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摘要：现代社会中，各种信息设备以及企业生产对供电提出了高质量、高可靠的要求。为此，UPS与柴油发电机组以它们各自的特点相辅相成地构成的不间断供电系统成为最佳选择。在这里，UPS基本上是并车冗余应用的，而柴油发电机组也常是并车冗余运行的。并且这种技术已在许多供电方案中得到广泛应用。本文系统阐述柴油发电机组并车运行的技术条件、调控模式及应用实践。

一、并车运行的作用

大型的网络监控中心、银行结算中心、空中管制中心等，根据自身的工作性质和特点都对供电系统的性能和可靠性提出了很高的要求；采用两路市电供电、配置两组并车冗余运行的大功率UPS构成双总线系统、同时安装几台“N+1”模式并车冗余运行的柴油发电机组与UPS构成一个高可靠、高质量、智能化的不间断供电体系，已是普遍采用的技术方案。

1. 并车运行在UPS供电体系中的关键作用

（1）柴油发电机组的作用是：一旦两路市电都中断，UPS立即将蓄电池的直流电逆变成交流电供给负载工作。然后并车冗余运行的柴油发电机组也都起动起来，通过自动转换开关（ATS）切换到直接给UPS提供与市电一样的电能，从而使UPS又像平常那样依靠交流电不间断地给设备供电。并车冗余运行确保了在市电中断后，发电机组能够在蓄电池放电时间内（通常5～15分钟）完成启动、建压、同步和并车，实现无缝切换。

（2）“N+1”模式并车冗余运行的柴油发电机组不仅为UPS提供性能良好的电力，而且提供了高可靠的电能——假如运行中一台发电机组出现问题退出并车，其他发电机组会带上全部负载仍正常运行。N+1冗余意味着系统中有N台机组满足全部负载需求，另有1台机组作为备用，任何一台机组故障都不会导致供电中断，系统可用性可达99.99%以上。可见并车冗余运行的发电机组完全代替了两路市电供电的功能。

（3）通常情况下，并车冗余运行模式的柴油发电机组并不直接连接负载，而是通过UPS供给负载电能。这种间接供电模式有三大优势：UPS隔离了发电机组输出电压波动对负载的影响（即使发电机组频率在48～52Hz之间波动，UPS也能输出稳定的50Hz电压）；UPS在发电机组启动和切换期间提供不间断过渡；UPS对负载的谐波进行隔离，防止非线性负载反向影响发电机组的运行。

（4）柴油发电机组为增加原有发电机组的输出功率而采用并车运行的方式要比UPS多一些。它们常被用于市电电力供应保障性不强，一年总有几次停电或拉闸限电地区的工矿企业。由于现代机械制造技术的进步、机电一体化的广泛应用、智能控制技术的普及，现代柴油发电机组不仅制造精良，各项性能指标大为提高，运行的可靠性也大大增强。现代电子调速器的稳态转速偏差可控制在±0.25%以内，数字式AVR的稳态电压偏差可控制在±0.5%以内，为精确并车提供了技术基础。

2. 并车运行用于扩容的经济性分析

（1）通常情况下，只要按规范做好维护保养工作，作为备用发电机组，在起动运行后柴油发电机组因故障停机的几率极其微小。在各类工厂新增设备后，原有柴油发电机组已不能满足后备供电需要时，考虑再增加一台同样的发电机组与其并车使输出功率增加一倍，不失为一种经济实用的选择。与更换一台更大功率的机组相比，并车扩容可节省约30%～50%的投资成本。

（2）作为扩容应用的并车柴油发电机组一般不考虑冗余而只强调均分负载，它们都是接近满负荷地直接驱动用电设备。扩容并车的核心优势包括：原有机组无需报废，投资得到保护；新增机组可根据实际负载增长分期投入，减少资金占用；并车系统可灵活配置，适应不同时期的负载需求变化。

3. 并车运行的其他应用场景

（1）在大型船舶和海上平台中，多台发电机组并车运行，根据航行工况和负载需求自动调节运行台数，实现燃油经济性和供电可靠性的最佳平衡。在靠港作业时仅需1～2台机组运行，航行时增加至3～4台，恶劣海况下可全部投入确保安全。

