柴油发电机组并联运行的原理和特点

柴油发电机组并联工作时，往往会出现负载电流不能维持均衡分配，或者出现电流和功率周期性振荡的现象，以致引起转速、电压和频率的不稳定，即发电机组不能稳定并联工作。对于这类问题，电工人员往往认为是由于柴油发电机的机械原因引起的，而机务人员则又认为是由于电气设备的原因造成的，而且双方都可证明每台机组的有关部分在性能上是正常的。

发电机的空载电势Ė将等于其端电压和内部压降的矢量和，矢量Ė和矢量Ú的相位差为θ,θ为功率角。Ė和İ相位差为Ψ＝0＋φ。发电机的输出功率为

P＝mUIcosφ

式中 m——发电机的相数，一般m＝3。

由矢量图可以看出

Ucosφ=EcosΨ

IX_dcosΨ=Usinθ

将以上两式代入发电机的功率表达式，可得

                               (1-1)

式（1-1）中的m和Xa是常量。如果发电机的电压也比较稳定的话，发电机的输出功率就和电势E和sinθ成正比。对于某一给定的E值，可以绘制一条功率P和功角θ的关系曲线，称为功角特性。对于不同的励磁电流，也即不同的电势，功角特性将是一族如图1所示的正弦曲线。当图中的θ角为负值时，发电机的功率亦为负值，表示此时发电机工作在电动机状态，通过母线从外部吸取电能。

现在来分析上述各个电量和转子机械运动之间的关系。大家知道，发电机的空载电势是由转子磁通旋转而产生的，用d和q分别表示转子的纵轴和横轴，如图2所示。转子磁通Ψ_f；总是沿着d轴方向，根据电磁感应定律，由这一磁通所感生的电势Ė应滞后磁通90°，因此Ė应沿着q轴的方向。换句话说，转子励磁电流的数值决定了电势Ė的大小，转子的横轴总代表着电势的位置和方向。当定子绕组流过三相负载电流的时候，定子电流所产生的旋转磁通（即电枢反应磁通）将使通过气隙的转子磁通变形和削弱，也即使磁通矢量的大小和方向有所改变，发电机电压就是由这一新的合成磁通Ψ_δ建立的，把发电机定子绕组的电压矢量也画在转子上（见图2）。从图2可以看出，发电机的磁链（磁通）矢量图和电压矢量图不论是形状或者随负载电流的变化规律都是相似的。因此，可以用这样的模型来比喻发电机内部的电磁现象：原动机带动发电机的转子，通过一些像弹簧一样的磁力线Ψ_δ，拖着定子的电压矢量一起旋转，从而把机械功率转化为电磁功率。随着功率的增加，磁力线与主轴间的夹角θ也增大，表明弹性磁力线被拉伸，在功率角θ达到90°时，发电机的功率达最大值。以后，发电机的功率（即原动机的负载）将随着θ的增大而减小。可以看出：在0＞90°时，如果不考虑惯性的影响，原动机功率和其负载是不能平衡的，发电机也不可能在此状况下稳定工作；当θ超过180°时，磁力线的拉力将和转子运动方向一致，原动机反而被发电机用外部电能加速，发电机落入电动机状态，和电网失去同步。

由此得到一个启示，即可以把整个发电机看成是一个弹性联轴节，弹性联轴节的特性可由式（1-1）和图1表示，而所有并联发电机组都可以看作是由这样一些联轴节在机械上互相联系在一起的等效柴油发电机，共同拖动一个公共的负载，这样就可以用一定的机电当量把电气部分也转换到统一的机械系统中去。这样做不但在发电机电磁参数（如电压、电流）变化不剧烈时是允许的，而且在侧重分析机械问题时也会带来很大的方便。

发电机矢量图和式（1-1）的功角特性固然适用于单独运行的发电机，但主要还是用于分析发电机的并联工作。因为在发电机单独工作时，从矢量图可以看出，其功角不可能超过90°，也不可能为负值，但是当发电机并联运行时，情况就可能复杂得多。例如，图3表示了两台发电机并联运行的情况。如前所述，它们具有共同的电压，两台机组的总功率应和负载功率相平衡，而每台机组的功率大小则和该机组的功率角有关，图中θ₁＞θ₂即第一台机组的功率P₁大于第二台机组的功率P₂。按照矢量图和式（1-1），功角差θ₁₂反映了两台机组的功率差别，对于一般发电机参数来说，θ₁₂＝20°～30°电角度，就足以使两台发电机的功率差别等于发电机的额定功率。由于总的负载功率是不变的，因此，一台机组的功角（功率）增加，另一台机组的功角必然减小，甚至成为负值。这就说明，在分析发电机功率变化的时候，必须要和其他并联机组的功角变化联系起来。

发电机的电磁功率就是柴油发电机的负载功率，柴油发电机负载的改变必然要影响柴油发电机的转速，导致调速器动作以改变其供油量，这说明在分析发电机功率变化的时候还必须和柴油发电机及其调速系统的动作过程联系起来。此外，发电机功率或负载电流的变化必然要导致调压器动作，以改变发电机的励磁电流，因此式（1-1）中的电势、功角、甚至电压和频率往往都不是固定值，把上述一切因素综合在一起进行分析，显然是很复杂的。

为了便于分析和定性地说明问题，人们常利用机组和无穷大电网并联的概念，即假定所研究的发电机组和一台功率为无穷大的发电机并联，整个电网的电压和频率被无穷大机组保持在固定值，而不受小功率机组功率变化的影响。这样就可把着眼点放在一台机组上，使问题大大简化，然后再把所得到的结论推广到容量相当的机组并联的条件中去。在某些情况下，如当电网容量大大超过单台发电机组容量的时候，当然也可直接用和无穷大电网并联的概念来解释。

前面曾经提到，并联运行的同步发电机其频率是严格一致的，在分析发电机功角特性时也指出，发电机的功角一般不会超过90°，就是在转子摆动过程中，功角的瞬时值也不应超过180°，否则发电机就要失去同步。或者说，在整个同步运行期间，不管运行持续了多长时间，两台发电机磁极轴线转动角度之差，积累起来不可能超过180°电角度。

发电机频率和原动机转速的关系为

                                        (1-2)

式中f——发电机的电压频率，Hz；

n——原动机的机械转速，r/min；

p——发电机的磁极对数。

由此可见，如果发电机的磁极对数相同，在整个同步运行期间，不管其负载分配是否有误差或振荡，两台柴油发电机的积累转数之差，一般不会超过1/2p转。所以要强调这一概念，是因为有的机修人员总想用检测柴油发电机机械转速的方法，来分析发电机并联运行中出现的不正常现象。显然，用一般的检测手段，这样做是行不通的。后面也会谈到并联运行中机组的转速波动问题，但指的是功率角相对某一中间值或稳定值的小范围摆动，和柴油发电机转速变化的一般概念不尽相同。