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1、第15章 电力系统频率及有功功率自动调整,15.1 电力系统有功功率自动调整基础知识 15.2 自动调频调载原理,15.1 电力系统有功功率自动调整基础知识,1)电力系统频率波动的原因及其影响,原动机输入功率为PT，发电机负荷功率为PF,(1)当，时,静止或恒转速运行，即稳态。(2)当，时,系统处于加速运行，即动态。(3)当，时,系统处于减速运行，即动态。,船级社规定：船用电器设备在电源频率波动稳态值达5额定频率时应能正常运用。因此要求船舶电网频率的变化最好保持在0.2Hz以内。,2)电力系统的负荷调节效应,负荷功率随频率而改变的特性称为负荷的功率频率特性，属于负荷的静态频率特性。,船舶电力系
2、统中各种有功负荷与频率的关系，可分为如下几种类型:(1)功率与频率无直接关系的负荷。如:白炽照明，电热，整流器等。(2)功率与频率成正比的负荷。如:机床，压缩机，卷扬机等，其转矩基本恒定。(3)功率与频率的三次方成正比的负荷。如:吸风机，通风机，水泵等。,在电力系统中功率平衡被破坏引起频率变化时，负载吸收功率的变化起着补偿的作用，使系统能在另一个频率值下得到新的平衡，这种现象称为电力系统的负荷调节效应。,负荷调节效应,为了保证系统的频率变化在一定的允许范围内，发电机组必需配置调速器。,15.1.1 调速器及其调速特性,发电机转速的调整是由原动机的调速器来实现的，因此发电机组的功率频率特性取决于
3、调速器的特性。,由于电力系统要求频率能维持在一定范围之内，因此调速器应是一种“定速调速器”。即通过调速器调节维持原动机转速不变。调速器种类有机械式、液压式和电子式等。但无论哪种型式，其工作原理都是测出偏差后，根据偏差的大小和极性去调节原动机，使原动机在负载从零到额定值范围内变化时，维持转速在允许的范围内。,1)调速器的结构和动作原理,1：传动轴2：轴3：飞铁4：拨爪5：滑套筒6：弹簧7：杠杆8：拉杆9：涡轮涡杆10：调速器电机11：柴油机油门,柴油机运行时，通过齿轮传动机构带动调速器的传动轴1将转速传到轴2，使飞铁3绕轴2旋转，飞铁在离心力作用下，力图张开，并将滑套5向上顶，压缩弹簧6，直到与
4、弹簧6产生的反作用力相平衡，这时滑套5将处于某一平衡位置，通过杠杆7、拉杆8，将油门拉到一定的开度，使柴油机有一定大小的喷油量，机组在一定转速下运行，此时的调速器处于一种平衡状态。,平衡状态,若由于某种原因破坏了调速器的平衡，譬如负载减少、机组转速升高，则飞铁的离心力增大、张开的角度将更大，引起滑套5上移。在滑套上移的过程中，通过杠杆、拉杆、使油门减小，转速就被阻止进一步增加。同时，因为滑套的上移压缩了弹簧6，其反作用力也将增加，直到与离心力的作用平衡，滑套5就停止上移。到此，调速器达到了一个新的平衡状态，机组在另一个转速下稳定运行。,负载减少,相反若由于某种原因使转速降低，则飞铁的离心力变小
5、、平衡又被打破，此时弹簧6的压力大于离心力的作用，滑套下移，于是油门加大，阻止了转速进一步下降，又达到了一个新的平衡。这种自动调整作用，使柴油机能稳定运行于一定的转速范围内。,负载增加,通过伺服电动机，经蜗轮蜗杆传动，可以将弹簧6事先压紧到一定的程度；弹簧“预紧”是通过配电盘上的手动调速开关接通伺服电动机进行的操作。预紧力越大，滑套越被压向下移，对应的油门开度越大，反之油门开度越小。,2)调速器的特性,倾斜度可用调差系数K来表示,稳态特性,(1)瞬时调速率J,船舶要求:J10,(2)转速恢复到稳定值所需时间T要求；转速恢复过程，应当没有振荡。,T5秒,动态特性,n1,n2,(3)调速特性的失灵
6、区(灵敏度)：由于调速机构的间隙，对微小转速变化不能反映。即调速期存在一定的失灵区。失灵区太大功率分配产生误差，太小频繁调节。,3）单机运行时频率的调整调速特性的平移,在同一负载下欲使频率升高，则应加大弹簧预紧力，将油门加大，整个曲线1将向上平移到曲线2。若减小弹簧预紧力，则特性向下平移，如图中的曲线3。,1.两台发电机具有有差特性,斜率不一致。,15.1.2 发电机并联运行的有功功率分配,在两台机组均功后，当负荷变化时，功率分配不均匀,2.两台发电机具有无差特性。,两台机组间，有功功率随机分配，可导致逆功率跳闸或过载跳闸。在无功率分配控制系统作用下无法并联运行。,3.一台发电机具有有差特性，
7、另一台具有无差特性。,当负荷增加：增加的功率全部由无误差特性机承担，若负荷超过该机额定值可引起过载跳闸。当负荷减小：无误差特性机将减小输出功率，有可能导致另一机过载跳闸。也无法并联运行。,负荷增加,负荷减小,要使两机之间的功率能够按容量成比例分配，只有两特性曲线的斜率致。由于调速器特性总是存在一定的差别，为了使电网频率不致随负载变化过大，又要使功率稳定的分配，特性曲线的下降率应在3左右，不超过5，以保证有功分配偏差在10以内。,设一号发电机运行于A点，输出的有功功率为P，二号发电机为并入发电机，浮接在电网上，处于空载状态，运行于B点。,在转移负载时，为保持电网的频率不变，必须同时向相反方向调节
