電動發電機組并列運行時無功功率分配不平衡分析

陳以通 傅強

摘 要：電動發電機組并列運行時，由于電動機與發電機之間的飛輪影響，導致系統的有功功率與無功功率在不斷波動，進而導致系統的無功功率分配不平衡。

關鍵詞：飛輪;電動機：發電機

中圖分類號：TM31? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

為了滿足下游負荷260 V交流電源的要求，某系統設計應用電動機拖動發電機為下游負荷供電，為了實現電源的冗余要求，使用2臺電動發電機組并列運行，以防一列故障，繼續為下游負荷供電。同時為了滿足電動機上游電源短時失電1.2 s內，能繼續保持輸出電壓不低于234 V，頻率不低于44 Hz，所以在電動機與發電機之間增加一個飛輪，利用飛輪慣性實現上述1.2 s內電壓與頻率的需求，這種并列運行方式就導致系統帶載時出現無功功率分配不平衡的現象。該文通過對電動機、飛輪慣性、發電機勵磁等各個系統部件進行分析，得出系統無功分配不平衡的原因。

1 電動發電機組簡介

電動發電機組主要由電動機、飛輪、發電機、勵磁系統和基座等部分組成，詳情如圖1所示。

2 電動發電機組無功分配不平衡描述

目前本電站共有4套RAM電動發電機組系統，每套RAM電動發電機組中有2臺電動發電機組并列運行，為下游負荷供電。系統帶載過程中會出現無功和有功率波動的現象，有時甚至會出現單臺電動發電機組無功為負，發電機吸收無功的現象。以現場第一套與第二套電動發電機組為例，具體數據見表1。

根據上述記錄數據，第一套電動發電機組：電壓在259 V～260 V波動，有功功率在8 kW～13 kW波動，無功功率在7 kvar～17 kvar波動，視在功率在22 kVA～28 kVA波動;第二套電動發電機組：電壓在259 V～261 V波動，有功功率在9 kW～15 kW波動，無功功率在9 kvar～16 kvar波動，視在功率在25 kVA～26 kVA波動。

3 電動發電機組無功分配不平衡原因分析

3.1 發電機電壓波動分析

由于電動發電機組在發電機與電動機之間增加了一個大飛輪，目的是為了滿足電動機上游電源失電1.2s內，電動機不脫網，可以繼續運行。

飛輪產生的飛輪慣性會使電動的轉速在1 497 rpm～1 505 rpm波動，由于發電機的電壓，隨著轉速的變化，發電機頻率f也隨之變化，進而導致發電機的輸出電壓在259 V～261 V波動。

由于發電機的有功功率，詳情如圖2所示。

當發電機繞組電壓E在變化時，發電機的輸出有功功率就會不斷地變化，當發電機頻率增加時，有功功率增加，當發電機頻率降低時，有功功率降低。

根據現場跟蹤數據可以看出，發電機的有功功率波動范圍在9 kW～15 kW。

3.2 發電機無功功率波動分析

3.2.1 無功功率產生原理

在發電系統調節勵磁電流時，如果不進行調速操作，發電機產生的有功功率保持恒定，這時增大勵磁電流，磁通Φ增加，由于，所以發電機繞組輸出電壓E將增大，而 E·sinδ必須為恒值，因為有功功率不變，如圖3所示，則向量E的尖端只能在一條與恒定有功功率對應的直線上移動。

由于勵磁電流Iex的增加，引起發電機電樞電壓E增加，引起E與UT之間的夾角δ（簡稱功角）減小，從而使E·sinδ保持不變，有功功率保持在恒定值。由于并網初期，發電機會從電網吸收一定的無功功率，（θ為UT與I的夾角），電流I超前系統電壓UT，所以無功功率為負，隨著勵磁電流Iex的增加，發電機輸出電流先減小后增加，使系統電壓UT超前電流I運行，發電機將從電網吸收無功功率的過程，向電網發出無功功率的過程轉變，同時發電機的輸出電流與無功功率也將繼續增加。因此增加發電機的勵磁電流，就會使柴油發電機發出的無功功率增加。

3.2.2 帶飛輪的電動發電機組無功功率調節

帶飛輪的電動發電機組的無功功率調節與系統的勵磁電流有關，勵磁電流的變化取決于系統的無功需求以及系統電壓的變化。受飛輪慣性的影響，電動機的轉速時刻變化導致了發電機輸出電壓E在時刻變化，同時輸出電壓E變化，就會導致發電機的勵磁調節系統響應，進行發電機輸出電壓調節。

3.3 并列運行的電動發電機組并列運行分析

電動發電機組并列運行的簡圖如圖4所示。

由于電動發電機組沒有調速機構，啟動并列運行以后，有功功率是無法調節的，由于飛輪的影響，轉速會有微小的變化，所以有功功率分配會在2臺發電機上產生變化，原因在于電動機的頻率特性曲線非常硬，接近于一條直線，當轉速有微小的變化，都會引起有功的不確定變化，如圖5所示。

由圖5可知，當SET1由于上游電源的頻率波動（可能性較小）或由于RAM電動機與發電機之間的飛輪的影響導致的頻率者波動，會使下游負荷在2臺發電機中重新進行分配，總的有功功率由P總=PG1+PG2變為P總=PG1+PG2，現場觀察可以發現，SET1與SET2電動發電機組頻率在不斷的變化，輸出電壓在波動，進而導致有功功率分配不斷在變化。

為了更清晰地了解發電機無功分配原理，如圖6所示。

從圖6可知，如果SET1與SET2運行在系統電壓為曲線1的特性時，2臺發電機組總共提供的無功為Q總=QG1+QG2，SET1發的無功較小，SET2發的無功較大，為了不改變系統運行電壓，而改變系統的無功功率的分配，使SET1與SET2平分系統所需無功，需要將SET1的勵磁電流增大，使輸出電壓向上移動到曲線2的電壓，而降低SET2的勵磁電流，使輸出電壓下降至曲線2的電壓，即可實現，不改變系統電壓而實現無功功率的平均分配。

而現場運行的實際工況與理想存在一定的差異，在RAM系統并列運行時，由于系統的頻率在不斷變化，發電機組的輸出電壓在不斷地變化，致使2臺電動發電機組的勵磁系統不斷地進行調節，所以，系統的無功功率在不斷地變化，進而導致系統的無功功率時而分配平衡，時而分配不平衡，有時單臺機組可能會吸收無功，而不是在發無功。

4 結論

綜上所述，RAM系統無功功率分配不平衡主要是由于系統的頻率受飛輪的影響不斷波動，進而導致發電機的輸出電壓波動，勵磁調節器根據該波動現象，對發電機電壓進行調節，導致電動發電機組無功功率分配不平衡。

參考文獻

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