船舶不同容量柴油發電機組并聯運行分析

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(武昌船舶重工有限責任公司 海工裝備設計公司，武漢 430060)

船舶在進出港、靠離碼頭、裝卸貨等工況下，使用的輔助動力設備比較多，一臺發電機承受的負載往往會接近或者超過發電機額定負載。在這種情況下，就需要用兩臺或兩臺以上發電機同時工作。同樣，在船舶長時間的航行過程中，發電機因輪流工作而作轉換時，不可能突然停止，需要通過并聯運行，將一臺發電機的負載轉移到另一臺發電機上。所以，當船上裝有兩臺以上發電機需要做并聯運行試驗。

不同容量發電機的并聯運行試驗涉及面廣，技術難度大。而船東出于使發電機經常處于最佳運行狀態，提高燃油的經濟性，以及合理使用電能的考慮，要求不同容量發電機組能夠長期并聯運行。但并聯后假設電網的負載突變，即使調整設備特性相似，可能大容量的機組增長了幾分之一的功率，而容量小的機組就已經過載，如果該發電機主開關跳閘，將會引起電網的崩潰，后果不堪想象。而且長期的電流過載會使發電機過熱引起絕緣老化和損壞，長期的功率過載會導致原動機的壽命縮短和部件損壞。因此，應研究并聯運行的技術方案來保證船舶電網的安全和穩定。

1 分配原則和要求

并聯運行時負荷的分配方案有:比例分配法、溢流分配法和最佳負載分配法。對于僅有柴油發電機組的船舶電站而言，主要是按比例負荷分配法，規范中的技術要求也是比例分配法，故本文討論的負載分配方法采用比例分配法。

并聯運行的同步發電機，各機組所承擔的無功功率應按機組額定容量成比例分配。這一要求是基于下述兩條理由而提出來的。

1)無功電流不按比例分配，會造成部分機組電流偏大，部分機組電流偏小。會使總的定子銅損增加，使效率降低。設兩臺機組并聯，負載為純電感性質，負載總電流I=I1+I2為常數，則兩機定子銅損之和為

若令d ∑Pa/dI1=m(2I1-2I+2I1)ra=0,則得I1=I/2， 此時兩機定子銅損之和∑Pa最小。

式中:∑Pa——定子銅損之和;

I——負載總電流;

I1、I2——兩臺機組負載電流;

ra——負載阻抗

2)并聯機組所承擔的無功電流不按比例分配，會造成某些機組電流過載，另一些機組可能轉化為輸入滯后無功電流的運行狀態。電流過載將導致保護電器動作，發生不應有的斷電事故。

CCS《鋼質海船入級規范》對交流發電機并聯時負載分配及保護的要求如下[1]，美國ABS船級社和挪威DNV船級社對負載分配與CCS船級社類似。

1.1 負載分配要求

并聯運行的各交流發電機組均應能穩定運行，且當負載在總額定負載的20%～100%范圍內變化時，其負載分配應符合下列規定。

①各機組所承擔的有功負載與總負載按機組定額比例分配值之差應不超過最大機組額定有功功率的±15%或各機組額定有功功率的±25%兩個數值中的較小者。

②各機組所承擔的無功負載與總無功負載按機組定額比例分配值之差，應不超過最大機組額定無功功率的±10%或各個機組額定無功功率的±25%兩個數值中的較小者。

1.2 發電機的保護要求

船舶同步發電機是船舶電站中最重要的設備，各種不正常運行和故障會造成發電機的損壞，針對船舶同步發電機可能出現的不正常運行狀態和故障，各船級社均設有欠電壓保護、過載和短路保護和逆功率保護。因此需要設置主配電板保護裝置，即安裝在主配電板上用來控制主開關的裝置。主開關一般采用的是框架式自動空氣斷路器。見表1。

表1 發電機的保護

注：Ue，Ie，Pe分別是額定電壓，額定電流和額定功率

2 實例分析

“科學號”船是武昌船舶重工有限公司為中國科學院建造的一艘承擔我國深海遠洋科學調查任務的現代化海洋科學綜合考察船，是目前國際最先進的海洋科學綜合考察船之一。采用電力推進系統，AC690 V，50 Hz，共設置了3臺相同型號相同容量的主發電機組(1～3號機組)，每臺2 610 kW, 1臺758 kW停泊發電機組(4號機組)，總功率為8 588 kW，見圖1。

冬季全速航行時需要2臺主發電機組和停泊發電機組并聯運行，走航測量，拖曳/拖網的工況下1臺主發電機組和停泊發電機組并聯運行。

2.1 功率分配

以下分析均以1臺主柴油發電機為1號，停泊發電機組為2號。

并聯同步發電機組無功電流的分配與各發電機的電勢及同步電抗的數值有關，也與有功功率的分配有關。在以下的討論中，不考慮有功分配不均而引起的無功分配不均的情況。

并聯運行發電機的2臺發電機之間，盡管承擔的有功功率相同，若無功功率分配不等，1臺發電機有可能出現提前過載，因此對于不同功率的發電機并聯運行，則要求按比例分配無功功率。因此，電勢不等，無功分配不均勻；電勢相等，無功均勻分配[2]。因此要使無功功率均勻分配必須調整電勢，保證電網電壓始終為額定電壓，而調整電勢的方法是調整勵磁電流。

