康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

新闻主题	多台不同功率柴油发电机组并网原理说明

 

摘要：康明斯电力公司智能并机系统，其主控制器均采用Cummins品牌主控制器。其在大部分大型IDC数据中心及海外电站群项目应用广泛，性能、外观、可靠性均有非常好的反馈，操作简便、人性化。该智能并机系统主控制器为PCC3.3系列，可实现最多16台发电机组并机（所有并机发电机组为一组），并可以实现组与组之间进行BTB（组与组）并机模式，扩展至256台发电机组并机，扩展性非常强。

一、并机系统的构成与作用

      PCC3.3并机系统设置一只控制屏（置于发电机组侧），含发电机组的控制、保护等，与并机功能集成，能够实现发电机组之间并机。多台柴油发电机组并联系统配置一套HMI（人机界面）集中监控，显示系统包括并机状态、负载分配状态和各台发电机组的参数、报警等。硬件构成包括功能构成（发电机组控制、并机控制、功率分配、负载分级控制、保护控制、集中显示控制）、其他配合设备如配电系统，发电机组的进线柜、馈线柜、接地电阻柜、PT柜、直流屏和低压配电系统组成一套完整的供电解决方案，实现最可靠的“最后一道保障电源”，为终端用电用户提高用电的保障及可靠性。

1、自启动功能

（1）图1为PCC3.3智能并机控制方案及并机系统连线图，每台发电机组配置一套PCC3.3智能并机控制屏。主控制器收到起机命令时，延时可调，所有发电机组同时启动，最先满足电压和频率的发电机组率先合闸，其余发电机组将自动准同期合闸。发电机组控制器之间通过工业级CAN总线进行通信。CAN总线具有功率管理和负载分配功能。

（2）高速的CAN总线通信，使得负载分配迅速均衡，CAN总线通信使得各模块之间的电气联锁更加安全和可靠。当多台并机发电机组内的任意一台发电机组离线，主控制器的组态技术可以使其他发电机组均能监测到，如图2所示。

（3）所有发电机组并机成功或达到用户规定的台数时，PCC3.3智能并机屏将发出总出口开关允许合闸信号，这不需要外部PLC来完成。

（4）发电机组并机运行，合闸输出成功，在可设定的时间内，转为功率管理功能，根据负载大小，自动增、减发电机组。

2、停机操作

      市电恢复后，停机操作有两种方式供用户选择。

（1）不间断恢复（无人值守管理模式）

      这种模式需要当地供电局认可，允许反同期并网。就是电站模块中设置一个与电网并联的模块，它将通过CAN总线命令所有发电机组控制模块，跟踪市电电压、频率，调整发电机组电压和频率，发出市电准同期合闸指令，市电开关合上后，发电机组负载将平滑转移到市电，发电机组各开关解列、分闸和冷却停机。

（2）间断恢复

      市电恢复时，人工干预逐级卸分路负载后，发电机组控制屏可自动控制（也可手动控制）如下过程：油机总输出开关分闸，再将市电开关合闸，再投入分路负载，再发出市电恢复信号，发电机组将自动解列并冷却停机，再次进入准备状态。

      如市电恢复，直接手动分发电机组总输出开关，这属于突卸负载，会引起发电机组频率瞬间上冲；这种情况下，只要频率保护设定范围够宽，并机控制器将迅速自动调整控制，整个并机系统将保持稳定运行。

3、接地电阻柜的控制

      高压并机所有运行发电机组中性点只有一点接地。这需要控制高压中心接地电阻的真空接触器的投入顺序。并机控制器集成了PLC控制功能，可直接控制并机投入发电机组中性点接地电阻投入的顺序和数量。

 

图1 柴油发电机组并机系统连线图

图2 柴油发电机组高速CAN总线通信系统

 

二、并机控制系统主要功能

 

      PCC3.3系列控制屏除具有基本的发电机组控制和保护功能外，还具有智能远程“三遥”监控功能及良好的通用性，交流回路与直流回路分开，且分别采用标准航空接插件与柴油机及发电机连接。该屏采用世界先进技术，在结构上十分简单紧凑，功能十分强大，操作非常方便，性价比极高，是各行各业，尤其是通信机房无人值守后备电站的理想解决方案。同时，还提供标准的RS232/485计算机通信接口，具有友好人机界面的上位机软件，用户可以用PC就近连接或通过公用电话网远程拨号，上网监控多台发电机组。并可通过RS232/485接口和硬连接两种方式接至BAS系统。

