摘要：强化电源框架最直接的方法是使用柴油发电机，其解决电力需求下降的适应性方法是至少拥有两台柴油发电机，任何一种情况下，它们都可以与并联开关设备并联，以在必要时实现最大产量或在不同情况下实现足够的产量。两台规格型号完全相同的三相发电机组，在额定功率因数下，应能在20%～100%额定功率范围内稳定并联运行。为了提高有功功率和无功功率合理分配精度和运行的稳定性，要求发电机组中柴油机调速器具有稳态调速率在2%～5%范围内调节的装置。在控制箱（屏）内的调压装置可使稳态电压调整率在5%范围内调整。本文围绕发电机并联运行条件、并机性能与计算、柴发并联运行的优势及10kV高压柴发并机方案四个方面，系统阐述并联运行的技术要求、功率分配差率计算方法、并联运行的综合优势以及高压并机系统的容量条件、负载特点、并机要求与负载管理逻辑，为柴油发电机并联系统的设计与运行提供技术参考。
一、发电机并联运行条件
1. 相序一致
（1）基本要求。待并发电机必须与运行机（电网）相序一致。
（2）出厂校验。出厂时各台发电机的相序都已检查，校对一致了，因此实际并车操作时不必再检查相序。
（3）相序不一致的危害。若相序不一致而强行并车，将在发电机与电网之间产生巨大的短路电流，导致发电机绕组烧损或断路器跳闸。
2. 频率相等
（1）基本要求。待并发电机的频率应与运行机（电网）频率相等。
（2）允许误差。实际操作时，允许误差在0.5Hz以内。
（3）频率偏差的影响。频率偏差过大时，待并发电机与运行机之间的相位差会迅速变化，难以捕捉合闸时机；即使合闸成功，也会在发电机与电网之间产生较大的有功环流，引起功率振荡。
3. 相位相等
（1）基本要求。待并发电机电压相位（或初相位）应与运行机（电网）电压相位相等。
（2）允许误差。实际并车操作时，允许相差10-15度以内。
（3）相位偏差的影响。相位偏差过大时合闸，会在发电机与电网之间产生较大的瞬时电流冲击，严重时造成发电机绕组变形或联轴器损伤。相位差的允许范围与发电机容量、电网容量及合闸回路阻抗有关。
4. 电压相等
（1）基本要求。待并发电机电压应与运行机（电网）电压的有效值相等。
（2）允许误差。实际操作时电压之差允许在10%以内。
（3）电压偏差的影响。电压偏差过大时合闸，会在发电机与电网之间产生较大的无功环流，导致发电机温升升高、功率因数恶化，严重时引起过流保护动作。
二、并机性能与计算
1. 并联基调点
（1）基调点设定。调节并网各发电机组的输出功率为发电机组额定功率的75%，且为额定功率因数、额定电压和额定频率。
（2）后续试验要求。此后的实验过程中不得再调节转速和电压，以保证试验条件的一致性。
（3）基调点的意义。基调点为后续加载试验提供统一的起始状态，使各机组在相同条件下比较功率分配特性。
2. 加载方法
（1）加载程序。在额定功率因数条件下，按下列总功率的百分数和程序变更负载：75%→100%→75%→50%→20%→50%→75%。
（2）各级负载运行时间。在各级负载下至少运行5分钟，待机组运行稳定后再记录数据。
（3）加载试验目的。通过加载与减载的循环变化，检验并联机组在不同负载水平下的功率分配稳定性与动态响应特性。
3. 有功功率分配差率
（1）稳定运行范围。并联运行的交流发电机组，当负载在总额定功率的20～100%范围内变化时，应能稳定运行。
（2）相同容量机组的分配误差。发电机额定功率相同时应不超过发电机额定功率的±10%。
（3）不同容量机组的分配误差。功率不同时应不超过最大发电机额定功率的±10%和最小发电机额定功率的±20%。
（4）计算公式。其计算公式如下：
式中，P——发电机组的额定有功功率；P1、P2——某一工况下，两台发电机组各自输出的有功功率。
（5）有功功率分配不均的原因。有功功率分配主要取决于柴油机调速器的调速特性，调速特性不一致的机组并联运行时，有功功率分配会出现偏差。因此要求柴油机调速器具有稳态调速率在2%～5%范围内调节的装置。
