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摘要：小型发电机因其体积小、质量轻、便于运输的优点，非常适合作为应急电源快速布置在地铁各类应急现场。但小型发电机也 存在容量不足的缺点，导致其无法满足一些大功率设备的工作要求。目前发电机并机技术多数应用于大型发电机，在小型发电机上 应用较少。针对小型发电机作为应急电源容量不足的缺点，提出一种适用于地铁运营现场的小型发电机并机的方法，通过精确调整 发电机输出电压的电压及频率后，利用示波器监测两台发电机的输出电压，寻找合适的并机时间点进行并机操作，这种方法简单易 行，可在任何现场实现并机。同时进行了并机后的相关带负荷试验，分析带负荷过程中各发电机的负荷特性，总结并机带负荷的相 关注意事项，验证了这种小型发电机并机方法在地铁运营工作现场应用的可行性。
关键词：小型发电机,并机运行,地铁应急现场
Study on Parallel Operation of Small Generator in Subway Emergency Site
Chen Chongkun，Zhou Dalin，Xiao Taogu，Chen Yifu，Zhang Shaofeng，Lu Qimin
( Guangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510330.China )
Abstract：Small generators，due to their small size，light weight and convenient transportation，are very suitable for rapid deployment in various emergency sites of subway as emergency power supplies.However，small generators also have the disadvantage of insufficient capacity，which makes them unable to meet the working requirements of some high-power equipment.At present，most of the generator parallel technology is applied to large generators，but less to small generators.Aiming at the shortage of small generator as emergency power supply capacity，a method of small generator paralleling suitable for subway operation site was put forward.After accurately adjusting the voltage and frequency of generator output voltage，the output voltage of two generators was monitored by oscilloscope to find the appropriate paralleling time point for paralleling operation.The method was simple and easy，and could realize paralleling in any site.At the same time，the relevant load tests after parallel operation were carried out，the load characteristics of each generator in the process of load were analyzed，the relevant precautions of parallel operation and load were summarized，and the feasibility of the application of the small generator parallel operation method in the subway operation site was verified.
Key words：small generator;parallel operation;subway emergency site
0 引言