1、控制保护功能

（1）手动和自动控制单台发电机组的起停及自动转换控制功能。

（2）参数显示：油压、水温、电池电压、运行时间等油机参数，三相相电压、相电流、频率、功率因数、有功功率、无功功率、发电量等发电机电参数，市电三相线电压、三相相电压和频率等市电参数。

（3）发电机组机油压力低、润滑油温度高、冷却水温高、冷却水断水、燃油量过低、超速、超频、低频、速度信号丢失、自启动失败、过电流、电压过高或过低、厂用电相序错误、发电机相序错误等保护停机功能。

（4）发电机组机油压力低、油压水温传感器故障、冷却水温过高或过低、冷却水断水、燃油量过低、超速、超频、过电流、电池电压过高或过低、厂用电相序错误、发电机相序错误等故障报警。

      由于发电机组允许采用集中供电方式，集中控制。在控制室可设置控制屏（用户配备），引入发电机组控制信号，开关控制信号，测量信号等，以实现远方控制和监视。为了实现对全部发电机组进行监控。

2、负载分级管理的功能

      高速的CAN总线通信，可以根据发电机组有功功率、视在功率启动、停机，这里又可分为根据百分比起停机和储备功率启动、停机。功率管理系统说明见表1。

      控制系统还具备负载分类功能，满足设定几级负载，根据负载的重要性按照顺序在发电机组设定的“剩余功率”满足的情况下优先带载，可以根据设定控制对负载分类的总开关合分闸，根据负载的重要性依次进行加载，控制系统具备A、B、C三级负载分类，三个输出点，可以通过控制器本身的PLC逻辑进行编程定义输出，所有的并机发电机组控制系统均具备三个输出点，将所有的A类负载并在一起，B类负载并在一起、C类负载并在一起，每级负载总输出开关具有中间继电器，由输出点控制，从而对主开关进行合、分闸控制，满足负载分类，以2台发电机组为一个系统、2级负载为例的负载管理功能如图5-7所示。

      如图3所示，发电机1＃被启动，然后发电机2＃启动，表示两台发电机组和两个负载给出的一台AGC200上剩余功率负载电器R₁和R₂连接着。发电机1＃被启动，当G1合闸时，定时器t₁开始运行，当定时器t₁计时结束后，所选的R₁继电器激活，此时图中200kW负载被接入，此时剩余功率下降至300kW，一段时间后，发电机2＃被启动，并同步其发电机开关，当G2合闸后，定时器t₂开始计时，当定时器t₂届满后，所选的R2继电器激活，此时第二个负载200kW被接入，剩余功率下降至600kW。

 表1    功率管理功能表

3、并机显示系统描述

      针对并机数量较多时，可设计集控系统对电站群内的每台发电机组实现集中监控，可以实现不限于以下功能：

1、系统单线图，并通过系统单线图显示各设备状态；

2、显示每台发电机组的运行状态；

3、显示每台发电机组的预告警、告警和故障状态；

4、显示每台发电机组的运行记录和故障记录；

5、系统保护功能。

      可以通过配套工业交换机（HUB）、RS485／TCP-IP通过网线与（HMI）人机界面（15寸液晶屏）与主控制器进行连接后，通过专业的MGCS组态软件进行相应的编程，界面均可以个性化编辑，并机监控系统如图4所示。集控系统具备扩容能力只需要增加工业交换机及转换模块即可实现硬件上的扩容，可以在硬件完全满足的条件下进行编程，以便后期扩容。

 

图3 柴油发电机组负载管理功能示意图

图4 柴油发电机组并机监控系统图

 

三、并机原理及运行模式

 

1、并机工作原理

（1）控制屏设计

      发电机组并机系统采用控制与并机一体进行设计，每套系统设置一只主控屏，系统还可配置一套（HMI）人机界面，完成人机界面，显示系统并机状态、负载分配状态和各台发电机组的参数等，面板界面如图5所示。