并联发电机有功功率的调节示意图如1所示。
图1 并联发电机有功功率的调节
4. 无功功率分配差度
（1）一般设定。一般设定为无功功率分配差度δq（%）：≤±10%。
（2）计算公式：
式中，Q——发电机组的额定无功功率；Q1、Q2——某一工况下，两台发电机组各自输出的无功功率。
（3）无功功率分配不均的原因。无功功率分配主要取决于发电机励磁系统的调压特性，调压特性不一致的机组并联运行时，无功功率分配会出现偏差。因此要求控制箱（屏）内的调压装置可使稳态电压调整率在5%范围内调整。
（4）无功环流的危害。无功功率分配不均会在并联机组之间产生无功环流，使部分机组温升升高、功率因数恶化，严重时导致过流保护动作。
同步发电机无功功率相量图如图2所示。
图2 同步发电机无功功率相量图
5. 功率分配调整方法
（1）有功功率调整。通过调节柴油机调速器的稳态调速率与转速设定值，改变各机组的有功功率分配比例，使各机组按容量比例分担负载。
（2）无功功率调整。通过调节AVR的电压设定值与调差特性，改变各机组的无功功率分配比例，使各机组按容量比例分担无功负载。
（3）调整后的验证。调整完成后应重新进行加载试验，验证在20%～100%负载范围内各机组有功功率与无功功率分配差率均在允许范围内。
三、柴发并联运行的优势
与单个大型柴油发电机组相比，发电机组并联运行基本上更值得推荐。尽管如此，由于成本、空间和不可预测性要求和跟上的异常状态的限制。随着先进的计算机化控制技术的出现，现在证明发电机组并联运行的要求显著降低，并且发电机组并联运行可以提供额外的电力。
1. 可靠性
与单个柴油发电机组提供的基本负载相比，多个柴油发电机并行任务的重复自然提供了更值得注意的可靠性。如果一个单元出现短缺，基本负担是在需要的前提下在框架内的不同单元之间重新分配。在许多情况下，需要最惊人水平的坚固加固功率的基本负载通常仅代表框架产生的一般功率的一小部分。发电机组并联运行，这意味着最基本的组件将具有重要的重复性以保持电源，无论其中一个单元是否熄灭。
2. 可扩展性
在测量发电机以协调您的需要先决条件时，通常很难精确扩展堆中的增量以及为额外的必需品进行足够的安排。如果堆预测很有力，您对柴油发电机的潜在兴趣可能比通常情况下的要高。再说一次，如果缺少堆栈投影，您将没有可靠的备用电源。或者可能需要转向昂贵的发电机大修，或者尽管总体上获得了另一台机组。
通过发电机组并联运行，在不影响您的预算或需求偶尔使用的昂贵单元的情况下，考虑多样性的要求较低。无论您有足够的物理空间多长时间，发电机都可以在需要时提供额外的电源。因此，重复柴油发电机可以与单元断开连接，并且可以在不同地点独立使用。
3. 灵活性
与使用单独的高极限估计柴油发电机相比，并行使用各种单元柴油发电机提供了更突出的适应性。多个并行运行的柴油发电机不应该聚集在一起，并且可以处于这种情况。在循环设计中，减少了对一个单独的、更大的发电机的巨大印象的要求。在受限制的区域内设置屋顶设施或设置小型发电机只是您可以创造性地发现使它们适合的方法的几种方法。由于这些单元不需要一个必须相邻的整体巨大空间，因此可以定期在小办公室或任何空间是一个限制变量的地方引入这些空间。
4. 易于支持和可维护性
框架中的柴油发电机分离或需要维护的可能性很小。单个单元可以变坏并在不影响不同单元工作的情况下进行调整。并行架构中的重复特性提供了不同层的保险，并保证了基本电路的持续供电。
5. 成本可行性和质量性能
并联运行的单台柴油发电机通常具有较小的限制。作为这些发电机的一部分，发动机通常是工业、街头或大容量发动机，具有尖端的生产创新，使它们具有高水平的坚定不移的质量和最小的单位功率老化工作。
四、10kV高压柴发并机方案
1. 并机容量的条件
动力中心发电机主要为机房IT负载、空调、建筑电气等提供应急电源保障容量。发电机组的并机容量首先应满足以下三个条件：