小型发电机体积小、质量轻、便于运输，非常适合 作为应急电源，目前广泛应用于地铁的各种场合，尤其 在一些大型发电机无法到达的区域，小型发电机的便携 优势显得尤为重要，为应急工作提供重要的帮助。但小 型发电机容量偏低，无法满足一些大功率应急设备(如 水泵、风机等)的工作要求。
为满足现场实际负荷需求，考虑将多台小型发电机 进行并机以达到扩大容量。目前发电机并机技术多用于 大容量发电机组，在小型发电机领域无相关产品或指导。 地铁日常运营管理中，为方便运输，现场配置了较多小 型发电机，但若遇到区间水泵或隧道风机等大功率负荷 时，小型发电机因容量不足无法满足这类负荷的要求， 为充分发挥小型发电机的作用，本文针对现场两台或多台小型发电机并机运行的可行性进行研究，提出一种适用于现场的并机操作方式，并通过精确调整发电机输出 电压的电压及频率，利用双通道示波器监测两台发电机 的输出电压，寻找合适的并机时间点对两台发电机进行 并机操作，该方法简单易行，可在地铁任何现场实现 并机。
1 小型发电机并机运行基本要求
发电机并机，是指两台或多台发电机并联在一起向 负荷供电。两台发电机并机运行时，为了避免两台发电 机之间发生电流的冲击和转轴突然受到扭矩，应使两台发电机输出的每相的电动势瞬时值一直相等，此条件包含4条要求[1]：( 1 ) 两台发电机的频率相同;( 2 ) 两台发电机的波形相同;( 3 ) 两台发电机的电压、相位相 同;(4 ) 两台发电机的相序相同。
如果频率不同，两台发电机的电压相量之间有相对运 动，将产生数值一直在变化的环流，引起电机内的功率振荡。如果波形不同，则在两台发电机内产生高次谐波环 流，使发电机的运行损耗和温升升高。如果电压的大小和 相位不一致，则会在两台发电机之间产生环流，若极性相 反时进行并机操作，瞬间的环流数值可达到20~30 倍的电 机额定电流，该环流在发电机里产生巨大的电磁力冲击， 损坏其定子绕组端部。如果相序不同，则两台发电机的 某一相输出之间存在很大的电位差，这个电位差会产生 巨大的环流和转矩冲击，严重损坏发电机。
2 小型发电机并机运行的方法及原理
常用的发电机并机方法有两种：( 1 ) 准确同步法， 将两台发电机调整到满足文前所提的并机运行条件后再 进行并机的操作;(2 ) 自同步法，将其中一台发电机的 励磁绕组经限流电阻短路，当该发电机转速升到和另一 台发电机转速相近时(两台发电机频率相差± 5% ) 进 行并机，然后马上恢复该发电机励磁。
本文的并机操作基于准确同步法，使用准确同步法 进行并机时，冲击电流很小，有利于保护发电机。基本 原理如下：设两台发电机的相序相同，由于两台发电机 输出电压的中性点是等电位，假设两台发电机的电压相 同、但频率不同，可得到两台发电机的电压向量如图1 所示。图中：Ua1 、Ub1 、Uc1 为发电机1三相输出电压;Ua2 、Ub2 、Uc2 为发电机2三相输出电压;w 1 为发电机1角频率;w2 为发电机2角频率;Ua1 = Ua2.Ub1 = Ub2.Uc1 = Uc2.由图可知，因为两台发电机的频率不同，则w 1 ≠w2.因此发电机2 的各相输出电压会以(w 1 -w2 )的角速度对发电机1 的各相输出电压进行旋转。在旋转 过程中，两台发电机的输出电压差以ΔU 表示，以A 相 为例，可知在旋转过程中，当Ua1 与Ua2 重合时，ΔUa =0; 当Ua1 与Ua2 反相时，ΔUa =-2Ua1;即ΔUa 会在0~-2Ua1 之 间交替变化。
显然，当ΔU=0 时进行并机操作最为合适，冲击电 流为0.并机后，ΔU 又会缓慢变大，这时候其中一台发 电机会自动牵入同步，这种作用称为自整步作用。自整步作用的原理如下：由于两台发电机的频率不同，并机 后，在ΔU 的作用下，两台发电机之间会产生环流，由 于同步电抗远大于电阻，因此环流与频率较低的发电机 形成负电磁功率，与频率较高的发电机形成正电磁功率; 频率较低的发电机在负电磁功率的作用下，其轴上受到 驱动的电磁转矩，成为电动机状态，转速逐渐上升;频 率较高的发电机在正电磁功率的作用下，其轴上收到制 动的电磁转矩，使电机的转速降低。两台发电机并机后， 在ΔU 的作用下会各自调整自己的转速，直到两台发电 机的转速一样，这个相互匹配的过程，称为牵入同步。
3 两台小型发电机并机操作
按照并机的基本要求，将两台发电机的输出通过一个断路器作为并机MCB 连接，使用双通道示波器监测两台发电机输出的电压和频率。装置接线如图2所示。
并机前，先通过调整两台发电机的式，使两台发电机的输出电压有效值及频率基本一致， 误差控制在1% 以内，误差越小，并机时的冲击电流越 小，有利于提高并机成功率及保护发电机。
通过示波器观察两台发电机的输出波形如图3所示。 因为两发电机的输出频率仍存在细微的差别，所以，两 个发电机的输出波形仍会有轻微的相对运动，但相对运 动较为缓慢。
