發電機組非線性負載理論分析及應對措施

周偉強

摘 要：隨著互聯網的日益普及和移動網絡無縫覆蓋，UPS和開關電源已經成為發電機組的常態負載；工業生產設備中大量使用SCR可控硅（或IGBT）及變頻電動機。這樣類型的非線性負載無疑對發電機組的設計者、標準制定者和工程師提出了新的挑戰，全世界的發電機組制造商按照純電阻電抗平衡的正弦波負載測試發電機組，而多數用戶的實際負載卻是諧波畸變的非線性負載。所以對于制造商和用戶來說，了解非線性負載對發電機組工況的影響非常必要。本文將分析這類典型的非線性負載及其產生的原因、影響和問題，最后提出可行的解決方案。

關鍵詞：同步發電機；非線性負載；波形畸變率；超瞬態電抗

1 負載分析

最常見的非線性負載類型是UPS、開關電源以及SCR（可控硅）電動機驅動機構。而純電阻負載被定義為線性負載，其電壓和電流都是完全的正弦波形。UPS和開關電源系統包括整流器、充電器、電池和轉換開關組成，當電網供電時，整流器、充電器將電網電源轉換成直流電源，供電給負載和電池。電池在全時間內并聯在電網。如果電網失效，電池將維持負載的電源不間斷，同時備用發電機組啟動用于維持這個系統，這時發電機組的負載是一個整流電池充電器。SCR可控硅電動機驅動裝置有多種運用場合，一些最經常的應用范圍如下：交流變頻負載、各種泵、風扇直流馬達、電梯、吊機、印刷機等。以上這些負載中重要的功率器件：可控硅和功率管，均工作在非線性的開關狀態下（通、斷），這就是負載回路產生大量諧波的主要原因。可控硅電動機負載既有偶爾啟動的備用負載，也有一直運行的常用負載，發電機組必須適應這些應用。因為SCR可控硅負載本身固有特性會產生諧波電流，這將導致電壓的諧波和畸變，直接導致發電機、調壓器（AVR）系統的問題。包括SCR可控硅的控制及啟動回路、儀器，電調和其他連接的負載，都可能產生問題。這些問題會導致發電機組到負載的供電回路因為嚴重諧波產生振蕩，這時發電機組的供電將會失效。

同電網比較，發電機組是一個高電抗源。發電機組的電抗和供電線路的寄生電抗，抑制了大功率開關器件導通時需要的大電流。這些結果能導致電壓波形的急劇下降，隨著電壓的下降，會產生回路共振頻率引起的振蕩。這些將產生電壓波形的嚴重畸變并導致發電機組無法正常供電。

功率開關器件組成的變換器（AC/DC、DC/DC、DC/AC）被設計成許多應用，有許多的類型的功率變換器參考指導文獻。根據大多數功率轉換器的原理，其諧波電流的量級與諧波次數成反比。

整流器可能是3相、6相和12相回路。6相和12相回路更普及，但電池充電器通常采用3相整流。3相回路理論上的總諧波畸變率是66%，6相回路是30%，12相是15%。實際的諧波畸變率因為線路阻抗而減少。功率變換器的電壓諧波會導致發電機組的多種問題。功率器件關斷瞬變電壓會非常高，并形成前半波陡降。如果沒有有效的吸收電路，在SCR可控硅負載端的瞬態峰值電壓能超過兩倍發電機組額定電壓的峰值。這些峰值電壓加大了發電機定子絕緣要求，并可能導致絕緣失效。如果表面電氣間距正好在臨界值，電壓的峰值還可能在銅排和其他部件間造成電弧。

任何接在發電機端的非線性負載可能與供電回路內的瞬變電壓產生相互干擾，這些瞬變電壓能導致非線性負載中功率器件啟動回路變得不穩定。如果還有有并聯的非線性設備，沒有隔離，這些瞬態變量可能傳輸到并聯著的另一臺非線性設備。精密儀表設備及其保護裝置也會被瞬態電壓干擾。有可能造成：過電壓，過頻率，失步，設備關斷等等，在這樣的情況下，設備電源輸入端必須有電源濾波器。電壓諧波還可能影響功率器件的控制端。無論是PWM控制還是SCR可控硅控制端，它們對諧波都很敏感。

