船舶發(fā)電機調(diào)壓非線性特性對發(fā)電機并聯(lián)運行性能的影響

李 冬 麗

（704研究所，上海 200031）

0 前 言

船舶電力系統(tǒng)通常是發(fā)電機直接供電的多機小系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有無功補償裝置，一般也沒有其他調(diào)壓設備。因此，電網(wǎng)中的電壓質(zhì)量直接取決于發(fā)電機的單機性能。對船舶發(fā)電機而言，表征電壓質(zhì)量的主要性能指標是發(fā)電機電壓調(diào)整率，即調(diào)壓率。如果發(fā)電機的調(diào)壓特性是理想的，即發(fā)電機的端電壓隨負荷變化垂直變化，則穩(wěn)態(tài)調(diào)壓率能充分反映發(fā)電機的靜態(tài)調(diào)壓特性。但在實際運行中，發(fā)電機的調(diào)壓特性會出現(xiàn)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(lián)運行是否經(jīng)濟、合理，根據(jù)等網(wǎng)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(lián)運行的性能。實際上，發(fā)電機的調(diào)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(wěn)態(tài)調(diào)壓率、無功功率分配差度的定義

1.1 穩(wěn)態(tài)調(diào)壓率

發(fā)電機的調(diào)壓特性就是指發(fā)電機端電壓隨負荷變化而變化的特性。帶自動調(diào)整器的發(fā)電機組，在無功調(diào)差不起作用和原動機在調(diào)定的穩(wěn)態(tài)調(diào)速特性下，將發(fā)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(nèi)均勻無急劇變化。

穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率δu的計算公式：

式中：U——發(fā)電機組最大（或最?。┹敵鲭妷海籙N——發(fā)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(lián)運行的第i臺發(fā)電機組的無功功率分配差度；

Qi——參與并聯(lián)運行的第i臺發(fā)電機組實際承擔的無功功率；

QiN——參與并聯(lián)運行的第 i臺發(fā)電機組的額定無功功率。

2 發(fā)電機調(diào)壓特性的分析

2.1 發(fā)電機調(diào)壓特性的數(shù)學模型

船用發(fā)電機帶有自動電壓調(diào)節(jié)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(fā)可控硅整流橋，通過控制可控硅的觸發(fā)角來改變勵磁電流，從而改變發(fā)電機的端電壓，勵磁調(diào)節(jié)器的工作原理[1]，見圖1。

圖1 勵磁調(diào)節(jié)器工作原理

因為發(fā)電機的端電壓U與給定的電壓 Ud之差不會過大，所以發(fā)電機的端電壓不會隨負荷變化而發(fā)生明顯的改變。綜合考慮發(fā)電機本身的調(diào)節(jié)特性和勵磁調(diào)節(jié)器的工作特性，可以求得發(fā)電機端電壓U 和定子無功電流 IQ之間的函數(shù)關系近似為 1條直線。假定滿載時，發(fā)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(fā)電機空載電壓；

IQ——發(fā)電機的無功電流；

IQN——發(fā)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(fā)電機調(diào)壓特性非線性度

理想的發(fā)電機調(diào)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(fā)電機有功負荷對發(fā)電機端電壓的影響。發(fā)電機有功功率相對無功功率對發(fā)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(fā)電機調(diào)壓特性與理想的調(diào)壓特性的差別。參考標準中發(fā)電機組穩(wěn)態(tài)調(diào)速特性非線性度的定義，引入一個新的參數(shù)調(diào)壓特性的非線性度γu，定義如下[2]：

穩(wěn)態(tài)調(diào)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(diào)壓特性曲線空載到滿載點的連線與切于穩(wěn)態(tài)調(diào)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(diào)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(shù)，如果考慮到發(fā)電機有功電流 IP對發(fā)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(fā)電機調(diào)壓特性還是很近似實際情況的。

3 發(fā)電機調(diào)壓特性對并聯(lián)性能的影響

2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行，不考慮發(fā)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(xiàn)以兩臺額定無功功率相同，調(diào)壓率不同的發(fā)電機組并聯(lián)運行為例，對發(fā)電機調(diào)壓特性對并聯(lián)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(diào)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(lián)，并且無功負荷均勻地由 Q0加至 100%QN，見圖 5（a）、5(b)。

圖5 (a)考慮調(diào)壓特性非線性時的兩機并聯(lián)運行情況

圖5 (b)理想調(diào)壓特性下的兩機并聯(lián)運行情況

圖5(a)、5(b)中曲線1、2分別代表調(diào)壓率為δ1的 Q1-U 曲線和調(diào)壓率為δ2的 Q2-U曲線。當兩機總的無功負荷為2 QN時，即

由式（2）可得：

在圖5(a)中

由式（13）、（14）、（15）、（16）可得：

在圖5(b)中：

由式（13）、（14）、（18）、（19）可得：

由式（17）、（20）可得：

從推導中發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機的調(diào)壓特性是影響兩臺同型號的發(fā)電機組無功分配差度的主要因素，而非調(diào)壓特性的非線性特征，當考慮非線性工況得到的無功分配差度甚至可能少于理想的調(diào)壓特性所求得的無功分配差度。

由式（20）還可以發(fā)現(xiàn)在船舶發(fā)電機組單機的性能整定過程中，盡可能地減小機組之間調(diào)壓率的差異，并在標準允許范圍內(nèi)適當增大調(diào)壓率都有益于減小發(fā)電機組并聯(lián)運行時的無功功率分配差度。

4 結 語

通過對發(fā)電機調(diào)壓特性非線性特征的討論，探討了該非線性特征在理論上的產(chǎn)生原因，并證明了其與理想狀態(tài)非常接近。同時，通過對其對發(fā)電機并聯(lián)運行時無功功率分配差度的影響進行了分析，認為這種非線性特征并不能真正對功率分配差度產(chǎn)生明顯的影響。

[1] 李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設計及應用[M].北京：中國電力出版社，2002.

[2] GB/T 13032-91，船用柴油發(fā)電機組通用技術條件[S].中華人民共和國國家標準.