船舶發電機調壓非線性特性對發電機并聯運行性能的影響

2010-05-07 07:42:42李冬麗

船舶與海洋工程 2010年3期

李冬麗

（704研究所，上海 200031）

0 前言

船舶電力系統通常是發電機直接供電的多機小系統，系統中沒有無功補償裝置，一般也沒有其他調壓設備。因此，電網中的電壓質量直接取決于發電機的單機性能。對船舶發電機而言，表征電壓質量的主要性能指標是發電機電壓調整率，即調壓率。如果發電機的調壓特性是理想的，即發電機的端電壓隨負荷變化垂直變化，則穩態調壓率能充分反映發電機的靜態調壓特性。但在實際運行中，發電機的調壓特性會出現非線性特征，而船用標準中又缺少反映這種非線性特征的相關指標。

對于如何評估在一個整定好的電站中，多臺機組并聯運行是否經濟、合理，根據等網損微增率的原則，船標用功率分配差度的指標來表征多機并聯運行的性能。實際上，發電機的調壓特性不影響對有功功率的分配，但會影響無功功率分配差度。

1 穩態調壓率、無功功率分配差度的定義

1.1 穩態調壓率

發電機的調壓特性就是指發電機端電壓隨負荷變化而變化的特性。帶自動調整器的發電機組，在無功調差不起作用和原動機在調定的穩態調速特性下，將發電機的滿載電壓整定為額定值，當三相平衡負載自滿載至空載，再自空載至滿載范圍內均勻無急劇變化。

穩態電壓調整率δu的計算公式：

式中：U——發電機組最大（或最小）輸出電壓；UN——發電機組的額定電壓。

1.2 無功功率分配差度

式中：ΔQi——參與并聯運行的第i臺發電機組的無功功率分配差度；

Qi——參與并聯運行的第i臺發電機組實際承擔的無功功率；

QiN——參與并聯運行的第 i臺發電機組的額定無功功率。

2 發電機調壓特性的分析

2.1 發電機調壓特性的數學模型

船用發電機帶有自動電壓調節器（AVR），基本工作原理是將采集的機端電壓與給定的標準電壓 Ud比較后，比例放大，移項觸發可控硅整流橋，通過控制可控硅的觸發角來改變勵磁電流，從而改變發電機的端電壓，勵磁調節器的工作原理[1]，見圖1。

圖1 勵磁調節器工作原理

因為發電機的端電壓U與給定的電壓 Ud之差不會過大，所以發電機的端電壓不會隨負荷變化而發生明顯的改變。綜合考慮發電機本身的調節特性和勵磁調節器的工作特性，可以求得發電機端電壓U 和定子無功電流 IQ之間的函數關系近似為 1條直線。假定滿載時，發電機端電壓整定為額定電壓，見圖2。

圖2 I Q-U曲線

圖中：U0——發電機空載電壓；

IQ——發電機的無功電流；

IQN——發電機的額定無功電流。

由圖2可知：

結合式（1）、（3）、（4）可得：

由式（5）可知， QG- UG曲線為拋物線的一部分，見圖3。

圖3 Q-U曲線

2.2 發電機調壓特性非線性度

理想的發電機調壓特性是如圖3中的虛線部分，但實際上這是不存在的，且尚未計及發電機有功負荷對發電機端電壓的影響。發電機有功功率相對無功功率對發電機電壓的影響要小一些，但總是存在的。因此，引入一個新的指標來說明實際運行中的發電機調壓特性與理想的調壓特性的差別。參考標準中發電機組穩態調速特性非線性度的定義，引入一個新的參數調壓特性的非線性度γu，定義如下[2]：

穩態調壓特性曲線與對應的空載和額定點連線之間的最大電壓偏差與額定電壓之比，即調壓特性曲線空載到滿載點的連線與切于穩態調壓特性曲線且平行于該連線之直線間的相對電壓差（見圖4），表達式如下：

圖4 調壓特性的非線性度uγ

由圖4可知，空載點與滿載點之間的連線方程為

由式（7）可得：

由式（5）求導可得：

設過 (QX,UX)點的切線與空載點和滿載點之間的連線平行，則由式（8）、（9）可得：

由式（5）、（10）可得：

由式（6）、（11）可得：

從上式得出，γ是與δu相關的參數，如果考慮到發電機有功電流 IP對發電機電壓的影響以及U-IQ曲線也只是一條近似的直線，那么實際運行中得到的結果可能會比式（12）的計算結果略大一些，但是由于通常δu≤4%。有時可得γ≤0.04%。因此，實際運行中的非線性是較低的水平。理想的發電機調壓特性還是很近似實際情況的。

3 發電機調壓特性對并聯性能的影響

2臺發電機組并聯運行，不考慮發電機組出口到公共母線的阻抗，兩臺機組的端口電壓始終相同，因此，如果兩臺機組的 Q-U特性曲線完全相同，且額定無功功率相同，這兩臺機組的無功分配差度為 0。但是，實際上不可能存在完全相同的兩臺機組。現以兩臺額定無功功率相同，調壓率不同的發電機組并聯運行為例，對發電機調壓特性對并聯性能的影響進行分析。假設兩機的額定無功功率為 QN，額定電壓為 UN，調壓率分別為δ1和δ2，滿載電壓均整定為 UN，若將兩機在空載時并聯，并且無功負荷均勻地由 Q0加至 100%QN，見圖 5（a）、5(b)。