而對整個系統影響最大的，莫過于諧波對發電機調壓器（AVR）的影響。如果有調壓器（AVR）問題，對發電機的影響通常是欠勵或過勵，表現的結果是欠電壓或過電壓。過勵磁導致發電機轉子過熱，欠勵導致發電機保護機構動作。在這樣的情況下，發電機組根本無法正常供電，所以發電機里必須有另外一個永磁機給調壓器（AVR）提供與主供電回路隔離的電源（如圖1所示）。

發電機定子繞組內的諧波電流將導致發電機定子或轉子過熱。真有效值電流會因諧波電流而增加，定子繞組銅損耗將增加，由諧波電流在定轉子和氣隙產生的磁通將增加磁拉力，定子里的諧波磁通產生附加的鐵損。在穩定狀態下，發電機轉子同步于定子磁場，轉子內不會產生感應電壓和渦流。諧波磁通以N倍的基波速度旋轉，但他們中的部分向后轉。諧波磁通在轉子中產生脈振磁通，因為2次諧波是以反方向旋轉的。由于存在脈振磁通，渦輪驅動旋轉的發電機可能在部分區域出現渦流。渦流能產生嚴重的局部過熱，并導致整個轉子溫升過高。凸極發電機使用沖片轉子，帶有阻尼繞組。脈振磁通能在阻尼繞組中感應出電流，阻尼繞組有助于在轉子極表面形成防護，片狀的轉子能減少渦流損耗，有助于防止轉子過熱。阻尼繞組必須具備消除脈振磁通產生的損耗的能力。

如果采用PMG永磁發電機給AVR供電后仍然存在問題，就需要了解超瞬態電抗和最差條件下的電壓降。電抗值能夠很容易的被確定，電抗是關于容量、電壓和頻率的函數，并根據負載要求，根據廠家發布的數據調整。瞬態電壓下降是難以精確計算的，以目前的能力，我們的行業目前還沒有很好的定義方法。只有兩種美國標準的方法定義電壓降，即NEMA MG1和MIL-STD-705B 619.2B，這兩種方法是完全相同的，都是用來測量峰峰值。兩種方法都針對正弦波，不測量畸變波形。電壓的畸變波形和瞬態時間將產生電壓下降量的變化。標準的測試程序是用3次瞬態負載測量的平均值確定電壓下降量。當確定電壓下降量時，采用真有效值檢測方法的儀器能夠提高測量精度。所以發電機應采用使用3相真有效值檢測的調壓器（AVR）。

2 選型要求

為獲得滿意的運行效果，同步發電機帶非線性負載時建議按以下要求選型：

（1）12相UPS備用負載： 當非線性負載相對于發電機組備用功率較小（小于等于25%）可以選擇標準的發電機和電壓調節器（AVR）。當非線性負載相對于發電機組備用功率較大（25%～100%），選用發電機的F級溫升功率，并升級電壓調節器（AVR）。如果是全部UPS負載，應確定超瞬態電抗值，聯系UPS供應商，建議選用合適的電抗值，并獲得供應商的核準。

（2）6相UPS備用負載：選用80度溫升（B級）發電機并升級電壓調節器（AVR）。確定合適的超瞬態電抗值，比較規格書和UPS供應商要求，如果超瞬態電抗不滿足要求，選用12%的電抗值的發電機。

（3）變頻負載：選用超瞬態電抗小于12%的發電機，升級調節器系統。

（4）持續運行的非線性負載：吊機、電感應加熱器、整流系統等等。選用80度溫升的發電機，根據負載的功率因數要求，選擇合適的發電機容量。按要求選用合適超瞬態電抗值的發電機，該超瞬態電抗值盡可能在8%～15%內。根據規格書確定合適的電壓下降量的發電機，通常在最壞條件下電壓下降量可能在8%～10%。加強定子繞組的絕緣強度，滿足持續瞬變的要求。增加主定子繞組的機械支撐以加強繞組強度。增大帶電部分與殼體間的距離，防止電壓瞬變時拉弧應升級電壓調節器（AVR）。

