第三章船舶同步發(fā)電機組頻率及有功功率分配

根據船舶電力系統(tǒng)及其用電設備的要求，交流發(fā)電機投入正常運行時，要求拖動交流發(fā)電機的原動機保持幾乎不變的轉速，電網頻率的波動范圍不超過額定頻率的±1％。由于船舶負載是不斷變化等原因，造成了電網頻率變化和多臺發(fā)電機間的有功功率分配關系（比例關系）發(fā)生改變。為了保證船舶電站供電可靠、電網穩(wěn)定、參數(shù)穩(wěn)定、運行經濟、使用安全，必須對單機或多臺并聯(lián)運行的船舶同步發(fā)電機組的頻率、有功功率進行實時調節(jié)。本部分主要介紹同步發(fā)電機有功功率與頻率的關系、調速器與調速特性和有功功率的分配與轉移等概念。同步發(fā)電機并聯(lián)運行時的頻率調整和發(fā)電機間有功功率的分配密切相關。當各機組轉速波動時，將會引起電力系統(tǒng)有功功率分配的不均勻。頻率調整實際上是對原動機轉速的調整，所以發(fā)電機頻率的調整和有功功率分配可以由原動機調速器和自動調頻調載裝置來實現(xiàn)。船舶交流電站中由于負載的變化（特別是當大功率負載的起動和停止時），將引起電站運行發(fā)電機組轉速的變化，從而使電網頻率發(fā)生變化。索引第一節(jié)概述因為原動機本身都具有調速器，頻載調節(jié)器只起輔助調節(jié)作用，所以它不需要迅速反應和頻繁的動作（伺服電機是短時工作制的，不允許長期工作），只是在調速器動作之后如果仍存在固定偏差時，由它再進行調節(jié)。對于如起貨電動機等的固定頻繁起動、正反轉、停止所引起的電網頻率波動不需要進行調節(jié)。索引概述我國《鋼質海船入級規(guī)范》對原動機的調速特性有明確的要求：“當突加或突卸額定負載時，轉速的瞬時變化不大于額定轉速的±10％，穩(wěn)定后變化不大于額定轉速的±5％，達到新的穩(wěn)定值的時間不超過5s?！蔽覈朵撡|海船入級規(guī)范》對并聯(lián)運行的各交流發(fā)電機組的有功功率的分配要求為：“并聯(lián)運行的各交流發(fā)電機組均應能穩(wěn)定運行，且當負載在總額定負載的20％～100％范圍內變化時，各機組所承擔的有功負載與總負載按機組定額比例分配值之差，應不超過下列數(shù)值中的較小者：①最大機組額定有功功率的±15％；②最小機組額定有功功率的±25％。索引1.離心式調速器基本結構及調速原理：

帶動船舶同步發(fā)電機工作的原動機，大多數(shù)是柴油機。柴油機的轉速由其調速器進行調節(jié)，改變套筒的位置可以改變調速彈簧的預緊力，從而改變柴油機的轉速。

套筒的一端帶有齒牙，可通過調速器馬達DC通過傳動機構，改變套筒的位置。而DC的控制觸點就是主配電板上的調速開關。第二節(jié)有功功率和頻率調整的基礎知識調速器杠桿動作過程圖

在新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)下，柴油機承擔負荷增大，進油量也增加，但轉速卻下降了。所以這種調速器的調速性能是有差的。C1點的位置不變2.調速器特性

柴油機轉速隨輸出功率變化的關系曲線稱為柴油機調速器特性。柴油機調速器特性有兩種類型：有差特性和無差特性。從穩(wěn)定頻率的角度看，無差特性可使發(fā)電機頻率保持不變，是理想的特性。但從并聯(lián)運行角度看，無差特性難于保證并聯(lián)運行機組的穩(wěn)定運行(具體見下面分析)。

