1、第15章 電力系統(tǒng)頻率及有功功率自動調(diào)整,15.1 電力系統(tǒng)有功功率自動調(diào)整基礎(chǔ)知識 15.2 自動調(diào)頻調(diào)載原理,15.1 電力系統(tǒng)有功功率自動調(diào)整基礎(chǔ)知識,1) 電力系統(tǒng)頻率波動的原因及其影響,原動機(jī)輸入功率為PT，發(fā)電機(jī)負(fù)荷功率為PF,(1)當(dāng) ， 時,靜止或恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，即穩(wěn)態(tài)。 (2)當(dāng) ， 時,系統(tǒng)處于加速運(yùn)行，即動態(tài)。 (3)當(dāng) ， 時,系統(tǒng)處于減速運(yùn)行，即動態(tài)。,船級社規(guī)定：船用電器設(shè)備在電源頻率波動穩(wěn)態(tài)值達(dá)5額定頻率時應(yīng)能正常運(yùn)用。因此要求船舶電網(wǎng)頻率的變化最好保持在0.2Hz以內(nèi)。,2) 電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng),負(fù)荷功率隨頻率而改變的特性稱為負(fù)荷的功率頻率特性，屬于負(fù)荷的靜態(tài)頻

2、率特性。,船舶電力系統(tǒng)中各種有功負(fù)荷與頻率的關(guān)系，可分為如下幾種類型: (1)功率與頻率無直接關(guān)系的負(fù)荷。 如:白熾照明，電熱，整流器等。 (2)功率與頻率成正比的負(fù)荷。 如:機(jī)床，壓縮機(jī)，卷揚(yáng)機(jī)等，其轉(zhuǎn)矩基本恒定。 (3)功率與頻率的三次方成正比的負(fù)荷。 如:吸風(fēng)機(jī)，通風(fēng)機(jī)，水泵等。,在電力系統(tǒng)中功率平衡被破壞引起頻率變化時，負(fù)載吸收功率的變化起著補(bǔ)償?shù)淖饔?，使系統(tǒng)能在另一個頻率值下得到新的平衡，這種現(xiàn)象稱為電力系統(tǒng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)。,負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng),為了保證系統(tǒng)的頻率變化在一定的允許范圍內(nèi)，發(fā)電機(jī)組必需配置調(diào)速器。,15.1.1 調(diào)速器及其調(diào)速特性,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整是由原動機(jī)的調(diào)速器來實(shí)現(xiàn)的，

3、因此發(fā)電機(jī)組的功率頻率特性取決于調(diào)速器的特性。,由于電力系統(tǒng)要求頻率能維持在一定范圍之內(nèi)，因此調(diào)速器應(yīng)是一種“定速調(diào)速器”。即通過調(diào)速器調(diào)節(jié)維持原動機(jī)轉(zhuǎn)速不變。調(diào)速器種類有機(jī)械式、液壓式和電子式等。但無論哪種型式，其工作原理都是測出偏差后，根據(jù)偏差的大小和極性去調(diào)節(jié)原動機(jī)，使原動機(jī)在負(fù)載從零到額定值范圍內(nèi)變化時，維持轉(zhuǎn)速在允許的范圍內(nèi)。,1) 調(diào)速器的結(jié)構(gòu)和動作原理,1 ：傳動軸 2 ：軸 3： 飛鐵 4 ：撥爪 5 ：滑套筒 6 ：彈簧 7 ：杠桿 8 ：拉桿 9 ：渦輪渦桿 10：調(diào)速器電機(jī) 11：柴油機(jī)油門,柴油機(jī)運(yùn)行時， 通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)帶動調(diào)速器的傳動軸1將轉(zhuǎn)速傳到軸2，使飛鐵3繞軸

4、2旋轉(zhuǎn)，飛鐵在離心力作用下，力圖張開，并將滑套5向上頂， 壓縮彈簧6， 直到與彈簧6產(chǎn)生的反作用力相平衡， 這時滑套5將處于某一平衡位置，通過杠桿7、拉桿8， 將油門拉到一定的開度，使柴油機(jī)有一定大小的噴油量，機(jī)組在一定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，此時的調(diào)速器處于一種平衡狀態(tài)。,平衡狀態(tài),若由于某種原因破壞了調(diào)速器的平衡，譬如負(fù)載減少、機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，則飛鐵的離心力增大、張開的角度將更大，引起滑套5上移。在滑套上移的過程中，通過杠桿、拉桿、使油門減小，轉(zhuǎn)速就被阻止進(jìn)一步增加。同時，因?yàn)榛椎纳弦茐嚎s了彈簧6，其反作用力也將增加，直到與離心力的作用平衡，滑套5就停止上移。到此，調(diào)速器達(dá)到了一個新的平衡狀態(tài)，機(jī)組在

