非线性负载下发电机数字励磁系统研究和应用

2014-07-31张茂玲姚立元甘佐军

江苏船舶 2014年1期

关键词：端电压励磁发电机组

李逸，张茂玲，姚立元，甘佐军

(镇江中船现代发电设备有限公司，江苏镇江 212009)

非线性负载下发电机数字励磁系统研究和应用

李逸，张茂玲，姚立元，甘佐军

(镇江中船现代发电设备有限公司，江苏镇江 212009)

针对传统励磁系统存在发电机带非线性负载时发生电压采集信号失真和不稳定等问题，提出数字式励磁系统代替传统励磁系统的方法。该方法主要在发电机内增加数字励磁系统运行所需的电子元件，以及相关的励磁模块的系统安装板。数字式励磁系统既可以提高系统的稳定性和实时性，又可以根据负载变化作出快速的响应。实例验证了该方案可以让系统更加可靠运行，性能明显提升，具有重要的实用价值。

非线性负载；柴油发电机；数字式励磁系统

0 引言

传统的励磁系统虽然能满足一般需求，具有结构简单、便宜实用等优点，但在大量非线性负载下运行时不稳定，对系统造成了严重的影响。因此，为了提高系统的可靠性和稳定性，本文采用数字式励磁系统代替传统的励磁系统。

1 数字励磁系统和模拟式励磁系统的比较

传统的船用发电机励磁方式主要有端电压励磁、相复励励磁等，均为模拟式励磁。模拟式励磁能够满足线性负载的正常使用，具有高可靠性，高保障性等优点，在调压模块失效的情况下其他部分仍然能够正常运行，保证发电机非精细化持续供电。但是模拟式励磁方式已不能满足海工装备的使用条件，主要表现为不能适应非线性负载，在发电机带非线性负载时发生电压采集信号失真和不稳定等现象。而高实时性的数字化励磁系统极大地提高了励磁控制系统的灵活性，还能根据非线性负载的变化作出很快的响应，从而实现最优控制。

2 非线性负载对发电机的影响

非线性负载在实际使用中会对发电机产生影响，例如某船厂生产的系列自卸船，由于该船型使用了皮带廊等大功率需要变速的设备，故船上有大量的变频负载。

2.1 主要设备情况

柴油发电机组及变频器主要参数分别见表1、表2。

表1 柴油发电机组主要参数

表2 变频器主要参数

2.2 货船存在的问题

在实际使用的过程当中，该系列卸货船存在的问题有：

(1)由于1号船已经交付运营，运营过程中发现，在卸货系统运行时，并联运行的柴油发电机组之间有功功率分配稳定，符合设计要求；而无功功率分配不稳定，发电机组功率因数表在全刻度范围内波动，表明发电机组无功功率在全感性到全容性之间剧烈变化，极端情况下会导致发电机组跳闸。

经实船检查，柴油发电机组DG1和DG2的 AVR电压下垂特性设置低于0.5%，DG3的大于4.8%，且DG3的很难调整，不符合关于柴油发电机组稳态调压率小于2.5%的要求(在额定功率因数0.8和额定负载下)。

(2)在卸货工况下，DG1和DG2在网并联运行且卸货系统总负载1 200 kW时，此时所测得的主配电板汇流排电压THD(谐波畸变率)最大为6.7%；当2台压载泵投入运行时，主配电板汇流排电压THD最大为5.8%，该THD值符合LR(劳氏船级社)要求。但船东认为，该电压THD值过高，导致发电机AVR在采样畸变电压时出现采样和计算错误，因此要求将THD控制到5%(GB/T 14549-93要求)以下，以保证船上所有电气设备的正常运行。

(3)根据1号船出现的问题，船厂对2号船进行了测试。测试发现，单台柴油机组在网时，随着变频驱动负载逐步增加，DG1和DG2端电压出现上翘现象，而DG3端电压则下降。

3 分析问题及解决方案

自卸货系统接带大量非线性负载时，自卸货系统所产生的谐波对AVR影响比较明显，从而扰乱了AVR电压下垂特性，使发电机无功补偿线不一致产生较大偏差。可见传统的模拟励磁方式在供电系统中有大量非线性负载时，由于系统中高次谐波含量大，导致模拟式励磁系统无法捕捉正常基准值，引起电路工作不稳定，无法维持发电机电压正常工作。因现场条件决定该船无法改装变频器等设备,同时也没有条件立刻采用多脉冲整流技术增加移相变压器等设备来抑制谐波,所以在2号船使用数字式励磁模块替换原有的模拟式励磁系统，以保证在没有增加其他降低谐波的设备下发电机能够正常工作。经调查分析对比, UN1000系列产品THD在20%以下时可以正常工作满足调压精度及并网并车的稳定工作，因此最终选用UN1010数字式励磁系统。该励磁系统具有以下系统功能：

(1)提供具备短时过载能力的可变直流电流。

(2)控制发电机的机端电压在一定的精度内 (±0.2%)。

(3)确保并网或并车的稳定工作。

(4)保证机器在允许的操作范围内瞬态能力。

(5)与控制系统建立通讯。

该船在没有增加其他设备的情况下完成了改造，主要是在发电机内增加了数字励磁系统运行所需要的电气元件，以及相关的励磁系统模块UN1010的系统安装板。