最大的可以做到单台4000 kW的高压发电机组并联16台，总容量达64 MW。

（2）并联技术标准化：高压发电机组的并联控制技术已高度标准化，同步控制器（如COMAP、DEIF、Woodward等品牌）具备自动频率匹配、电压匹配、相位检测和合闸控制功能，并支持与PLC进行通信和联动。并联运行的稳定性和可靠性已在全球数千个工程项目中得到验证。

（3）绝缘与防护等级高：高压发电机组的绝缘等级通常为F级或H级，防护等级为IP23或更高，较低压机组更能适应恶劣的安装环境。高压发电机组的定子绕组采用VPI（真空压力浸渍）工艺，绝缘强度更高，耐潮性和耐热性更优。

（4）保护系统完善：高压并联系统配置有完善的继电保护系统，包括差动保护（发电机和变压器）、过流保护、逆功率保护、失磁保护、过电压/欠电压保护、过频/欠频保护等，其保护层级和选择性优于低压系统，可有效隔离故障、防止事故扩大。

（5）冗余设计灵活：在4台及以上机组的并联系统中，可灵活采用“N+1”或“N+2”冗余配置（例如4台机组中3台工作、1台备用），当任一台机组故障或维护时，备用机组自动投入，不影响系统供电能力。这种冗余配置在低压单机系统中难以实现同等效果。

 

二、PLC系统在柴油发电机组上的应用

 

多台柴油发电机组并联运行时，主要控制有功功率和无功功率两个目标，都要按各机组的额定功率比例进行均匀分配，电路如图1所示。其中，PLC在整个系统中扮演着“大脑”的角色，负责协调、调度和精确调控，确保整个电站稳定高效运行，其控制逻辑如图2所示。

1. 功率分配：调什么？怎么调？

2. PLC如何实现自动功率分配？

PLC通过接收各机组的功率反馈，执行复杂的控制逻辑，并通过输出信号（如模拟量）作用于调速器和AVR，实现自动调节。典型实现方式如下：

（1） 信息采集：PLC通过有功功率变送器或智能仪表（如HGM系列控制器）获取每台机组的实时有功功率P、无功功率Q、电压、电流等关键参数。

（2）逻辑计算：

● 如果是功率均分模式，PLC计算负载总功率 / 运行机组数，得出每台机组应承担的平均功率值；

● 如果是比例分配（不同功率机组），则按机组额定功率占比进行计算。

（3）指令输出：

● PLC将计算出的目标功率值与机组实际功率比较，产生偏差信号；

● 这个信号通过PLC的模拟量输出模块，连接到电子调速器的辅助控制输入端（AUX），从而微调喷油量，改变机组出力。

（4）闭环调节：这是一个持续、快速的闭环控制过程，PLC不断监测、计算、调整，直至各机组的功率分配达到允许误差范围内。

3. 分配精度要求与系统架构参考

（1）分配精度

根据国家标准（GB/T 12786），并联机组在20%～100%额定总功率范围内，功率分配必须满足：

● 有功功率：同容量机组，分配差度不超过额定有功功率的±10%；不同容量机组，最小机组的不平衡度不超过其额定有功功率的±20%。

● 无功功率：按比例分配的计算值之差，不超过最大机组额定无功功率的±10%。

（2）PLC控制系统架构

● 主控PLC：作为系统核心，负责总功率需求判断、机组启停调度、负荷分配计算；

● 机组子站PLC：每台机组配备一个，执行启动、并车、频载调节、保护等控制；

● 并机/并网控制器：负责机组间的同步合闸控制；

● 智能仪表（如ME系列、HGM系列） ：采集电量参数并提供保护（过流、逆功率等）。

（3）关键参数调整：Droop（下降率）参数的合理配置是提升响应精度与稳定性的关键。

 

图1  多台发电机组并机电路图

图2  发电机组PLC逻辑控制示意图

 

三、并联+PLC功能案例

 

以深圳某数据中心项目为例，使用了4台2000 kW高压发电机组并联运行，作为两路市电同时故障时的第三路电源，该项目同时还设计配备了10 kV负载箱，在平时发电机组空载时进行常规试验。与往常的发电机组备自投不同的是，在该项目深化讨论时，由于要控制的点数比较多，逻辑比较复杂，要实现的功能和要求达40条，故经过设计人员、厂家和业主综合讨论，决定增加一个PLC专门控制这部分逻辑运行。该项目的并联机型电路如图3所示。

1. 正常运行方式

（1）主市电断路器52-U1和52-U2闭合；
（2）母联断路器52-T1打开；
（3）发电机断路器52-G1，52-G2，52-G3和52-G4打开；
（4）发电机馈电断路器52-GF1和52-GF2打开；
（5）断路器52-U3和52-U4打开；
（6）负载箱断路器52-LB打开；
（7）全部负荷通过断路器52-U1和52-U2由市电电网提供。

