船舶电站及其自动化装置 课件 3 船舶同步发电机组频率及有功功率分配

第三章船舶同步发电机组频率及有功功率分配

根据船舶电力系统及其用电设备的要求，交流发电机投入正常运行时，要求拖动交流发电机的原动机保持几乎不变的转速，电网频率的波动范围不超过额定频率的±1％。由于船舶负载是不断变化等原因，造成了电网频率变化和多台发电机间的有功功率分配关系（比例关系）发生改变。为了保证船舶电站供电可靠、电网稳定、参数稳定、运行经济、使用安全，必须对单机或多台并联运行的船舶同步发电机组的频率、有功功率进行实时调节。本部分主要介绍同步发电机有功功率与频率的关系、调速器与调速特性和有功功率的分配与转移等概念。同步发电机并联运行时的频率调整和发电机间有功功率的分配密切相关。当各机组转速波动时，将会引起电力系统有功功率分配的不均匀。频率调整实际上是对原动机转速的调整，所以发电机频率的调整和有功功率分配可以由原动机调速器和自动调频调载装置来实现。船舶交流电站中由于负载的变化（特别是当大功率负载的起动和停止时），将引起电站运行发电机组转速的变化，从而使电网频率发生变化。索引第一节概述因为原动机本身都具有调速器，频载调节器只起辅助调节作用，所以它不需要迅速反应和频繁的动作（伺服电机是短时工作制的，不允许长期工作），只是在调速器动作之后如果仍存在固定偏差时，由它再进行调节。对于如起货电动机等的固定频繁起动、正反转、停止所引起的电网频率波动不需要进行调节。索引概述我国《钢质海船入级规范》对原动机的调速特性有明确的要求：“当突加或突卸额定负载时，转速的瞬时变化不大于额定转速的±10％，稳定后变化不大于额定转速的±5％，达到新的稳定值的时间不超过5s。”我国《钢质海船入级规范》对并联运行的各交流发电机组的有功功率的分配要求为：“并联运行的各交流发电机组均应能稳定运行，且当负载在总额定负载的20％～100％范围内变化时，各机组所承担的有功负载与总负载按机组定额比例分配值之差，应不超过下列数值中的较小者：①最大机组额定有功功率的±15％；②最小机组额定有功功率的±25％。索引1.离心式调速器基本结构及调速原理：

带动船舶同步发电机工作的原动机，大多数是柴油机。柴油机的转速由其调速器进行调节，改变套筒的位置可以改变调速弹簧的预紧力，从而改变柴油机的转速。

套筒的一端带有齿牙，可通过调速器马达DC通过传动机构，改变套筒的位置。而DC的控制触点就是主配电板上的调速开关。第二节有功功率和频率调整的基础知识调速器杠杆动作过程图

在新的稳定平衡状态下，柴油机承担负荷增大，进油量也增加，但转速却下降了。所以这种调速器的调速性能是有差的。C1点的位置不变2.调速器特性

柴油机转速随输出功率变化的关系曲线称为柴油机调速器特性。柴油机调速器特性有两种类型：有差特性和无差特性。从稳定频率的角度看，无差特性可使发电机频率保持不变，是理想的特性。但从并联运行角度看，无差特性难于保证并联运行机组的稳定运行(具体见下面分析)。

索引并联运行时的调速特性

只要改变套筒的上下位置，弹簧压力的大小就会改变，就可以实现调速特性上下平移。索引

当柴油机输出功率变化时，依靠调速器的固有调速特性自动改变油门的开度，实现转速与功率平衡的调节过程通常称为转速（频率）的一次调节。索引第三节有功功率的分配与频率调整索引单机运行频率的调整假设船舶电网上已有一台发电机带负荷P运行，频率为fe，第二台机组经准同步并车后,还只是处于空载状态。现在需要将有功负荷转移一半给2号发电机机，这个任务，调速器不能自动完成，若无“自动调频调载装置”就必须手动操作。设电压和无功分配已由调压器保证了,这里只讨论如何保持频率不变,实现有功功率的转移。索引3.2并联发电机组间的有功功率分配与转移

并联运行的发电机之间的有功负载分配与调速特性的斜率呈反比关系。索引3.3调差系数与功率分配间的关系

在相同斜率的调速特性下，两台发电机组增加或减少的有功功率是相同的。索引调速特性的斜率相同，即希望对特性配合的四种情况分析，可得结论：

①.两机配合的理想情况是：两条调速特性都为差比较的有差特性，且特性的斜率一致。

②.两机都为有差特性但差不等：电网负荷变化时，差小的发电机承担有功变化量大。

③.一机有差一机无差：负载有功变化时，所有负载有功变化量都由无差特性发电机承担。

④.两台同步发电机都具有无差调速特性，将不能稳定并联运行。结论调速器的失灵区

两台具有相同调速特性的发电机组并联运行时，功率分配也不可能做到完全均匀。采用自动调频调载装置，便能比较理想地解决这个矛盾，既可以使电网频率稳定在给定范围内，又能使频率分配误差尽量缩小。直接利用调速器特性调节电网频率的方法称为“一次调节”。实际使用运行中需要辅以“二次调节”。即在负载变化调速器进行一次调节后用手动或自动装置进行“二次调节”，移动调速器特性曲线的位置，改变进入原动机的燃油进行频率和功率调节。

