同步发电机并联时的功率分配与调节.pdf
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同步发电机并联时的功率分配与调节.pdf
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22船电技术2005年第2期同步发电机并联时的功率分配与调节周艳红1张启平1李江2(1中船重工集团公司712研究所武汉430064;2海军驻436厂军事代表室上海200011)摘要:
本文简要介绍了同步发电机与不同容量的电网并联时的功率分配,及有功功率和无功功率的调节。
通过矢量图分析,得到各个变量之间的关系。
关键词:
有功功率无功功率船舶电站同步发电机StudyontheDistributionofPowerforParallelSynchronousGeneratorZhouYanhong1;ZhangQiping1;LiJiang2(1WuhanMarineElectricPropulsionResearchInstitute,CSIC,Wuhan430064,China;2NavalRepresentativesOfficein436Factory,Shanghai200011,China)Abstract:
Thispaperanalyzesthedistributionofpowerforparallelsynchronousgeneratorandregulatingofactivepowerandreactivepower.Therelationsamongvariablesbyvectorgraphisillustrated.Keywords:
activepower;reactivepower;marineelectricpowerstation;synchronousgenerator同步发电机单机运行时,随着负载的变化,同步发电机的频率和端电压将发生相应的变化,难以保证其供电质量和可靠性,且容量有限。
为此,现代电力系统通常采用发电机并联运行的方式。
对于陆用电网,通常是由许多发电厂并联组成,每个发电厂内又有多台发电机并联。
这样可以提高供电的可靠性,减少个别负载变动对电网的电压和频率的影响。
然而,对于小型电网(例如船舶电站)而言,在不接入大电网(如岸电)的情况下,由于发电机组的数量较少,负载的变化极易引起电网的变化,造成电网的频率波动,引起各机组有功负载分配不均匀,甚至使有的机组过载,有的机组转入电动机状态逆功率运行。
同步发电机和它并列的电网,两者相对容量的大小,对该电机的影响很大。
因此,对不同规模电网中同步发电机并联时功率的分配和自动调整的探讨是有必要的。
1同步发电机与电网的并联运行一般情况,电网的容量远远大于发电机的容量,通常称为“无穷大电网”。
此时,发电机单机收稿日期:
2005-01-31功率调节对于电网几乎没有影响,电网的电压和频率可以认为是常数。
1.1同步发电机与电网的并联时的有功功率调节当一台同步发电机接到一个无穷大电网上。
开始投入并联时,0E&U&,功率角0,发电机输出功率0sin02=seXUEmPP,发电机处于空载状态(见图1(a)。
当增加原动机的输入功率1P,即增大输入转矩1T,发电机的转子瞬时加速,发电机转子磁势fF和d轴开始超前气隙磁通密度B(气隙磁通密度受到频率不变的限制,转速仍保持不变),与转子主磁场相对应的激磁电动势0E&超前于电网电压U&以角,使0,即eP0,发电机开始向外输出有功电流I&,同时转子受到制动性质的电磁转矩eT,增大直至驱动转矩和制动的电磁转矩平衡,转子转速仍保持在同步转速。
此时发电机的输出有功功率为sin02seXUEmPP=(见图1(b)。
以上分析表明,要增加发电机的输出功率,必须增加原动机的输入功率,在不调节励磁的情况下,使功率角增大;至90,电磁功率达到船电技术2005年第2期23Pe(max)PeAPe090o180o0a)功率角0时的相量图b)功率角为时的相量图C)功率角为时的电磁功率Pe0E&U&sXIj&0E&U&I&图1同步发电机与电网并联时有功功率的调节最大值Pe(max),seXUEmP0(max)=,此值被称为是隐极同步发电机的功率极限。
然而,需要注意的是,当发电机的励磁电流不变时,的变化也将引起无功功率的变化。
如果要求改变发电机发出的有功功率时,无功功率sinamUIQ=不变,其中=,则有,常数=ssaXUmXUEmmUIQ20cossin即常数=sinaI,常数=cos0E。
如图2所示,0E&在MN线上变动,aI&则落在PQ线上。
PQMNE0cosU&0E&saXIj&sinaI&aI&图2同步发电机与电网并联时有功功率的调节1.2同步发电机与电网的并联时的无功功率调节当发电机带感性负载时,电枢反应具有去磁性质,为了维持发电机的输出电压不变,就要增大励磁电压。
因此,调节无功功率需要改变励磁电流。
仍以隐极同步发电机为例,忽略电枢电阻和磁饱和的影响,假定调节励磁前后原动机的输入有功功率不变,故发电机的电磁功率和输出的有功功率也应保持不变,有常数=sin0seXUEmP,即常数=sin0E常数=cos2mUIP,即常数=cosI由相量图3可以看出,
(1)当电枢电流为I&时,激磁电动势为0E&,1cos=,此时输出功率全部是有功功率,fI称为“正常励磁”。