5、另一個轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。,負(fù)載減少,相反若由于某種原因使轉(zhuǎn)速降低，則飛鐵的離心力變小、平衡又被打破， 此時彈簧6的壓力大于離心力的作用，滑套下移，于是油門加大，阻止了轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，又達(dá)到了一個新的平衡。這種自動調(diào)整作用，使柴油機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行于一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。,負(fù)載增加,通過伺服電動機(jī)，經(jīng)蝸輪蝸桿傳動，可以將彈簧6事先壓緊到一定的程度；彈簧“預(yù)緊”是通過配電盤上的手動調(diào)速開關(guān)接通伺服電動機(jī)進(jìn)行的操作。預(yù)緊力越大，滑套越被壓向下移，對應(yīng)的油門開度越大， 反之油門開度越小。,2) 調(diào)速器的特性,傾斜度可用調(diào)差系數(shù)K來表示,穩(wěn)態(tài)特性,(1)瞬時調(diào)速率J,船舶要求: J10,(2)轉(zhuǎn)速恢復(fù)到穩(wěn)定值所需時

6、間T要求 ；轉(zhuǎn)速恢復(fù)過程， 應(yīng)當(dāng)沒有振蕩。,T5秒,動態(tài)特性,n1,n2,(3)調(diào)速特性的失靈區(qū)(靈敏度)：由于調(diào)速機(jī)構(gòu)的間隙，對微小轉(zhuǎn)速變化不能反映。即調(diào)速期存在一定的失靈區(qū)。失靈區(qū)太大功率分配產(chǎn)生誤差，太小頻繁調(diào)節(jié)。,3）單機(jī)運(yùn)行時頻率的調(diào)整調(diào)速特性的平移,在同一負(fù)載下欲使頻率升高，則應(yīng)加大彈簧預(yù)緊力，將油門加大，整個曲線1將向上平移到曲線2。若減小彈簧預(yù)緊力，則特性向下平移，如圖中的曲線3 。,1.兩臺發(fā)電機(jī)具有有差特性,斜率不一致。,15.1.2 發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的有功功率分配,在兩臺機(jī)組均功后，當(dāng)負(fù)荷變化時，功率分配不均勻,2.兩臺發(fā)電機(jī)具有無差特性。,兩臺機(jī)組間，有功功率隨機(jī)分配，可

7、導(dǎo)致逆功率跳閘或過載跳閘。在無功率分配控制系統(tǒng)作用下無法并聯(lián)運(yùn)行。,3.一臺發(fā)電機(jī)具有有差特性，另一臺具有無差特性。,當(dāng)負(fù)荷增加：增加的功率全部由無誤差特性機(jī)承擔(dān)，若負(fù)荷超過該機(jī)額定值可引起過載跳閘。 當(dāng)負(fù)荷減?。簾o誤差特性機(jī)將減小輸出功率，有可能導(dǎo)致另一機(jī)過載跳閘。也無法并聯(lián)運(yùn)行。,負(fù)荷增加,負(fù)荷減小,要使兩機(jī)之間的功率能夠按容量成比例分配，只有兩特性曲線的斜率致。由于調(diào)速器特性總是存在一定的差別，為了使電網(wǎng)頻率不致隨負(fù)載變化過大，又要使功率穩(wěn)定的分配，特性曲線的下降率應(yīng)在3左右，不超過5，以保證有功分配偏差在10以內(nèi)。,設(shè)一號發(fā)電機(jī)運(yùn)行于A點(diǎn)，輸出的有功功率為P，二號發(fā)電機(jī)為并入發(fā)電機(jī)，浮

