某船發電機無功功率分配不平衡的原因及對策

杜承東 ，楊亞男，董大朋

（1.海裝駐上海地區第二軍事代表室，上海 200129；2.滬東中華造船（集團）有限公司，上海200129）

1 前言

船舶電站的發電機組并聯運行試驗，是電站調試試驗的關鍵環節，更是后續電力系統試驗的前提。發電機穩定并聯運行試驗的重要考核指標之一，是發電機組間的無功功率分配差度，該船要求并聯機組間無功功率分配差度不大于10%。在實船系泊試驗階段，兩臺發電機組的并聯試驗中出現無功功率分配差度超過20%，甚至因超差過大導致發電機解列的現象。針對這一故障現象,先對機組單機特性進行分析研究,根據該型發電機的勵磁系統的工作原理，找出發電機組無功功率分配差度過大的原因在于發電機外特性的有差特性較小,并且通過調差裝置無法調節其外特性。下面重點分析故障原因和解決方案。

2 故障原因分析

2.1 故障現象

該船低壓電站由4 臺AC390 V 640 kW 的發電機組成，系泊試驗時發電機組的單機負荷試驗、單機穩態、動態性能調試試驗結果表明，4 臺發電機組單機工作正常，均滿足技術要求中的單機性能指標。

但在后續任意兩臺發電機并聯運行試驗中，在手動并聯和自動并聯工況下，均出現無功功率分配差度超過20%，甚至偶發性出現發電機電流過大主開關安全跳閘的現象，而試驗中發電機有功功率分配差度均在指標范圍內。經過排查，發電機控制系統接線、發電機組保障系統、試驗工裝工具、試驗程序及方法均符合試驗要求。

以1 號和3 號發電機組并聯試驗現象為例：2 臺發電機并聯運行時，發電機頻率、相位均大致相等，但輸出電壓不相等；從電站監控系統顯示的兩臺機組的無功功率數值可以看出，兩臺發電機之間出現了較大的無功環流，電壓較高的發電機承擔的無功功率較大，電壓較低的發電機承擔的無功功率較小。無功環流過大會導致兩臺發電機無功功率分配不平衡，嚴重時會引起其中1 臺發電機電流過載甚至燒毀[1]。同型號發電機并聯運行是通過發電機有差外特性實現的，發電機間無功功率的分配取決于發電機的外特性及勵磁系統工作情況，故針對上述故障現象，需要進一步研究該型發電機的勵磁系統原理。

2.2 發電機勵磁系統原理

該船發電機是典型船用無刷交流勵磁發電機，其勵磁系統由濾波器、自動調壓器、交流勵磁機、旋轉整流器等組成。自動調壓器電源由定子輔助繞組勵磁電源提供，圖1 是勵磁系統的功能原理框圖[2]。

圖1 發電機勵磁系統原理圖

（1）勵磁系統以發電機機端三相電壓作為電壓檢測取樣信號，經濾波器處理后作為調壓器的電網實時電壓輸入信號，同時也用于調差回路電流相位比較；

（2）調差回路通過電流互感器引入發電機負載的無功電流成分，輸入自動調壓器實現固定的電壓調節偏差；

（3）勵磁系統另設有外部手動調壓、滅磁、復位以及備用的發電機間無功環流補償線路接口。

通過圖1 分析可知：該勵磁系統采用的是典型帶自動調壓器可控勵磁方式，其勵磁過程可以簡述為:發電機無初始電壓時，由定子輔助繞組勵磁提供自動調壓器電源，勵磁調節環節通過自動調壓器調節直流勵磁電流提供給勵磁機定子繞組，形成固定磁場，勵磁機的轉子繞組和發電機轉子同軸旋轉通過回路產生三相交流電，再由旋轉整流器轉換為發電機轉子提供直流電，使發電機轉子繞組形成旋轉磁場；發電機的定子繞組在旋轉磁場中產生三相交流電動勢；發電機定子繞組v 相中的電流互感器，通過電阻R1 實現所需的無功負載有差下降特性。值得注意的是：該發電機調壓器中僅有無功環流補償線路接口，無自動無功環流補償線路。

2.3 故障原因分析

經過前期試驗現象及數據分析，勵磁系統在發電機單機運行時可以實現穩定調壓功能，穩態調壓率均在2% 以內；船舶電網中的無功負載一般為電動機型負載，負載呈感性，電網中無功負載的增加會起到發電機電樞去磁作用，導致發電機電壓下降。因此，在發電機單機運行時，自動調壓器通過對比電網電壓和額定電壓，自動調整輸出的勵磁電流來調節發電機電壓，達到單機的調壓特性指標。