(2)当电枢电流为I&时,由于电枢电流中有滞后的无功分量,因常数=cosI,因此I&的端点落在CD线上;相应的,因常数=sin0E,激磁电动势0E&的端点落在AB上。
此时的0E&比0E&要大,需要增加励磁电流,使fIfI,此时的发电机工作在“过励”状态。
发电机输出一定的有功功率之外,还有滞后的无功功率。
(3)同理,当电枢电流为I&时,由于电枢电流中有超前的无功分量,此时的0E&比0E&要小,需要减小励磁电流,使fI2P。
并且可以看出调速特性较硬的(调差系数较小的)负担的功率大,无差的调速特性将负担全部增加的负载。
转速不变时,有差特性的机组负担的功率是固定的。
当调速特性有呆滞区间时(如图4(b)所示),无差的调速特性将发生负载功率在很大的范围内任意波动,甚至使一台机组变为电动机运行,另一台机组过载跳闸,造成不合理的工作状态。
船舶交流电站负载的变化,将引起电站发电机组转速的变化,而使电网频率发生变化。
而推进部分负载转速取决于电网频率,因此,电网频率的变化将直接影响它们的工作,所以对于负载来说,需要无差的调速特性。
但从均匀分配有功功率的角度出发,希望调速特性是有差的,且调差系数要大一些。
因为当两台并联运行的发电机的原动机调差系数都接近于零的时候,原动机转速的微小波动都会造成有功功率在两发电机之间大幅度的转移,使运行不稳定。
因此,除手动调节外,还需要设计自动调频调载装置。
手动或自动调频调载,通过调节调速手柄(开启柴油机油门大小),改变调速特性曲线,如图4(a)中的特性曲线2上升平移为虚线2,使负载能够均匀分配,1P2P。
当发电机的励磁电流不变时,的变化也将影响无功功率的变化。
如果只要求改变发电机输出的有功功率时,应该满足常数=cos0E,即调节的同时亦需要调节励磁电流。
n(f)122n(f)P1P1P1PP2P2P2PPP1P2P(a)(b)图4并联工作时有功功率分配与调速特性的关系2.2同步发电机间的并联运行时的无功功率分配与调节根据我国“海规”规定:
并联运行的交流发电机组,当负载在总额定功率的20100范围内变化时,各发电机实际承担的无功功率与按发电机额定功率分配比例的计算值之差,应不超过最大发电机额定无功功率的10。
当交流发电机并联工作时,由于发电机的电势不相等,将在发电机定子绕组间产生环流,因为发电机定子绕组电抗较电阻大得多,所以环流基本上是无功的。
在发电机之间,环流由励磁电动势较高的发电机流向励磁电动势较低的发电机,引起无功负载电流的分配不均匀(或不按发电机容量比例分配)。
当相差太大时,会引起一台发电机电流过载而烧坏。
因此,需要自动调整发电机的激磁来改变环流,使无功电流的分配不均度保持在允许的范围内。
因为电压和无功功率的自动调整都是要调整发电机的励磁电流,所以自动电压调整系统又称励磁调整系统。
发电机带容性负载时,由正常励磁减小励磁电(下转第38页)38船电技术2005年第2期图3SPWM逆变器谐波分量与调制度M的关系由于逆变器输出中不存在偶数次数谐波,所以p与m不能同时为偶数,又计及3的倍数次电流不能流入三相电机,而N往往是3的倍数,所以m也不能取为3,故p与m的选取应使k不为偶数也不为3的倍数,同时它们也只能是较小的整数,因为过高次数的谐波对电机的影响很小。
按此在图3中给出了与载波比N,2N,3N频有关的谐波大小。
曲线表明,几乎在M从00.9的范围内2N2次谐波始终是主要的谐波,而N2次谐波最小。
例如N=9时主要谐波为17次与19次,而7次与11次谐波的影响很小。
当M0.9时N2次谐波都成为主要的了。
4小结随着全控型快速半导体器件性能价格比的提高和PWM技术的日渐完善和新技术新工艺新材料的使用,SPWM技术将在电气传动及电力系统中得到更广泛的运用。
参考文献1张燕宾.SPWM变频应用技术.北京:
机械工业出版社,1998年,6月.2陈伯时,陈敏逊.交流调速系统.北京:
机械工业出版社,1999年,10月.3马小亮.大功率交交变频调速及矢量控制技术.北京:
机械工业出版社,1997年,9月(上接第24页)流,输出的超前的无功功率;发电机带感性负载时,由正常励磁增大励磁电流,输出滞后的无功功率。
电枢电流随励磁电流变化的关系表现为一个V形曲线。
V形曲线是一簇曲线,每一条V形曲线对应一定的有功功率。
V形曲线上都有一个最低点,对应cos=0的情况。
将所有的最低点连接起来,将得到与cos=0对应的曲线,该线左边为欠励状态,功率因数超前,右边为过励状态,功率因数滞后(见图5)。
稳定极限aI0fI1cos=NPP=2NPP5.02=02=P欠励状态过励状态容性感性图5同步发电机的V形曲线无功功率的分配主要由发电机组的外特性Uf(I,cos)决定,若两台发电机的外特性不一样,可通过调节调压手柄(调节发电机励磁电流),使发电机电压一致。
3结束语本文分析了同步发电机与不同规模的电网并联时的有功功率和无功功率调节,并讨论了小电网(船舶电站)的功率分配。
由于无穷大电网容量大,它的频率和电压比较稳定;而船舶电站电网容量小,容易受到干扰,所以负载分配的是否合理对于船舶电网的频率和电压的稳定至关重要。
参考文献1汤蕴璆,史乃.电机学.北京:
机械工业出版社,2003.2许实章.电机学.北京:
机械工业出版社,1988.3施亿生,谢绍惠.船舶电站.北京:
国防工业出版社,1981.4周士鸿.船舶电站功率均匀分配和实船调试.中国修船,1990,(4).
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- 同步 发电机 并联 功率 分配 调节