2. 断路器52-U1侧市电线路NO.1失电

（1）如果断路器52-U1线路侧欠电压继电器27-U1-1和负荷侧欠电压继电器27-U1-2同时检测到正常电压缺失，而断路器52-U2线路侧欠电压继电器27-U2-1检测到的是正常电压信号，则开关柜PLC启动1分钟延时继电器（就地可编程）。

（2）如果27-U1-1和27-U1-2当中只有一个检测到电压缺失信号，则开关柜PLC认为这是PT故障、熔断器故障、继电器跳闸或断路器52-U1分闸，系统维持正常运行模式。

（3）如果在1分钟延时到之前，27-U1-1和27-U2-1又同时重新检测到正常电压信号，则系统维持正常运行模式，1分钟延时继电器复位。

（4）如果1分钟延时到，52-U1侧欠电压继电器27-U1-1和27-U1-2仍未检测到正常电压信号，则断路器52-U1断开，母联断路器52-T1闭合，全部负荷由线路NO.2供电。

（5）当线路侧欠电压继电器27-U1-1重新检测到正常电压信号，而此时负荷仍连接在52-U2侧，则通过手动方式重新切回到正常运行模式。手动切换通过操作员按切换按钮“切换从52-U2到52-U1”来实现。

（6）如果断路器52-U1分闸是由于保护继电器动作或手动所致，将锁住任何自动切换。

3. 断路器52-U2侧线路NO.2失电

（逻辑与NO.1失电对称，在此不再赘述）

4. 线路NO.1和线路NO.2同时失电

（1）当两条市电线路侧欠电压继电器27-U1-1和27-U2-1同时检测到失压信号，开关柜PLC启动5秒和1分钟两个延时继电器；5秒时间到，27-U1-1和27-U2-1检测到的如仍是失压信号，则柴油发电机点火启动信号自动发送到发电机开关柜。

（2）一旦接收到启动信号，所有发电机将分别自动、独立启动并加速到额定电压和频率。最先达到90%额定电压和频率的发电机将通过闭合其相关联的断路器首先连接到发电机母线上。电气联锁将保证在同步装置运行期间，只有一台发电机连接到发电机母线上。

（3）其余发电机的同步装置将自动并独立地调整各自发电机的频率，当与发电机母线上的瞬时相角差小于5°时，将发电机并列连接到发电机母线上。

（4）如在规定的时间内某台发电机未能正常启动，该发电机将自动退出，并激活声光报警干接点信号到远方报警盘。

（5）如在预定的时间内某台发电机未能同步，将发出声光报警干接点信号到远方报警盘。

（6）如果在1分钟延时继电器时间到之前，线路侧欠电压继电器27-U1-1和27-U2-1检测到电压恢复信号，系统将维持正常运行模式，1分钟延时继电器自动复位，PLC发送停机命令信号到发电机，发电机将在冷却状态下继续运行10分钟后自动停机。

（7）如果在1分钟延时继电器时间到之前，线路侧欠电压继电器27-U1-1和27-U2-1当中只有一个检测到电压恢复信号，系统将自动切换到有电压线路一侧，1分钟延时继电器自动复位，PLC发送停机命令信号到发电机。

（8）如果1分钟延时继电器时间到后，27-U1-1和27-U2-1检测到的仍是失压信号，而此时发电机组已完成同步，则52-U1、52-U2打开，52-T1维持打开状态。然后发电机侧断路器52-GF1和52-U3先闭合，将发电机连接到52-U1负荷侧母线，然后52-GF2和52-U4闭合，再将发电机连接到52-U2负荷侧母线。

（9）当27-U1-1和27-U2-1同时重新检测到电压恢复信号，而此时负荷仍连接在发电机系统侧，可手动切回到正常电源侧。这一过程可由操作者通过安装在控制盘“市电/发电机切换”部分上的“切回到市电电源”按钮来实现。

 

图3 柴油发电机组并联案例合闸电路图

 

总结

高压并联柴油发电机组配合PLC智能控制系统，为大容量关键负荷提供了高可靠性的备用电源解决方案。高压并联方案在备用容量、综合成本和系统可靠性方面具有显著优势，尤其适用于大型数据中心、半导体工厂和医院等对供电连续性要求极高的场合。PLC系统通过精确的有功/无功功率分配控制，确保多台机组并联运行时负载均衡，避免环流和设备过载。深圳某数据中心4台2000 kW高压机组并联案例表明，通过PLC逻辑控制可实现市电双路失电检测、发电机自动启动、同步并机、带载切换及市电恢复后的自动退出等完整功能链，切换逻辑覆盖正常切换、单路失电、双路失电、发电机测试等多种工况，满足复杂供电场景的自动化管理需求。随着并联机组数量的增加，控制逻辑复杂度呈平方级上升，PLC作为指挥中心是实现可靠、灵活、可扩展控制的最佳选择。在工程设计中，应根据项目实际需求合理配置PLC控制策略，并充分考虑PT故障识别、延时继电器设定、同步参数整定和防误闭锁等细节，确保系统在各种边界条件下均能可靠动作。

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