同容量的發電機并聯運行時，必須滿足兩點要求：發電機外特性均為有差特性；外特性曲線斜率基本相同。這樣才能保證發電機間的無功功率分配平衡，確保電網電壓穩定。引入調差電路是實現發電機有差外特性方法之一，雖然會降低發電機單機運行的穩態調壓率，但能夠實現發電機并聯運行穩定，因此廣泛應用于船舶電站。但在該船應用中，由于勵磁系統的非線性、機械制造、臺架調試誤差等因素，導致同型號的2 臺發電機特性仍會存在差異，其外特性不能在誤差范圍內滿足上述兩點要求。通過對4 臺發電機進行單機試驗，發現其調差系數僅能在0.26～0.51 之間調整，調差系數過小，即通常所說的發電機外特性較硬，且1 號機和3 號機由于特性差異其調差系數相差兩倍，因此導致僅靠調差裝置無法實現發電機的正常并聯運行。

3 無功環流交叉補償原理及應用

3.1 無功環流交叉補償原理

發電機并聯運行時，調差裝置的功能是實現發電機在無功電流增加時自動降低電壓，減少自身承擔的無功負載，不會調節其它并聯的發電機的電壓。而船舶電網負載的功率因數在常用工況下基本變化不大，所需無功功率一定，降低一臺發電機承擔的無功功率以抑制無功環流增大，被減少的這一部分無功功率必然由其它并聯的發電機承擔，這種分配的平衡全靠發電機有差外特性的一致性以及軟硬程度來實現。而本船電站發電機之間的有差特性差異和調節功能不足，導致這種常規方法無法實現發電機間的穩定并聯，有必要采用額外的發電機間無功環流補償措施。

無功環流交叉補償的原理，是分別將各并聯發電機調差裝置的輸出反向引入各發電機的自動調壓器控制回路，當一臺發電機因為調差裝置正輸入自動降低電壓時，另一臺并聯發電機將因為調差裝置反輸入自動升高電壓，兩臺發電機的無功電流有增有減，電壓有升有降，可以維持電網電壓基本不變[3]，這與手動并車時通過手動上下調節各發電機轉速維持電網頻率基本不變的操作原理一樣。

圖2 無功環流交叉補償原理典型電路圖

圖2 是無功環流交叉補償的典型電路圖，由端子1 和2 分別引出2 臺發電機定子單相電流互感器輸出的無功電流信號，當端子1 和2 不連接時，2 只電流互感器T1 和T21 各自發揮正常調差功能，2 臺發電機無直接關系，輸入自動調壓器的穩態電壓偏差信號分別是I1R1和I2R2。當發電機并聯運行時，通過發電機并網信號作為端子1 和2 交叉連接的判斷條件，交叉連接后，輸入自動調壓器的穩態電壓偏差信號分別為（I1-I2）R1和（I2-I1）R2，兩者大小相近（R1、R2已調節近似相等）、正負相反；當電網無功負載變化時，若AVR1 輸出使1 號發電機電壓上升，增大無功電流，AVR2 輸出將使2 號發電機電壓下降，減小無功電流。由此引入無功環流交叉補償作用，基本可以實現兩臺并聯發電機的電壓升降互補，保持電網電壓穩定。

無功環流交叉補償不僅適用于圖2 中的2 臺發電機并聯，也適用于3 臺發電機交叉補償，如圖3 所示：無功電流信號通過各自的電流互感器的繞組輸出后接入環流補償回路，并通過繼電器觸點實現發電機單機和并聯工況的投入切換。

圖3 3 臺發電機無功環流交叉補償原理圖

3.2 解決方案

根據上述分析，利用自動調壓器的無功環流補償接口，增加無功環流交叉補償及發電機工況判斷回路，將各并聯發電機的電流互感器通過控制線路連接起來，實現各發電機電壓的補償式升降，進而實現發電機并聯運行時無功功率的平衡分配。

設計線路圖如圖4所示，在前、后主配電板（1MSB、2MSB）內增加4 臺發電機GEN1～4 的外部補償線路，其中K1～K4 為發電機主開關的合閘狀態觸點，K20、K21 為前、后主配電板各自母排隔離開關的合閘狀態觸點，K10 為前、后主配電板之間跨接開關的合閘狀態觸點。通過觸點開閉的不同組合，實現發電機單機/并聯工況的邏輯判斷，補償線路自動投切，使無功環流交叉補償措施僅在該發電機并聯工況時才起作用。

圖4 4 臺發電機無功環流交叉補償設計線路圖

4 試驗驗證

通過增設上述無功環流交叉補償設計線路，再次進行發電機組并聯試驗，以1 號、3 號發電機組并聯試驗為例，并聯運行無功功率分配差度及穩定性，均滿足試驗要求。

5 結語

采用發電機無功環流交叉補償措施后，發電機實現了并聯運行的功能及運行穩定性，并聯運行無功功率分配差度滿足試驗指標不大于10%的要求。