（2）在矿山、油田等偏远地区的独立电网中，并车运行是满足大功率设备启动和运行需求的必然选择。例如大型破碎机、电动钻机的启动电流可达额定电流的6～7倍，多台并车可提供足够的短路容量，确保电机启动时电压降不超过允许值（通常≤20%）。

（3）在应急抢险和临时供电场合（如自然灾害救援、大型活动保电），移动式发电机组并车可快速组合成所需功率的临时电站，具有极大的灵活性和快速响应能力。移动机组并车可在30分钟内完成连接和并车，提供数十至数千千瓦的应急电力。

二、并车系统运行的步骤

1. 并车条件

为了增加后备电源的弹性，或者因为负载太大，这时便需要考虑将两台或以上的发电机组并联（即并车）输出备用电源。并车须符合四种状态：

（1）电压一致。各发电机组的输出电压幅值必须相同，偏差应在额定电压的±1%以内，否则并车瞬间会产生巨大的无功环流。电压差每增加1%，并车瞬间的无功冲击电流可增加额定电流的10%～15%。

（2）频率一致。各发电机组的输出频率必须相同，偏差应在额定频率的±0.2Hz以内，否则并车瞬间会产生有功冲击。频率差0.5Hz时，并车后可能产生数秒的功率振荡。

（3）相序一致。各发电机组的输出相序必须相同（U、V、W三相一一对应），相序不一致将导致短路事故。相序检查应在首次并车前用相序表逐台确认，并在每次维护后重新校验。

（4）相位角一致。各发电机组的输出电压相位必须一致，偏差应在±10°电角度以内，否则并车瞬间会产生冲击电流。相位差10°时，冲击电流可达额定电流的20%～30%。

一般备用发电机组并车最好采用全自动装置，并且需要自动均衡负载。康明斯的有功功率负载分配由同步板分配，它会对两台发电机组的电压、电流、相位作出比较，然后将负载平均分配到两台发电机组，而误差少于5%（对于不同功率的发电机组并车，可以通过整调或设置负载分配因数来平衡）。无功功率则由康明斯最新开发的数字式自动调压器负责，数字式自动调压器其伏特/赫兹特性可调，并且稳态调整率为0.25%；所以两台发电机组的无功功率分配偏差不大于5%；两台发电机组的内部环流不大于1%。

最先进的并车装置是可以使多部发电机组同时并车工作，并根据负载的多少而自动将发电机组并车或停机，以达到最佳的经济效益，并使发电机组运行保持最佳状态。此外还可以用远程监控，对发电机组的运行参数作分析及报告。自动负载管理功能可根据总负载变化自动计算所需运行台数，在轻载时自动解列部分机组以减少燃油消耗和机械磨损，在重载时自动投入备用机组确保供电裕量。

2. 并车注意事项

柴油发电机组并车首先应满足功率均匀分配的要求。所谓均匀分配指的是各台发电机所承担的有功功率和无功功率都应该和它们的额定功率成比例。国内对并车运行发电机组的功率分配有明确的要求，在交流发电机组并车运行时，当负载在总额定功率的20%～100%范围内变化时，应能稳定运行，其功率分配误差应符合以下要求：

（1）各台发电机实际承担的有功功率与按额定功率比例分配的计算值之差，在发电机额定功率相同时应不超过发电机额定有功功率的±10%。

（2）当发电机额定功率不同时，应不超过最大发电机额定有功功率±10%，最小发电机额定有功功率的±20%；各台发电机实际承担的无功功率与按发电机额定功率比例分配的计算值之差，应不超过最大发电机额定无功功率的±10%。

如果功率分配出现较大的不均衡，无论是有功功率还是无功功率，都不仅会影响发电机组运行的效率和经济性，而且甚至会引起整个电站的故障。

如果并车发电机组的有功功率分配严重不平衡的话，在负载总功率较大的时候，往往是一台发电机组已满载或过载，而另一台发电机仍处于轻载状态，这样就不能充分利用发电机组的容量，发挥整个电站的效能。