（1）发电机组的连续运行额定功率大于或等于稳定负载的计算功率；
（2）发电机组的备用运行功率大于或等于负载的尖峰功率；
（3）在最大的电动机启动时，发电机组的瞬时电压降不大于15％～20％。
2. 负载特点
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组，谐波对发电机组影响更大。由于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载需求外，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。
因此，针对上述模型，建议对10kV高压发电机组以12台作为1个并机组合。当市电中断/故障后，自动启动发电机组并机输出供电，发电机组供电与市电不并网。动力中心建设2个并机模块，分别由2套并机控制系统控制。
3. 并机要求
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机组，都可以先合闸到母线供电，其他机组与该机组同步后再依次合闸供电。高压柴油发电机组外形如图3所示，N+1并机冗余系统如图4所示。
4. 高压柴发负载管理
当数据中心市电中断/故障时，全部10kV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12台机组（一个并机组合）并联运行1～10min（可调）后，如系统全部负载小于单台发电机组额定容量的900％（可调）且持续时间超过1min，则系统自动切除第12台机组，此时全部负载由11台机组供电，通过N＋1的冗余负载管理设计，来保证供电的可靠性。
（2）如负载继续下降至小于单机容量的810％且持续时间超过1min，则系统自动切除第11台机组；如负载继续下降至小于单机容量的720％且持续时间超过1min，则系统自动切除第10台机组；如此类推，直到负载继续下降至小于单机容量的90％且持续时间超过1min，则系统自动切除第3台机组。系统最少保证两台机组在线运行。
反之，如系统负载增加到大于单台发电机组额定容量的120％时，则系统自动启动第3台机组，并自动同步后合闸，向负载供电；如系统负载继续增加，至大于单机额定容量的240％，则系统自动启动第4台机组，并自动同步后合闸，向负载供电。其他机组的运行以此类推。
（3）系统带载运行中，如果任一台机组故障时，系统都将自动报警，同时启动一台冗余机组投入使用。
（4）市电恢复，则全部在线发电机组通过主控柜断开发电机组进线断路器，发电机组自动冷却延时后停机。
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。
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图3 C3000D5康明斯高压发电机组外形图 |
图4 N+1柴油发电机组并联运行示意图 |
总结
总的来说，并行框架中的每台单独的柴油发电机都包含四到六个较小的规模。如果单个发电机由不同的销售商生产，并且控制器依赖于简单和先进创新的组合，则机构的不可预测性会增加。每个柴发共享的堆决定了其发动机的速度。在并行框架中，整个负载由所有发电机分担，将每个柴发的周期与通用框架的周期同步显然是基本的。这些亮点中的每一个通常都是通过在发电机中引入小型化规模控制器。在传统的并行操作框架中。每个柴油发电机都有自己特定的控制器。尽管有代表加入框架的ace控制器。这在较小的设置中是不可行的，而在某些情况下则相当大。由于建立的巨大多方面质量和成本。每个控制器都必须引入，以便他们控制单个发电机的工作。并且必须与并行框架的工作处于协调状态。
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