8、接在電網(wǎng)上，處于空載狀態(tài)，運(yùn)行于B點(diǎn)。,在轉(zhuǎn)移負(fù)載時，為保持電網(wǎng)的頻率不變，必須同時向相反方向調(diào)節(jié)兩機(jī)組的調(diào)速控制開關(guān),操作步驟：,15.1.3 有功功率的轉(zhuǎn)移操作,2號機(jī)單獨(dú)加速，電網(wǎng)頻率增加,f0 f0,轉(zhuǎn)移過程: 為保持電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定，在轉(zhuǎn)移負(fù)載時， 必須同時向相反方向調(diào)節(jié)兩機(jī)組的調(diào)速控制開關(guān)。對上述情況，需增大二號發(fā)電機(jī)組的油門，使特性曲線2向上平移到特性曲線(2); 同時減少一號發(fā)電機(jī)組的油門，使特性曲線1向下平移到特性曲線(1)， 并與曲線2交于C點(diǎn)。兩特性曲線(1)和(2)的交點(diǎn)C說明兩臺機(jī)組的頻率均為fe，而兩臺機(jī)組各自分擔(dān)的功率均為P1/ 2 。以后在負(fù)荷變動時，由調(diào)速器自動

9、穩(wěn)定功率分配，并調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率。,當(dāng)兩臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行需解列一臺時，也應(yīng)同時反向調(diào)節(jié)原動機(jī)的調(diào)速控制開關(guān)。在電網(wǎng)的頻率保持不變的情況下，將負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移至運(yùn)行的機(jī)組。當(dāng)需解列的機(jī)組的有功功率接近為零時，將該發(fā)電機(jī)的主開關(guān)斷開。在并聯(lián)運(yùn)行中若出現(xiàn)功率分配偏差較大時，也要按上述操作進(jìn)行功率按發(fā)電機(jī)容量比例均勻分配。如果出現(xiàn)電網(wǎng)頻率偏離額定值時，可同時向同方向操作兩機(jī)組的調(diào)速開關(guān)，使頻率上升或下降。,f0 f0,2號機(jī)單獨(dú)減速，電網(wǎng)頻率降低,15.2 自動調(diào)頻調(diào)載原理,船舶同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時，其調(diào)速特性為有差特性，當(dāng)負(fù)荷變化時，雖然有調(diào)速器，但電網(wǎng)的頻率仍會發(fā)生變化。而且由于兩機(jī)組的調(diào)速特性不可能做

10、到完全一致，兩機(jī)組的有功功率分配也不均勻。因此要維持頻率恒定和有功功率分配均勻，必須進(jìn)行再次調(diào)節(jié)(二次調(diào)節(jié))。自動調(diào)頻調(diào)載裝置是協(xié)助原動機(jī)調(diào)速器對電網(wǎng)電壓的頻率和有功功率進(jìn)行調(diào)整的裝置。,（3）接到解列指令時，能自動進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移。,其作用是：,（1）保持電網(wǎng)電壓的頻率恒定；,（2）按并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的容量比例進(jìn)行負(fù)荷分配；,15.2.1 自動調(diào)頻調(diào)載裝置的原理,調(diào)整原動機(jī)轉(zhuǎn)速及機(jī)組的負(fù)荷需要根據(jù)轉(zhuǎn)速（頻率）和負(fù)載（功率）的信號， 來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。盡管目前自動調(diào)頻調(diào)載裝置的品種很多，并且還在不斷的更新?lián)Q代。 基本環(huán)節(jié)都是由頻率變換器、有功功率變換器、有功功率分配器和調(diào)整器等組成。,1) 頻率變換器,基于

11、波形變換的頻率變換器的原理圖,設(shè)輸入信號的頻率為f，則平均值電路的輸出為,2) 有功功率變換器,有功功率變換器是用來測量每一臺輸出的有功功率P，并將它轉(zhuǎn)換成與之線形相關(guān)的直流電壓Up 即：,單相功率變換器原理圖,該電路檢測的是發(fā)電機(jī)的有功電流,電壓正半周四個二極管導(dǎo)通，忽略管壓降，則1、2兩點(diǎn)等電位。故up=ui，電壓負(fù)半周，橋式二極管截至，up=0。,以電壓為參考相位,在uv正半周取電壓ui在一個周期的平均值,可見該電路檢測的是發(fā)電機(jī)的有功電流。因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓基本恒定，故輸出的平均值Up與發(fā)電機(jī)的有功功率P成正比。為測量準(zhǔn)確性，使|uv|ui|。 實(shí)船采用兩瓦特法測量三相功率。,3) 有功功率