圖1 科考船電力系統單線圖

圖2 兩臺發電機并聯運行時無功功率調整向量

圖3是兩臺發電機并聯運行時有功功率轉移的調整過程。調控前2號機組僅承擔無功功率，1號機組承擔的無功功率分量和2號機組相等，即無功功率已經均分，而有功功率只有1號機組承擔，2號機組尚未承擔。柴油發電機輸出給負載的能量就僅僅由進油量(另外還包括進空氣的量及燃燒的完全程度)的大小所決定，即由調速器進行自動調整。調控過程與無功調控類似。

圖3 兩臺發電機并聯運行時有功功率調整向量

2.2 試驗步驟

3臺主柴油發電機組(1號，2號，3號)分別與停泊發電機組(4號)并聯運行負載試驗。即做1、4號，2、4號，3、4號以及1、2、4號，1、3、4號，2、3、4號的并聯運行試驗。運行中發電機組在50%額定負載時，電壓和頻率調至額定狀態，并入待并發電機組，每個負載點并聯運行時間為5～10 min，測量各負載點時每臺發電機的有功功率、電壓、功率因數、電流和頻率。

有功功率滿足：各發電機實際承擔的有功負載與總負載按機組定額比例分配值之差不超過停泊發電機額定有功功率758 kW的±25%，也就是±189.5 kW。

無功功率滿足：各發電機實際承擔的無功負載與總負載按機組定額比例分配值之差不超過停泊發電機額定無功功率568.5 kW的±25%，也就是±142.1 kW。

2.3 試驗數據

調進油量能調整有功功率的分配比例，調勵磁電流可調節無功功率的分配比例，實際調節功率分配的方法：調進油量可通過主配電板上的伺服電機來操縱，使主配電板上功率表讀數之比值滿足試驗大綱的規定；在功率表讀數已滿足要求的前提下，調節發電機的勵磁電流，使發電機電流表的讀數之比值滿足試驗大綱的規定。

1、2、4號機組并聯運行數據見表2，發電機保護試驗數據見表3， 其它機組的系泊試驗數據類似。

綜上，該機組的并聯運行試驗的數據滿足船級社規范的要求，其系泊試驗結果合格。

為使不同容量發電機組并聯運行穩定可靠，海洋科學綜合考察船采用同一品牌的調速和調壓裝置，各調整特性盡可能相同，即調壓調差系數和調頻調差系數盡可能相等。為了滿足并聯運行時的負載分配要求，隨著負載增加、柴油機轉速相應下降即負載特性應為有差的下降特性。應盡量使并聯機組的下降特性的斜率保持一致[4]。

3 結束語

船廠在建造或前期方案設計類似船舶時，應對并聯運行的柴油發電機組作選型考核：并聯運行的各個機組容量應盡可能相同或相近，并要求調整特性盡可能相同。即調壓調差系數和調頻調差系數盡可能相等，建議采用同一品牌的原動機、調速和調壓裝置。當實際機組的調差率不可能做得完全相等時，為減小無功環流，應使單機的調差率適當大一些。

表2 1、2、4號機組并聯

表3 發電機保護試驗

試驗結論：合格(滿足各機組承擔的有功功率與總負載按機組定額比例分配之差不超過189.5 kW，各機組承擔的無功功率與總負載按機組定額比例分配之差不超過142.1 kW)

在柴油發電機組的系泊試驗調試中，有如下經驗。

1)調節進油量能調整有功功率的分配比例，調勵磁電流可調節無功功率的分配比例，實際調節功率分配，應先調進油量可通過主配電板上的伺服電機來操縱，使主配電板上功率表讀數之比值滿足規范要求；在功率表讀數已滿足要求的前提下，調節發電機的勵磁電流，使發電機電流表的讀數之比值滿足規范要求。

2)在不同容量的交流發電機組并聯運行時，有功功率的分配比例與無功功率的分配比例之間有相對獨立性——可以在有功功率之比不變的條件下改變無功功率之比，也可以在無功功率不變的條件下改變有功功率之比。

3)無論并聯運行的發電機組是否同型號，也無論采用何種型號的調壓器和調速器，必須滿足端電壓相等及定子電流矢量和為總電流兩個條件。

[1] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 胡福保.船舶電氣設備調試方法問答[M].北京：國防工業出版社，1990.

[3] 姜錦范.船舶電站及自動化[M].大連：大連海事大學出版社，2005.

[4] 馮茂巖.兩臺不同容量不同型號發電機組并車設計[J].中國修船，2001(5)：21-22.