非線性負載下發電機數字勵磁系統研究和應用

李 逸，張茂玲，姚立元，甘佐軍

(鎮江中船現代發電設備有限公司，江蘇 鎮江 212009)

非線性負載下發電機數字勵磁系統研究和應用

李 逸，張茂玲，姚立元，甘佐軍

(鎮江中船現代發電設備有限公司，江蘇 鎮江 212009)

針對傳統勵磁系統存在發電機帶非線性負載時發生電壓采集信號失真和不穩定等問題，提出數字式勵磁系統代替傳統勵磁系統的方法。該方法主要在發電機內增加數字勵磁系統運行所需的電子元件，以及相關的勵磁模塊的系統安裝板。數字式勵磁系統既可以提高系統的穩定性和實時性，又可以根據負載變化作出快速的響應。實例驗證了該方案可以讓系統更加可靠運行，性能明顯提升，具有重要的實用價值。

非線性負載；柴油發電機；數字式勵磁系統

0 引言

傳統的勵磁系統雖然能滿足一般需求，具有結構簡單、便宜實用等優點，但在大量非線性負載下運行時不穩定，對系統造成了嚴重的影響。因此，為了提高系統的可靠性和穩定性，本文采用數字式勵磁系統代替傳統的勵磁系統。

1 數字勵磁系統和模擬式勵磁系統的比較

傳統的船用發電機勵磁方式主要有端電壓勵磁、相復勵勵磁等，均為模擬式勵磁。模擬式勵磁能夠滿足線性負載的正常使用，具有高可靠性，高保障性等優點，在調壓模塊失效的情況下其他部分仍然能夠正常運行，保證發電機非精細化持續供電。但是模擬式勵磁方式已不能滿足海工裝備的使用條件，主要表現為不能適應非線性負載，在發電機帶非線性負載時發生電壓采集信號失真和不穩定等現象。而高實時性的數字化勵磁系統極大地提高了勵磁控制系統的靈活性，還能根據非線性負載的變化作出很快的響應，從而實現最優控制。

2 非線性負載對發電機的影響

非線性負載在實際使用中會對發電機產生影響，例如某船廠生產的系列自卸船，由于該船型使用了皮帶廊等大功率需要變速的設備，故船上有大量的變頻負載。

2.1 主要設備情況

柴油發電機組及變頻器主要參數分別見表1、表2。

表1 柴油發電機組主要參數

表2 變頻器主要參數

2.2 貨船存在的問題

在實際使用的過程當中，該系列卸貨船存在的問題有：

(1)由于1號船已經交付運營，運營過程中發現，在卸貨系統運行時，并聯運行的柴油發電機組之間有功功率分配穩定，符合設計要求；而無功功率分配不穩定，發電機組功率因數表在全刻度范圍內波動，表明發電機組無功功率在全感性到全容性之間劇烈變化，極端情況下會導致發電機組跳閘。

經實船檢查，柴油發電機組DG1和DG2的 AVR電壓下垂特性設置低于0.5%，DG3的大于4.8%，且DG3的很難調整，不符合關于柴油發電機組穩態調壓率小于2.5%的要求(在額定功率因數0.8和額定負載下)。

(2)在卸貨工況下，DG1和DG2在網并聯運行且卸貨系統總負載1 200 kW時，此時所測得的主配電板匯流排電壓THD(諧波畸變率)最大為6.7%；當2臺壓載泵投入運行時，主配電板匯流排電壓THD最大為5.8%，該THD值符合LR(勞氏船級社)要求。但船東認為，該電壓THD值過高，導致發電機AVR在采樣畸變電壓時出現采樣和計算錯誤，因此要求將THD控制到5%(GB/T 14549-93要求)以下，以保證船上所有電氣設備的正常運行。

(3)根據1號船出現的問題，船廠對2號船進行了測試。測試發現，單臺柴油機組在網時，隨著變頻驅動負載逐步增加，DG1和DG2端電壓出現上翹現象，而DG3端電壓則下降。

3 分析問題及解決方案

自卸貨系統接帶大量非線性負載時，自卸貨系統所產生的諧波對AVR影響比較明顯，從而擾亂了AVR電壓下垂特性，使發電機無功補償線不一致產生較大偏差。可見傳統的模擬勵磁方式在供電系統中有大量非線性負載時，由于系統中高次諧波含量大，導致模擬式勵磁系統無法捕捉正常基準值，引起電路工作不穩定，無法維持發電機電壓正常工作。因現場條件決定該船無法改裝變頻器等設備,同時也沒有條件立刻采用多脈沖整流技術增加移相變壓器等設備來抑制諧波,所以在2號船使用數字式勵磁模塊替換原有的模擬式勵磁系統，以保證在沒有增加其他降低諧波的設備下發電機能夠正常工作。經調查分析對比, UN1000系列產品THD在20%以下時可以正常工作滿足調壓精度及并網并車的穩定工作，因此最終選用UN1010數字式勵磁系統。該勵磁系統具有以下系統功能 ：

(1)提供具備短時過載能力的可變直流電流。

(2)控制發電機的機端電壓在一定的精度內 (±0.2%)。

(3)確保并網或并車的穩定工作。

(4)保證機器在允許的操作范圍內瞬態能力。

(5)與控制系統建立通訊。

該船在沒有增加其他設備的情況下完成了改造，主要是在發電機內增加了數字勵磁系統運行所需要的電氣元件，以及相關的勵磁系統模塊UN1010的系統安裝板。

4 測試結果

數字式勵磁系統更換完成后，船廠對該船重新進行了試驗。本次諧波測試結果見表3。

表3 諧波測試結果

5 結論

經過上述測試結果分析，可以得出結論與建議如下：

(1)在本次測試中，各測試項目的系統電壓THD均小于8%。

(2)柴油發電機組在拆除原有模擬式勵磁系統并更換為另一種ABB UNITROL 1010數字勵磁系統后，大幅降低了諧波對發電機勵磁調節系統的干擾，使得柴油發電機組調壓性能及并聯機組無功功率分配更加穩定，達到了預期目的。

(3)數字式勵磁系統無論是在比較極端的THD20%的情況下還是在相對較小的THD 6%的情況下，UN1000系列產品都可以正常工作。

由此可見在船用供電系統中，當系統的諧波較大(THD大于5%)時，對于發電機的勵磁系統設計需要慎重選擇，實時采集運行的數字化勵磁系統極大地提高勵磁系統的控制靈活性。解決非線性負載、容性負載等非普通對稱負載對發電機的反饋影響，更容易實現最優控制。

[1] 林海雪.從IEC電磁兼容標準看電網諧波國家標準[J].電網技術，1999，(5)：60-61.

[2] 張凱.變頻器運行中諧波的危害及治理方法[J].黃金科學技術，2008,(16)：58-59.

2013-09-10

李逸(1981-)，男，工程師，研究方向為電力電子及自動控制；張茂玲(1967-)，女，高級工程師，研究方向為電力電子及自動控制；姚立元(1964-)，男，高級工程師，研究方向為電力電子及自動控制；甘佐軍(1960-)，男，高級工程師，研究方向為電力電子及自動控制。

U665.11

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