发电机组过载不但会给柴油机或发电机带来危害，而且还会引起保护设备动作，影响整个电站的运行。反之，在负载总功率很小的时候，有功功率的不平衡又往往会在发电机组之间引起有功环流，使有的发电机组转入电动机状态，这对柴油机同样是不允许的。

3. 并车模式

（1）同型号规格和容量比不大于3：1的发电机组并联

型号规格相同和容量比不大于3：1的发电机组在20%～100%总额定功率范围内应能稳定地并车运行，且可平稳转移负载的有功功率和无功功率，其有功功率和无功功率的分配差度应不大于表1的规定。

表1    有功功率和无功功率的分配差度

（2）容量比大于3：1的发电机组并联

容量比大于3：1的发电机组并车，各发电机组承担负载的有功功率和无功功率分配差度按产品技术条件的规定。

三、并联运行的调试

大量的工程实践表明，一般情况下，现在都采用同型号同规格的柴油发电机组构成并联运行，即使将原有的发电机组扩容也是如此。这是因为这样选择可以为发电机组的安装、调试、运行以及维护、保养等带来许多方便。在每台参与并联的发电机组控制柜中插入并机板，并且互联并机线（符合RS485通讯协议，其网络结构如图3，调试窗如图4所示），就方便地组成了柴油发电机组的并联运行系统。并机板也称并机卡，是以32位微处理器为核心的智能化电子装置，具有速度和电压调整、同步、并联、有功及无功负载平均分配、电气参数测量、有功与无功功率设定、电气保护等强大的测控功能。

1. 接线与安装阶段的关键要求

（1）在各发电机组的安装、调试过程中，除了按技术规范做好并联的各种接线外，要特别注意各发电机组接向输出电压并联母排的相序U、V、W要相应一致，并且母排与市电网的相序也要一一对应相同。相序不一致是最常见的并车失败原因之一，应在接线完成后用相序表逐台确认。相序错误会导致短路事故，后果极为严重。

（2）RS485通讯网络应采用屏蔽双绞线，屏蔽层在控制器端单端接地，通讯线应与动力线分开走线（间距不小于200mm），避免电磁干扰影响通讯质量。并机板的拨码开关应按机组编号正确设定，确保各机组的通讯地址不冲突。末端机组应在RS485总线的A、B端并联120Ω终端电阻，以消除信号反射。

（3）电流互感器的接线应特别注意极性。CT的S1和S2端必须按规定的方向接入并机板，极性接反会导致功率测量反向，使负载分配控制器无法正确分配有功和无功功率，严重时可能导致逆功率跳闸。极性检查应在送电前用电池法或仪表法确认。

2. 空载调试阶段

（1）调试最好先在空载的情况下进行；自动或手动将并联母排和各负载之间的开关断开，然后把组成并联运行的各发电机组都开动起来，观察各发电机组控制柜面板上的指示灯和LCD显示屏。由于各发电机组的并机板都预先对频率、电压、功率等主要参数进行了标准设定，各发电机组的运行大都离不开这些参数范围，通常情况下会顺利地自动并机。这时控制柜面板上的显示屏会自动弹出并机的相关参数，还可听到发电机输出开关自动闭合的响声。

（2）空载调试时，应先逐台启动各发电机组，检查单机运行时的电压（应在额定电压的±1%以内）、频率（应在额定频率的±0.2Hz以内）和相序（应与母排相序一致）是否正常。单机运行正常后，再进行两台机组的空载并车试验。两台机组都运行稳定后，手动或自动发出并车指令，观察并车过程。并车成功的标志是：同步指示灯熄灭（或同步表指针归零），并车断路器自动合闸，两机的电流表均显示接近零（仅有无功环流，应小于额定电流的5%）。

（3）在空载并车成功后，应观察各机组的功率分配情况。空载时各机组的无功功率分配应基本一致（偏差不超过±5%），如有偏差可通过调节AVR的下垂特性（DROOP）参数进行修正。同时检查有功功率分配，空载时各机组的有功功率应为零或接近零，若有功指示不为零，应检查功率测量回路的接线是否正确。