12、分配器,有功功率分配器是一種有功分配運(yùn)算電路，為實(shí)現(xiàn)按比例或均勻分配有功功率而設(shè)置的。,運(yùn)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(jù)電網(wǎng)總的功率，計(jì)算每臺發(fā)電機(jī)應(yīng)承擔(dān)功率以及各臺發(fā)電機(jī)實(shí)際承擔(dān)的功率值與平均值之差。,4) 調(diào)整器,調(diào)整器接受頻差和功差信號， 并根據(jù)它們的頻差和功差信號的大小和極性，輸出相應(yīng)脈沖調(diào)整信號，控制伺服電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)油門的開度，使有功功率均勻分配，從而保持電網(wǎng)的頻率恒定。,由于要調(diào)節(jié)每臺發(fā)動機(jī)組油門的大小，每臺發(fā)電機(jī)組需配置一個調(diào)整器。,調(diào)整器一般應(yīng)具有如下功能: （1）判別綜合信號的極性，決定調(diào)速方向，根據(jù)綜合信號的大小，決定調(diào)速信號脈沖的周期（當(dāng)

13、脈沖寬度一定時），或者調(diào)速脈沖的寬度（當(dāng)調(diào)速脈沖周期一定時）。,脈沖寬度一定,T2,T1,T3,T,T,T,脈沖周期一定,（2）使每個調(diào)節(jié)過程的第一個調(diào)整信號有適當(dāng)（如5秒左右）的延時，避開動態(tài)過程。 （3）應(yīng)有一定的不靈敏區(qū)。當(dāng)輸入未超過不靈敏區(qū)時，調(diào)整器不工作，這有利于防止系統(tǒng)過于頻繁的工作（對于微小的頻率偏差不調(diào)整）。,15. 2. 2. 自動調(diào)頻調(diào)載方法,電網(wǎng)頻率的自動調(diào)節(jié)和自動控制負(fù)荷分配，按其工作原理可分：有差調(diào)節(jié)法、虛有差法和主調(diào)發(fā)電機(jī)法等。,1) 有差調(diào)節(jié)法,是僅依賴有差調(diào)速特性的調(diào)速器（一次調(diào)節(jié)）來穩(wěn)定電網(wǎng)的頻率和有功負(fù)荷分配的方法。這種方法沒有外加的再調(diào)節(jié)，因此不能保持頻率

14、恒定，有功負(fù)荷分配通常也不均勻。,2) 虛有差法 （柴油發(fā)電機(jī)組間）,虛有差法是在并聯(lián)運(yùn)行的每一臺發(fā)電機(jī)上，都裝有對頻差和功率差進(jìn)行調(diào)整的控制系統(tǒng)。,在它的控制下，電網(wǎng)的頻率保持為額定值，電力系統(tǒng)的負(fù)荷按每臺發(fā)電機(jī)的容量成比例進(jìn)行分配。雖然每臺發(fā)電機(jī)安裝的調(diào)速器（一次調(diào)節(jié)）的調(diào)差系數(shù)不盡相同，但不影響調(diào)節(jié)結(jié)果。因?yàn)椴⒙?lián)運(yùn)行的機(jī)組具有有差特性，能夠保證穩(wěn)定的有功分配，系統(tǒng)能自動再次調(diào)節(jié)使頻率保持恒定（二次調(diào)節(jié)）， 故為虛有差法。,調(diào)速器,原動機(jī)1,n,轉(zhuǎn)速 設(shè)定,調(diào)速器,原動機(jī)2,n,調(diào)整器,調(diào)整器,有功分配器,轉(zhuǎn)速 設(shè)定,功率,頻率,一次調(diào)節(jié)(有差),二次調(diào)節(jié)(無差),3) 主調(diào)發(fā)電機(jī)法,是指

15、在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組中有一臺機(jī)組上裝有調(diào)頻器，作為主調(diào)發(fā)電機(jī)，其任務(wù)是當(dāng)負(fù)荷變化而引起電網(wǎng)頻率出現(xiàn)頻差時，由它再次調(diào)節(jié)改變油門，來維持電網(wǎng)的頻率為額定值，并承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷的變化量。而其余的發(fā)電機(jī)則總是保持運(yùn)行于接近額定值， 稱為基載發(fā)電機(jī)。,因此，調(diào)頻調(diào)載裝置僅作為主調(diào)發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器，它只檢測電網(wǎng)的頻差，并根據(jù)頻差信號去調(diào)節(jié)主調(diào)發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性來實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。而基載發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性為有差特性，其工作點(diǎn)一次整定在額定頻率，達(dá)到預(yù)定的負(fù)荷后，將不會再受調(diào)頻器的控制。,自動調(diào)頻調(diào)載裝置原理框圖,二次調(diào)節(jié)(無差),自動分級卸載保護(hù)裝置是一種發(fā)電機(jī)過載保護(hù)裝置。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過載時，自動卸載裝置動作，將部分次要