索引并聯(lián)運行時的調速特性

只要改變套筒的上下位置，彈簧壓力的大小就會改變，就可以實現(xiàn)調速特性上下平移。索引

當柴油機輸出功率變化時，依靠調速器的固有調速特性自動改變油門的開度，實現(xiàn)轉速與功率平衡的調節(jié)過程通常稱為轉速（頻率）的一次調節(jié)。索引第三節(jié)有功功率的分配與頻率調整索引單機運行頻率的調整假設船舶電網上已有一臺發(fā)電機帶負荷P運行，頻率為fe，第二臺機組經準同步并車后,還只是處于空載狀態(tài)?，F(xiàn)在需要將有功負荷轉移一半給2號發(fā)電機機，這個任務，調速器不能自動完成，若無“自動調頻調載裝置”就必須手動操作。設電壓和無功分配已由調壓器保證了,這里只討論如何保持頻率不變,實現(xiàn)有功功率的轉移。索引3.2并聯(lián)發(fā)電機組間的有功功率分配與轉移

并聯(lián)運行的發(fā)電機之間的有功負載分配與調速特性的斜率呈反比關系。索引3.3調差系數(shù)與功率分配間的關系

在相同斜率的調速特性下，兩臺發(fā)電機組增加或減少的有功功率是相同的。索引調速特性的斜率相同，即希望對特性配合的四種情況分析，可得結論：

①.兩機配合的理想情況是：兩條調速特性都為差比較的有差特性，且特性的斜率一致。

②.兩機都為有差特性但差不等：電網負荷變化時，差小的發(fā)電機承擔有功變化量大。

③.一機有差一機無差：負載有功變化時，所有負載有功變化量都由無差特性發(fā)電機承擔。

④.兩臺同步發(fā)電機都具有無差調速特性，將不能穩(wěn)定并聯(lián)運行。結論調速器的失靈區(qū)

兩臺具有相同調速特性的發(fā)電機組并聯(lián)運行時，功率分配也不可能做到完全均勻。采用自動調頻調載裝置，便能比較理想地解決這個矛盾，既可以使電網頻率穩(wěn)定在給定范圍內，又能使頻率分配誤差盡量縮小。直接利用調速器特性調節(jié)電網頻率的方法稱為“一次調節(jié)”。實際使用運行中需要輔以“二次調節(jié)”。即在負載變化調速器進行一次調節(jié)后用手動或自動裝置進行“二次調節(jié)”，移動調速器特性曲線的位置，改變進入原動機的燃油進行頻率和功率調節(jié)。

第四節(jié)自動調頻調載頻率自動調整和有功功率的自動分配裝置簡稱為自動調頻調載裝置，又稱自動負荷分配器。它的基本功能如下：（1）自動維持船舶電力系統(tǒng)頻率為額定值。（2）依并聯(lián)運行各機組的容量按比例自動分配有功功率。（3）接到“解列”指令時,能自動控制負荷轉移，待其負荷接近零時，才使其發(fā)電機主開關自動跳閘,與電網脫離。自動調頻調載裝置是用來調整電網頻率和發(fā)電機組之間的有功功率分配的，因而需要檢測機組的轉速和負荷,對信號加以判別、放大，控制“加”“減”速調速開關,使調速器的伺服電動機正反轉，從而改變原動機油門的開度。因此，自動調頻調載裝置一般由頻率變換器、有功功率變換器、有功功率分配器和調整器四部分組成。

4.1自動調頻調載裝置的基本組成

4.1.1頻率變換器

4.1.2有功功率變換器有功功率分配器是一種有功分配運算電路，為實現(xiàn)按比例或均勻分配有功功率而設置的。運算環(huán)節(jié)主要由比較放大器和加法器組成，它的作用是根據電網總的功率，計算每臺發(fā)電機應承擔功率以及各臺發(fā)電機實際承擔的功率值與平均值之差。