（4）空载调试中若出现并车失败，可参考以下排查流程：先确认各机组的电压和频率是否在允许范围内；若电压或频率偏差过大，应检查并机板参数设定或调整调速器和AVR的基准值。若参数正常但仍无法并车，应检查同步板的同步检测回路和合闸回路是否正常，可用示波器观察两机的电压波形，在同步指示灯熄灭的瞬间合闸，说明相位和频率已满足并车条件。

（5）如果并联的各发电机组都开机后，两、三分钟仍并不上机，参数误差大的发电机组会自动报警，同时将偏差大的项显示在屏上。在这样的情况下，可以先将其它发电机组关机，只留该发电机组运行。然后通过控制柜面板上的键盘进入参数调节选项，利用软件对偏差参数进行修正。或者直接在并机板上仔细调节相关的电位器等硬件，针对参数的误差微调发动机的转速或同步发电机的电压。因为参与并联运行的柴油发电机组都应具有2%～5%稳态调速率与5%范围内的稳态电压调整率。经过人为微调以后，再将其它发电机组开动起来，就能实现各发电机组的并联运行。在空载条件下调试好的并联运行的柴油发电机组，再带上负载也可以平稳地运行工作。

3. 带载调试与负荷分配验证

（1）空载调试成功后，逐步增加负载至总额定功率的25%、50%、75%和100%，在每个负载点稳定运行10～15分钟，记录各机组的电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数。验证有功分配偏差不超过±5%（G2/G3级），无功分配偏差不超过±10%。若某台机组的负载偏差超出允许范围，应调整该机组的调速器增益（影响有功分配）或AVR的下垂特性（影响无功分配）。

（2）突加负载试验：在50%额定负载稳定运行状态下，突然增加25%额定负载，观察频率和电压的瞬态响应。要求频率瞬时跌落不超过±7%，恢复时间不超过5秒（G2级要求）；电压瞬时跌落不超过±20%，恢复时间不超过4秒。同时观察各机组的负载分配是否在瞬态过程中仍保持均匀（偏差不超过±10%）。若动态响应不符合要求，应调整调速器的GAIN和STAB参数，或调整AVR的响应速度。

（3）突减负载试验：在75%额定负载稳定运行状态下，突然减少25%额定负载，观察频率和电压的瞬态响应。要求频率瞬时冲高不超过±10%，恢复时间不超过5秒；电压瞬时冲高不超过±25%，恢复时间不超过4秒。突减负载试验是检验并车系统稳定性的重要手段，也是容易出现逆功率的工况，应密切关注功率表指示，防止某台机组进入电动机状态。

（4）并车投入和退出试验：在带载状态下，将一台备用机组投入并车系统，观察投入瞬间的冲击电流（应小于额定电流的10%）和负载重新分配过程（应在5～10秒内完成）。同样，将一台运行机组退出并车系统，观察负载自动转移过程是否平稳（不应出现功率振荡或电压波动）。并车投入和退出试验应反复进行3～5次，验证系统的可靠性和稳定性。

（5）负载转接操作应在操作人员的严密监控下进行，特别是突加和突减负载时，应注意电流表的瞬态响应，避免某台机组瞬时过载或逆功率。若出现逆功率报警（有功功率为负值），应立即检查该机组的调速器设定和机械连接，逆功率可能由调速器响应滞后或燃油供给不足引起。逆功率保护定值通常整定为额定功率的-5%～-10%，延时1～3秒动作。

4. 保护功能验证与系统联调

（1）逆功率保护试验：在带载运行状态下，手动降低某台机组的调速器设定（模拟原动机故障），观察逆功率保护装置是否在达到整定值时（通常为额定功率的-5%～-10%）正确动作，在设定延时（通常1～3秒）后跳闸该机组。逆功率保护是防止发电机组在并车系统中作为电动机运行的关键保护，必须验证其可靠性。

（2）过载保护试验：将负载增加至超过总额定功率的110%（G2级要求），观察各机组的过载保护是否按设定的反时限特性动作。过载保护应在负载超过额定值后根据过载倍数和持续时间做出正确响应，防止发电机组长时间过载损坏。