下一步，密切观察示波器中两个波形的相对运动， 当发现两个波形重合的瞬间，迅速合上并机MCB。并机瞬间，其中一台发电机可能会有轻微的抖动或者有个加 大出力的反应，这个属于正常现象，原因是两台发电机 在进行上文提到的牵入同步的过程。检查两台发电机的 输出MCB 及并机MCB 是否跳闸，两台发电机的运行声 音是否平稳，若无异常，说明并机成功。并机后，示波 器中的波形如图4所示。
若两个发电机工作正常，并机后并机线中应无电流。 若检测到存在较大电流，说明其中一台发电机一直无法 完成牵入同步，同时以电动机的状态，成为了另一台发 电机的负荷。遇到该情况，应断开并机开关，检查两台 发电机是否存在故障。主要检查以下功能：( 1 ) 两台发 电机是否能正常调整电压;(2 ) 两台发电机是否能正常 调整频率;(3 ) 两台发电机是否能正常带负荷。若以上功能异常，一般是由于发电机的电子调速器、调压器或控制器故障所导致[4]，应重点检查以上部件的功能。
4 发电机并机的停机
当不再需要为负荷供电，需停止发电机的并机运行时，应按以下步骤进行：( 1 ) 将所带负荷停机;( 2 ) 断开两台发电机之间的并机MCB (图2); ( 3 ) 断开两台发电机的输出开关;(4 ) 将两台发电机停机。
5 两台小型发电机并机负载试验
为验证并机后的带负荷能力，本文分别进行相同及不同容量发电机的并机带不同类型负荷的负荷试验。
5.1 两台同功率发电机并机负载试验情况
使用两台5kVA 发电机并机后，通过变频器启动一 台7kW 的抽水泵，测量水泵电流及两台发电机的输出 电流曲线如图5所示。由图可知，随着水泵的启动，水 泵电流在逐步上升，两台发电机的输出电流也同时上升， 可发现，两台发电机的输出电流基本均等，即两台电机 的出力基本均等，共同承担了水泵负荷。并机带负荷， 实质是两台发电机之间的功率分配。发电机并机运行后， 在稳定状态下，两台发电机的有功功率分配是由发电机的功频特性决定的，只有当两台发电机的调差系数相同 时，两台发电机分担的功率才与本身的容量成比例[4]。
但两台发电机的调差系数无法绝对一致，因此，即使两 台型号相同的发电机，在实际带负荷时，有功功率的分配也不是绝对平均的。
5.2 两台不同功率发电机并机负载试验情况
使用一台5kVA 发电机与一台8kVA 发电机并机后， 逐步增加负荷，测量总电流及两台发电机的输出电流曲 线如图6所示。可见，随着负荷的逐步增加，两台发电 机的输出电流也同时上升。观察各自电流可发现，两台 发电机的输出电流与发电机的容量相关，发电机容量越 大，其分担的负荷电流也越大。当负荷持续增加，小容 量发电机首先达到其额定输出电流并保持稳定，随后负 荷继续增加，但小容量发电机输出电流将不再变大，后 续增加的负荷由大容量发电机负担。
5.3 发电机并机后带远距离大功率负荷情况
发电机并机后，带远距离的大功率负荷(区间水 泵)进行测试。测试发现，若负荷采用直接启动的方式，全压启动电机时，其启动电流可达到电机额定电流 的3~7 倍[5]，将造成发电机的电压急剧下降，导致负荷 无法正常启动[6]，如图7所示。
同时，由于两台发电机的输出电流并不完全一致，所以两台发电机被拉低的压降也存在差异，这会导致两台发电机发生功率震荡并产生强烈抖动，破坏了两台发 电机的同步状态，严重情况下，会引起发电机输出跳闸 或损坏发电机。
产生功率震荡的原因有很多，按类型分，主要有自 由震荡、强迫震荡两种。自由震荡一般是由于负载的突 然变化，如投切大功率负荷或者系统发生短路故障;强迫震荡一般发生在三相负载不平衡时，导致发电机发生 的周期性震荡[7-8] 。
除了电机启动的原因，电能在长距离输送的过程中，由于线路阻抗的存在，线路上会产生电压损失，导致负荷处的电压会比发电机输出的电压要低[9]，距离越长， 线路阻抗的影响越大。因此，发电机并机后，若其负荷 为远距离的大功率负荷，为保证并机输出正常，应保证 以下条件：( 1 ) 并机发电机总容量应大于负荷功率两倍 或以上;(2 ) 并机发电机的放置点应尽量接近负荷，减少供电电缆的长度;( 3 ) 供电电缆使用大线径的电缆;(4 ) 尽量采用星三角启动[10] 、变频启动或软起动等方式 启动负荷[11] 。
6 结束语
目前发电机并机技术主要应用在大容量发电机上， 但地铁抢险现场多使用小容量发电机，为解决小容量发 电机在抢险现场容量不足的问题，本文从电机并机的原 理着手，提出了一种适用于地铁现场的发电机并机方法。 通过该并机方法，可以任意现场实现两台或多台发电机 的并机运行。并且通过现场并机试验及各种情况下的负 荷试验，验证了该方法的可行性，同时针对试验过程中 遇到的一些常见问题(如功率分配、功率震荡等)，给 出相关的建议及解决方案。以上工作表明在地铁抢险现 场工作中，将两台或多台小型发电机通过并机运行的方式向大功率负荷供电，可作为在现场应急工作的一种应 急电源解决方案。
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