（5）電壓調節器（AVR）：使用PMG作為電源，使用非SCR的調節器，如果有有隔離變壓器效果會更好。

（6）和非線性設備供應商協商，按他們的推薦和要求放大發電機的容量。他們會提供負載的功率因數、最大電壓降，超瞬態電壓值的要求及負載情況等。

總的來說，當整流電路開關通路時，整流設備的啟動電路必須設計成能承受較大的輸出電壓下降。還取決于供電回路的阻抗，這些回路應能承受過零電壓。由于這些存在的不穩定負載，應該在啟動回路中裝一個合適的電源濾波器。整流回路還與發電機控制系統有關，如果AVR的電源隔絕于主定子繞組回路，將會獲得最好的電品質。這將防止AVR控制系統中的可控硅和負載整流系統的相互影響。由主軸驅動提供恒定功率的永磁機能夠作為電源輸出給合適阻抗的勵磁機并保持穩定。并且采用真平均值或真有效值檢測的AVR，被外部負載的影響最小，從而保持發電機電壓調節能力。整個發電機組系統由三個不同的閉環回路組成：電壓控制，速度控制和負載控制。如果在回路之間發生了相互影響和干擾就不能保證系統的穩定。而非線性負載最容易引起這樣的干擾。系統穩定性最好的體現，就是不能太嚴格的規定電壓、速度和負載控制的性能，但是這樣做似乎又和一些嚴格的行業標準矛盾。設置更寬的范圍，整個系統就能獲得更穩定的效果。

3 發電機端電壓的波形畸變量計算

通常情況下，也可以按以下公式，根據實際負載電流的波形畸變率和發電機超瞬態電抗的標幺值來計算發電機端電壓的波形畸變量。

超瞬態電抗與諧波電流及電壓波形畸變率的關系：

其中，THVDL=總的線電壓波形畸變率

X”d = 超瞬態電抗

Vn =額定電壓

Vl =實際電壓

Sl = 實際容量

Sn= 額定容量

n=諧波次數

Ihn = 對應次數的電流百分比

當負載確定后，總的諧波電流畸變率能由整流負載制造商提供。他們通常有不同階的總諧波電流畸變率（THCD）。按照定義，電抗值與頻率相關（XL=2πfL）。由于X”d的值是基于工頻的，而諧波電流必須通過不同的頻率計算。已知諧波電流和相對應的電抗，可以通過歐姆定律估算電壓的畸變量。

有多種方法可以減少發電機的超瞬態電抗，最簡單的方法是增大發電機的容量。如果要將超瞬態電抗值減半，就意味著將發電機的容量增大為原來的兩倍。另外一個方法是增大阻尼繞組。使用改變節距的方法無助于降低Xd”， 只能改善發電機的飽和程度。在發電機選型時，必須明確負載的性質，讓負載設備供應商給出畸變負載電流的諧波頻譜和對應的畸變量。給定設備的電壓畸變可承受程度，如果招標人或用戶沒有明確的電壓畸變率規定，通常按10%的最大電壓畸變量考核。

發電機容量的放大，將導致工程和設計成本的增加，從而增加客戶的采購成本。但是跟直接增加整個發電機組的容量比較，在原動機功率不變的情況下增大發電機容量成本還是很低的。通常發電機在整個發電機組成本里面占20%，因此單獨放大發電機成本并不高。但是如果要求發電機供應商增大發電機阻尼繞組幾乎是不太可能的，發電機制造商單獨生產這樣特殊非標的產品成本會非常高昂。如果供應商和客戶有良好的溝通，在供應商工廠通過實際帶載實驗來確定發電機容量的放大程度是比較有效的方法。