船舶发电机调压非线性特性对发电机并联运行性能的影响

2010-05-07李冬丽

船舶与海洋工程 2010年3期

李冬丽

（704研究所，上海 200031）

0 前言

船舶电力系统通常是发电机直接供电的多机小系统，系统中没有无功补偿装置，一般也没有其他调压设备。因此，电网中的电压质量直接取决于发电机的单机性能。对船舶发电机而言，表征电压质量的主要性能指标是发电机电压调整率，即调压率。如果发电机的调压特性是理想的，即发电机的端电压随负荷变化垂直变化，则稳态调压率能充分反映发电机的静态调压特性。但在实际运行中，发电机的调压特性会出现非线性特征，而船用标准中又缺少反映这种非线性特征的相关指标。

对于如何评估在一个整定好的电站中，多台机组并联运行是否经济、合理，根据等网损微增率的原则，船标用功率分配差度的指标来表征多机并联运行的性能。实际上，发电机的调压特性不影响对有功功率的分配，但会影响无功功率分配差度。

1 稳态调压率、无功功率分配差度的定义

1.1 稳态调压率

发电机的调压特性就是指发电机端电压随负荷变化而变化的特性。带自动调整器的发电机组，在无功调差不起作用和原动机在调定的稳态调速特性下，将发电机的满载电压整定为额定值，当三相平衡负载自满载至空载，再自空载至满载范围内均匀无急剧变化。

稳态电压调整率δu的计算公式：

式中：U——发电机组最大（或最小）输出电压；UN——发电机组的额定电压。

1.2 无功功率分配差度

式中：ΔQi——参与并联运行的第i台发电机组的无功功率分配差度；

Qi——参与并联运行的第i台发电机组实际承担的无功功率；

QiN——参与并联运行的第 i台发电机组的额定无功功率。

2 发电机调压特性的分析

2.1 发电机调压特性的数学模型

船用发电机带有自动电压调节器（AVR），基本工作原理是将采集的机端电压与给定的标准电压 Ud比较后，比例放大，移项触发可控硅整流桥，通过控制可控硅的触发角来改变励磁电流，从而改变发电机的端电压，励磁调节器的工作原理[1]，见图1。

图1 励磁调节器工作原理

因为发电机的端电压U与给定的电压 Ud之差不会过大，所以发电机的端电压不会随负荷变化而发生明显的改变。综合考虑发电机本身的调节特性和励磁调节器的工作特性，可以求得发电机端电压U 和定子无功电流 IQ之间的函数关系近似为 1条直线。假定满载时，发电机端电压整定为额定电压，见图2。

图2 I Q-U曲线

图中：U0——发电机空载电压；

IQ——发电机的无功电流；

IQN——发电机的额定无功电流。

由图2可知：

结合式（1）、（3）、（4）可得：

由式（5）可知， QG- UG曲线为抛物线的一部分，见图3。

图3 Q-U曲线

2.2 发电机调压特性非线性度

理想的发电机调压特性是如图3中的虚线部分，但实际上这是不存在的，且尚未计及发电机有功负荷对发电机端电压的影响。发电机有功功率相对无功功率对发电机电压的影响要小一些，但总是存在的。因此，引入一个新的指标来说明实际运行中的发电机调压特性与理想的调压特性的差别。参考标准中发电机组稳态调速特性非线性度的定义，引入一个新的参数调压特性的非线性度γu，定义如下[2]：

稳态调压特性曲线与对应的空载和额定点连线之间的最大电压偏差与额定电压之比，即调压特性曲线空载到满载点的连线与切于稳态调压特性曲线且平行于该连线之直线间的相对电压差（见图4），表达式如下：

图4 调压特性的非线性度uγ

由图4可知，空载点与满载点之间的连线方程为

由式（7）可得：

由式（5）求导可得：

设过 (QX,UX)点的切线与空载点和满载点之间的连线平行，则由式（8）、（9）可得：

由式（5）、（10）可得：

由式（6）、（11）可得：

从上式得出，γ是与δu相关的参数，如果考虑到发电机有功电流 IP对发电机电压的影响以及U-IQ曲线也只是一条近似的直线，那么实际运行中得到的结果可能会比式（12）的计算结果略大一些，但是由于通常δu≤4%。有时可得γ≤0.04%。因此，实际运行中的非线性是较低的水平。理想的发电机调压特性还是很近似实际情况的。

3 发电机调压特性对并联性能的影响

2台发电机组并联运行，不考虑发电机组出口到公共母线的阻抗，两台机组的端口电压始终相同，因此，如果两台机组的 Q-U特性曲线完全相同，且额定无功功率相同，这两台机组的无功分配差度为 0。但是，实际上不可能存在完全相同的两台机组。现以两台额定无功功率相同，调压率不同的发电机组并联运行为例，对发电机调压特性对并联性能的影响进行分析。假设两机的额定无功功率为 QN，额定电压为 UN，调压率分别为δ1和δ2，满载电压均整定为 UN，若将两机在空载时并联，并且无功负荷均匀地由 Q0加至 100%QN，见图 5（a）、5(b)。