16、負(fù)載自動切除，以保護(hù)發(fā)電機(jī)正常工作，并保證重要負(fù)載不間斷供電。,15. 2. 3 自動分級卸載,該裝置具有: 一級定時限卸載保護(hù)、二級定時限卸載保護(hù)、發(fā)電機(jī)過載反時限跳閘保護(hù)及發(fā)電機(jī)欠壓定時限跳閘保護(hù)的功能。主要由信號變換、電流檢測、 二級定時卸載、電壓檢測等環(huán)節(jié)組成。,備用機(jī)組能否起動的條件為：是否為“第一備用”、機(jī)組是否已準(zhǔn)備好、系統(tǒng)是否要求增加機(jī)組。,1) 自動增加機(jī)組的條件,15. 2. 4 自動增減運(yùn)行機(jī)組原理,系統(tǒng)要求增加機(jī)組的條件概括如下：,（1）電網(wǎng)失電,（2）電力系統(tǒng)儲備功率不足、運(yùn)行機(jī)組重載或即將重載,（3）重載詢問,（4）機(jī)組出現(xiàn)故障,自動起動指令形成后，應(yīng)選擇機(jī)組進(jìn)行起

17、動的順序。,柴油發(fā)電機(jī)組起動成功后,經(jīng)一定時間進(jìn)入正常運(yùn)轉(zhuǎn),電壓及頻率達(dá)到要求的數(shù)值。此時如果電網(wǎng)失電,合閘信號使發(fā)電機(jī)立即合閘,如果電網(wǎng)有電,則按照并車條件進(jìn)行合閘,并車成功后,自動進(jìn)行負(fù)載的轉(zhuǎn)移。,2) 自動起動及合閘過程,接到起動指令后,柴油機(jī)進(jìn)行起動(第1備用機(jī)組，預(yù)潤滑，檢測轉(zhuǎn)速達(dá)到指定轉(zhuǎn)速認(rèn)為起動成功)。第一次起動不成功,共可起動三次起動(發(fā)報警信號并阻塞該機(jī)再起動備用狀態(tài)取消)。第一備用起動失敗，起動第2備用機(jī)組。,當(dāng)電力系統(tǒng)儲備功率過剩(各機(jī)組所承擔(dān)的負(fù)荷較低)時，選擇一機(jī)組準(zhǔn)備停機(jī)(按備用次序的反次序或運(yùn)行時間較長的機(jī)組) ，首先自動進(jìn)行負(fù)載的轉(zhuǎn)移(將準(zhǔn)備停機(jī)的機(jī)組負(fù)荷轉(zhuǎn)移到

18、其他機(jī)組，注意不能降至0避免逆功率)，使該機(jī)主開關(guān)分閘，將轉(zhuǎn)速降低到一定值后停機(jī)。,3) 發(fā)電機(jī)的自動解列停機(jī),No1 GE,No2 GE,No3 GE,運(yùn)行機(jī),第1備用 先起后停,第2備用 后起先停,第六節(jié) 同步發(fā)電機(jī)的短路與振蕩,同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中，往往由于故障原因或輸入輸出功率的突然變化，使穩(wěn)定運(yùn)行的平衡條件遭到破壞而引起暫態(tài)過程。由于發(fā)電機(jī)電路中的電磁能量不能躍變而發(fā)生電磁暫態(tài)過程；由于轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的機(jī)械能量不能躍變而發(fā)生機(jī)電暫態(tài)過程。嚴(yán)重的暫態(tài)過程對發(fā)電機(jī)的安全和并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性都會產(chǎn)生極為不利的影響。,一、三相突然短路,三相突然短路是指同步發(fā)電機(jī)出口近端的對稱短路，了解三相突然短路的特點(diǎn)有助于理解其他原因（如突加突卸大的