（2）分布式控制方式

      传统的方式为通过设置优先级来控制级别较高的发电机组进行并机，这种方式并机的时间受优先级高的发电机组影响，甚至会造成优先级别较低的发电机组无法进行并机。而分布式控制方式如图6所示，为最先稳定的发电机组合闸后其余发电机组均能够在达到同步并机设定后完成合闸并机，这样速度更快，也不会因单台发电机组的控制系统问题而造成整个并机系统的瘫痪。并机控制屏可安装于发电机组旁，或集中布置。分布式的优点为一台发电机组的故障不影响整个系统，并可方便地在运行中处理故障。整个系统由多个并机系统和一只触摸式显示屏组成，系统通过网线连接到工业交换机，两者之间通过网线TCP/IP传输数据。

（3）同步方式

      系统采用频率和电压同步的方式并联，并联控制系统通过CAN通信，对整个系统的控制屏进行通信，自动调整发电机组的频率和电压，使之不受负载增加和减少的影响，保持在设定值以内。发电机使用（DVR）数字调压器，带有Droop 功能和无功分配功能，此功能允许手动并机，在并机系统完全损坏的情况下，利用发电机的带载特性进行手动无功功率分配。

2、并机系统操作方式

（1）自动方式：

      发电机组和系统设定在自动模式，并机系统检查市电状态，当市电故障时，经延时确认，启动所有（或者设计启动贮备，可以根据负载的状况进行投入发电机组）自动状态的发电机组，发电机组启动后自动将电压和频率调整至设定值，系统中最先到达设定值的发电机组，最先投入到并联母线，其余的发电机组检测各自并机开关上下口电压、频率、相位，自动控制发电机组的频率和电压进行追踪，达到一定的窗口设定值和同步时间后，命令开关闭合，自动同步过程结束，系统将自动分配功率给所有在线发电机组。

① 自动功率控制功能

      自动状态下可以开启功率控制功能，并机系统检测总的输出负载，自动增减发电机组台数，功率控制的百分比可在一定范围内设定（并机完成后送电，何时进行负载分配可以设定）。

② 自动停机过程

      当控制系统接收到市电可用信号，经延时确认后，此时已将负载由发电机组转移到市电，整个发电机组将进行停机过程，控制系统确认发电机组功率低于设定值时，控制系统才自动断开断路器，发电机组解列。发电机组控制系统自动进行冷却停机程序，停机后进入待机状态。

（2）手动方式

① 手动解列过程

      所有在线运行的发电机组允许手动解列，在并联系统中触发对应的发电机组停机按钮，控制系统将首先进行负载转移过程，被解列的发电机组功率逐步降低，达到设定值后，并联开关自动断开，发电机组解列。发电机组控制系统自动进行冷却停机程序，停机后进入待机状态。

② 紧急停机过程

      当运行中的发电机组发生停机故障或按压紧急停机按钮，并联控制系统将立即断开对应的发电机组断路器，并控制发电机组停机，如故障或急停发生在并联系统侧，发电机组无故障，则发电机组进行冷却停机过程，停机后待机状态，在并机系统控制屏上将显示报警信息；如急停或故障发生在发电机组侧，则发电机组立即停机，并在发电机组控制屏和并机系统控制屏上同时显示报警。

③ 手动并机操作

      发电机控制屏设置在手动状态，并机系统设置在手动状态，并机系统不检测市电状态，由人工控制。当需要启动发电机组时，手动启动发电机组，在并联系统处触发合闸或投入按钮，并联系统将自动同步，自动合闸，并联后自动功率分配。停机过程，系统工作在此方式下无法自动停机，首先进行发电机组解列，在并联系统处触发停机或解列按钮后，对应的发电机组将自动转移负载，当负载减小到设定值时，自动断开断路器，发电机组解列完成，此时发电机组继续运行，需手动停机。

 

图5  柴油发电机组并机控制器界面示意图

图6 柴油发电机组并机原理图

 

摘要：

      康明斯发电机组可提供TCP/IP或RS485数据/控制接口，通过使用MODBUS协议能够方便地与客户进行远程监控网络对接，实现远程数据的采集和监控。监控内容包括发电机组运行参数、状态参数、并联系统的状态参数、运行参数和报警信息等。并机系统使用康明斯PCC3.3智能并机控制系统，与发电机组的控制屏一体，此系统专为康明斯电力技术有限公司发由发电机组设计生产制造。与其余的品牌发电机组可以实现兼容，保证以后扩容时兼容其余控制系统。并机控制屏使用15寸（1in＝0.0254m）彩色触摸屏作为并联系统集控操作，可状态显示、参数显示、并机单线图显示，中文界面。可进行扩容至16台发电机组。

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