（3）发电机保护联动试验：模拟发电机内部故障（如过流、短路、接地故障等），验证保护装置能否迅速切除故障机组，而不影响其他机组的正常运行。保护动作时间应符合选择性配合要求，确保故障隔离范围最小化。

（4）实际应用表明，各发电机组切入并联运行的瞬间、运行过程中、特别是负载接入、撤离时，各发电机组的相关参数不可能时时一致。这就完全靠功能强大的微处理器指令并机板实时测控各发电机组的并机数据，使其在满足并联运行的条件下稳定地工作。发电机组并联运行的过程也就是并机板对并机参数实时动态测控的过程。并机板以毫秒级的速度（通常10～50ms）采集各机组的电压、电流、功率和频率信号，通过内部算法计算出最优的调速和调压指令，实时调整各机组的输出，保持负载分配的精确均衡。

5. 通讯与远程监控功能调试

（1）调试完成后应测试RS485通讯网络，确认各并机板与上位监控系统的数据交换正常（如图3网络结构所示）。通过调试窗口（如图4所示），可实时读取各机组的电压、电流、有功功率、无功功率、频率和功率因数等参数。通讯速率通常设为9600bps或19200bps，数据刷新周期不超过1秒。

（2）上位监控系统应能实现对并车系统的远程启动、停机、负载分配和参数设定等功能，确保系统在无人值守情况下可靠运行。远程控制操作应设置权限分级和操作确认功能，防止误操作。所有远程操作应有日志记录，便于事后追溯。

（3）报警和事件记录功能应进行验证：模拟各种故障条件（如超速、高温、低油压、逆功率、过载等），确认上位监控系统能否正确显示报警信息，并记录事件发生的时间和故障类型。报警信息的存储应不少于1000条，以便进行故障分析和历史追溯。

6. 调试后的文档整理与验收

（1）完成所有调试项目后，应编制详细的调试报告，内容包括：机组基本参数、单机运行数据、空载并车数据、各级负载下的并车运行数据、突加突减负载的动态响应数据、保护功能验证结果、通讯测试结果以及调试中遇到的问题和解决方案。调试报告是系统验收和日后维护的重要依据。

（2）调试中调整的所有参数（调速器GAIN、STAB、DROOP值，AVR的电压设定、下垂特性等）应记录在案，并标注调整原因。这些参数在日后维护中若被误调，可根据记录快速恢复。

（3）对操作和维护人员进行培训，使其掌握并车系统的日常操作方法、常见故障识别和应急处理流程。培训内容应包括：并车系统的启动和停机操作顺序、负载分配调整方法、报警信息解读、简单故障排查方法以及紧急情况下的手动解列操作。

（4）在正式投运前，应进行至少3次完整的“启动→并车→带载→解列→停机”循环试验，验证系统在各种工况下的稳定性和可靠性。每次循环试验的间隔时间应满足机组冷却要求（通常不少于30分钟）。

结语

柴油发电机组并车冗余运行是提高供电可靠性和灵活性的重要技术手段。并车运行必须满足电压、频率、相序和相位角四个一致条件，并通过并机板（32位微处理器为核心的智能化电子装置）实现自动同步和负载均衡。并车系统的功率分配应符合国家标准要求——有功分配偏差同容量不超过±10%，不同容量不超过最大机±10%和最小机±20%；无功分配偏差不超过最大机±10%。并车模式分为同容量比（≤3：1）和不同容量比两种，前者适用于G1～G4各级性能等级，后者需按产品技术条件确定。调试时应先空载后带载，注意相序一致，利用并机板调节偏差参数。带载调试需逐步增加负载至100%，进行动态响应试验，验证频率恢复时间（<5秒）和电压恢复时间（<4秒）。通过功能强大的并机板实时测控，可实现多台发电机组自动并车、自动负载分配和自动启停管理，为数据中心、银行、机场等关键场所提供高可靠、高质量的电力保障。并车冗余技术不仅提高了供电系统的可用性（N+1冗余），还能根据负载情况自动优化机组运行台数，实现最佳经济效益。结合远程监控和RS485通讯网络，发电机组并车系统可实现全面智能化的运行管理。