第四节自动调频调载频率自动调整和有功功率的自动分配装置简称为自动调频调载装置，又称自动负荷分配器。它的基本功能如下：（1）自动维持船舶电力系统频率为额定值。（2）依并联运行各机组的容量按比例自动分配有功功率。（3）接到“解列”指令时,能自动控制负荷转移，待其负荷接近零时，才使其发电机主开关自动跳闸,与电网脱离。自动调频调载装置是用来调整电网频率和发电机组之间的有功功率分配的，因而需要检测机组的转速和负荷,对信号加以判别、放大，控制“加”“减”速调速开关,使调速器的伺服电动机正反转，从而改变原动机油门的开度。因此，自动调频调载装置一般由频率变换器、有功功率变换器、有功功率分配器和调整器四部分组成。

4.1自动调频调载装置的基本组成

4.1.1频率变换器

4.1.2有功功率变换器有功功率分配器是一种有功分配运算电路，为实现按比例或均匀分配有功功率而设置的。运算环节主要由比较放大器和加法器组成，它的作用是根据电网总的功率，计算每台发电机应承担功率以及各台发电机实际承担的功率值与平均值之差。

4.1.3有功功率分配器调整器接受频差和功差信号，并根据它们的频差和功差信号的大小和极性，输出相应脉冲调整信号，控制伺服电动机正转或反转调节发电机油门的开度，使有功功率均匀分配，从而保持电网的频率恒定。4.1.4调整器在并联运行的各机组上分别装有功率变换器和调整器，整套装置只装一台频率变换器。在其控制下，保持电网的频率为额定值，负载按给定比例进行机组间的合理分配。每台发电机组所装置的调整器仍是有差特性，但不影响达到无差特性的调整效果。虚有差调节法工作原理假设三台发电机有功功率已均匀分配，则图3-15中各功率变换器输出端1、4两点间直流电压相等，又因为1已联成一点，故4点亦为等电位点。频率调整假设三台发电机有功功率已均匀分配，则图3-15中各功率变换器输出端1、4两点间直流电压相等，又因为1已联成一点，故4点亦为等电位点。功率分配调整发电机组的解列操作是指当船舶电力系统负荷减小，不需要更多的发电机组并联运行，可将准备停掉的发电机组的负荷转移给在网机组，待其负荷减到接近零时,方可断掉该发电机的主开关，这个操作称发电机组的解列。显然解列是并联的逆过程。发电机组的解列调整1、主调发电机法工作原理主调发电机法是在并联运行的发电机中选择一台作为“主调发电机”，任务是当电网负荷变化出现频差时，只改变主调发电机的油门，调节电网频率维持额定值，并承担负荷的变化量。此时，自动调频调载装置只作为主调发电机的调频器，它只需检测电网的频率差，并将相应的信号送至主调发电机的调整器，平移主调发电机的调速特性来实现自动调频。4.2.2主调发电机法主-从控制法(Master-SlaveSystem)是在并联运行的发电机组中选择一台作为主控机，特点是其控制装置接收电网的频率信号，使之与额定频率信号比较，当电网频率高于额定频率时,由主控机的调整器发出“减速”信号,通过主控机的调速器，关小原动机的油门；反之则加大原动机的油门，力图维持系统的频率为额定值。主控机只管调频，称Master机，而其余机组，称为从动机(Slave机)，专管负荷分配，即按既定的负荷分配方式来控制自己，只承担它应承担的负荷，且不参与系统频率的调节。4.2.3主-从控制法讨论虚有差调节法的调整准则时，曾令死区ε=0，所以调节的结果最终实现恒频、均功。而实际系统中，设置的ε（不灵敏区）总是不为零的，它相应于调整器的启动值。设置了±ε后,会给调节系统带来一定的静态误差。但这是可行的，因为对于电力系统的频率和有功分配的调节，实际上并不要求十分准确。规范对此也有相当宽容的允许偏差。对于调节装置来说，设置不灵敏区±ε,也有其必要性，理由是防止调节的动作过于频繁，以致使调节传动链中的机械磨损过大，更重要的是为了二次调节系统工作的稳定性。第五节二次调节系统的稳定性及系统的参数选择为分析方便,设发电机单机运行,又假定系统按宽度一定的脉冲来调节频率，并设每输出一个调节脉冲δ,能使该机组的频率变化Δfδ，再设调整器的不灵敏区为ε，其对应的频率误差为Δfε，则当Δfδ≫2Δfε时,就可能产生不衰减的振荡。“可能产生”，意即不一定产生（即使满足上式关系），是否产生振荡还需看初始条件，即初始频率f0的值。5.1.1调频时可能产生的振荡现象多台（假如设为两台）机组并联运行的情况，仍假定是按定脉冲宽度的调节方式，并设每一个调节脉冲δ能使机组的有功功率变化ΔPδ，再设对应于调整器不灵敏区ε的功率变化量为ΔPε，则当ΔPδ≫2ΔPε时，就