4.1.3有功功率分配器調整器接受頻差和功差信號，并根據它們的頻差和功差信號的大小和極性，輸出相應脈沖調整信號，控制伺服電動機正轉或反轉調節(jié)發(fā)電機油門的開度，使有功功率均勻分配，從而保持電網的頻率恒定。4.1.4調整器在并聯(lián)運行的各機組上分別裝有功率變換器和調整器，整套裝置只裝一臺頻率變換器。在其控制下，保持電網的頻率為額定值，負載按給定比例進行機組間的合理分配。每臺發(fā)電機組所裝置的調整器仍是有差特性，但不影響達到無差特性的調整效果。虛有差調節(jié)法工作原理假設三臺發(fā)電機有功功率已均勻分配，則圖3-15中各功率變換器輸出端1、4兩點間直流電壓相等，又因為1已聯(lián)成一點，故4點亦為等電位點。頻率調整假設三臺發(fā)電機有功功率已均勻分配，則圖3-15中各功率變換器輸出端1、4兩點間直流電壓相等，又因為1已聯(lián)成一點，故4點亦為等電位點。功率分配調整發(fā)電機組的解列操作是指當船舶電力系統(tǒng)負荷減小，不需要更多的發(fā)電機組并聯(lián)運行，可將準備停掉的發(fā)電機組的負荷轉移給在網機組，待其負荷減到接近零時,方可斷掉該發(fā)電機的主開關，這個操作稱發(fā)電機組的解列。顯然解列是并聯(lián)的逆過程。發(fā)電機組的解列調整1、主調發(fā)電機法工作原理主調發(fā)電機法是在并聯(lián)運行的發(fā)電機中選擇一臺作為“主調發(fā)電機”，任務是當電網負荷變化出現(xiàn)頻差時，只改變主調發(fā)電機的油門，調節(jié)電網頻率維持額定值，并承擔負荷的變化量。此時，自動調頻調載裝置只作為主調發(fā)電機的調頻器，它只需檢測電網的頻率差，并將相應的信號送至主調發(fā)電機的調整器，平移主調發(fā)電機的調速特性來實現(xiàn)自動調頻。4.2.2主調發(fā)電機法主-從控制法(Master-SlaveSystem)是在并聯(lián)運行的發(fā)電機組中選擇一臺作為主控機，特點是其控制裝置接收電網的頻率信號，使之與額定頻率信號比較，當電網頻率高于額定頻率時,由主控機的調整器發(fā)出“減速”信號,通過主控機的調速器，關小原動機的油門；反之則加大原動機的油門，力圖維持系統(tǒng)的頻率為額定值。主控機只管調頻，稱Master機，而其余機組，稱為從動機(Slave機)，專管負荷分配，即按既定的負荷分配方式來控制自己，只承擔它應承擔的負荷，且不參與系統(tǒng)頻率的調節(jié)。4.2.3主-從控制法討論虛有差調節(jié)法的調整準則時，曾令死區(qū)ε=0，所以調節(jié)的結果最終實現(xiàn)恒頻、均功。而實際系統(tǒng)中，設置的ε（不靈敏區(qū)）總是不為零的，它相應于調整器的啟動值。設置了±ε后,會給調節(jié)系統(tǒng)帶來一定的靜態(tài)誤差。但這是可行的，因為對于電力系統(tǒng)的頻率和有功分配的調節(jié)，實際上并不要求十分準確。規(guī)范對此也有相當寬容的允許偏差。對于調節(jié)裝置來說，設置不靈敏區(qū)±ε,也有其必要性，理由是防止調節(jié)的動作過于頻繁，以致使調節(jié)傳動鏈中的機械磨損過大，更重要的是為了二次調節(jié)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。第五節(jié)二次調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及系統(tǒng)的參數(shù)選擇為分析方便,設發(fā)電機單機運行,又假定系統(tǒng)按寬度一定的脈沖來調節(jié)頻率，并設每輸出一個調節(jié)脈沖δ,能使該機組的頻率變化Δfδ，再設調整器的不靈敏區(qū)為ε，其對應的頻率誤差為Δfε，則當Δfδ?2Δfε時,就可能產生不衰減的振蕩?！翱赡墚a生”，意即不一定產生（即使?jié)M足上式關系），是否產生振蕩還需看初始條件，即初始頻率f0的值。5.1.1調頻時可能產生的振蕩現(xiàn)象多臺（假如設為兩臺）機組并聯(lián)運行的情況，仍假定是按定脈沖寬度的調節(jié)方式，并設每一個調節(jié)脈沖δ能使機組的有功功率變化ΔPδ，再設對應于調整器不靈敏區(qū)ε的功率變化量為ΔPε，則當ΔPδ?2ΔPε時，就