8、两机组的调速控制开关,操作步骤：,15.1.3 有功功率的转移操作,2号机单独加速，电网频率增加,f0 f0,转移过程:为保持电网的频率稳定，在转移负载时，必须同时向相反方向调节两机组的调速控制开关。对上述情况，需增大二号发电机组的油门，使特性曲线2向上平移到特性曲线(2);同时减少一号发电机组的油门，使特性曲线1向下平移到特性曲线(1)，并与曲线2交于C点。两特性曲线(1)和(2)的交点C说明两台机组的频率均为fe，而两台机组各自分担的功率均为P1/2。以后在负荷变动时，由调速器自动稳定功率分配，并调节电网频率。,当两台发电机组并联运行需解列一台时，也应同时反向调节原动机的调速控制开关。在电
9、网的频率保持不变的情况下，将负荷全部转移至运行的机组。当需解列的机组的有功功率接近为零时，将该发电机的主开关断开。在并联运行中若出现功率分配偏差较大时，也要按上述操作进行功率按发电机容量比例均匀分配。如果出现电网频率偏离额定值时，可同时向同方向操作两机组的调速开关，使频率上升或下降。,f0 f0,2号机单独减速，电网频率降低,15.2 自动调频调载原理,船舶同步发电机并联运行时，其调速特性为有差特性，当负荷变化时，虽然有调速器，但电网的频率仍会发生变化。而且由于两机组的调速特性不可能做到完全一致，两机组的有功功率分配也不均匀。因此要维持频率恒定和有功功率分配均匀，必须进行再次调节(二次调节)。
10、自动调频调载装置是协助原动机调速器对电网电压的频率和有功功率进行调整的装置。,（3）接到解列指令时，能自动进行负荷转移。,其作用是：,（1）保持电网电压的频率恒定；,（2）按并联运行机组的容量比例进行负荷分配；,15.2.1 自动调频调载装置的原理,调整原动机转速及机组的负荷需要根据转速（频率）和负载（功率）的信号，来实现调节。尽管目前自动调频调载装置的品种很多，并且还在不断的更新换代。基本环节都是由频率变换器、有功功率变换器、有功功率分配器和调整器等组成。,1)频率变换器,基于波形变换的频率变换器的原理图,设输入信号的频率为f，则平均值电路的输出为,2)有功功率变换器,有功功率变换器是用来测
11、量每一台输出的有功功率P，并将它转换成与之线形相关的直流电压Up 即：,单相功率变换器原理图,该电路检测的是发电机的有功电流,电压正半周四个二极管导通，忽略管压降，则1、2两点等电位。故up=ui，电压负半周，桥式二极管截至，up=0。,以电压为参考相位,在uv正半周取电压ui在一个周期的平均值,可见该电路检测的是发电机的有功电流。因为电网电压基本恒定，故输出的平均值Up与发电机的有功功率P成正比。为测量准确性，使|uv|ui|。实船采用两瓦特法测量三相功率。,3)有功功率分配器,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
12、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)调整器,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。,由于要调节每台发动机组油门的大小，每台发电机组需配置一个调整器。,调整器一般应具有如下功能:（1）判别综合信号的极性，决定调速方向，根据综合信号的大小，决定调速信号脉冲的周期（当脉冲宽度一定时），或者调速脉冲的宽度（当调速脉冲周期一定时）。,脉冲宽度一定,T2,T1,T3,T,T,T,脉冲周期一定,（2）
13、使每个调节过程的第一个调整信号有适当（如5秒左右）的延时，避开动态过程。（3）应有一定的不灵敏区。当输入未超过不灵敏区时，调整器不工作，这有利于防止系统过于频繁的工作（对于微小的频率偏差不调整）。,15.2.2.自动调频调载方法,电网频率的自动调节和自动控制负荷分配，按其工作原理可分：有差调节法、虚有差法和主调发电机法等。,1)有差调节法,是仅依赖有差调速特性的调速器（一次调节）来稳定电网的频率和有功负荷分配的方法。这种方法没有外加的再调节，因此不能保持频率恒定，有功负荷分配通常也不均匀。,2)虚有差法（柴油发电机组间）,虚有差法是在并联运行的每一台发电机上，都装有对频差和功率差进行调整的控制
14、系统。,在它的控制下，电网的频率保持为额定值，电力系统的负荷按每台发电机的容量成比例进行分配。虽然每台发电机安装的调速器（一次调节）的调差系数不尽相同，但不影响调节结果。因为并联运行的机组具有有差特性，能够保证稳定的有功分配，系统能自动再次调节使频率保持恒定（二次调节），故为虚有差法。,调速器,原动机1,n,转速设定,调速器,原动机2,n,调整器,调整器,有功分配器,转速设定,功率,频率,一次调节(有差),二次调节(无差),3)主调发电机法,是指在并联运行的发电机组中有一台机组上装有调频器，作为主调发电机，其任务是当负荷变化而引起电网频率出现频差时，由它再次调节改变油门，来维持电网的频率为额定
15、值，并承担系统负荷的变化量。而其余的发电机则总是保持运行于接近额定值，称为基载发电机。,因此，调频调载装置仅作为主调发电机的调频器，它只检测电网的频差，并根据频差信号去调节主调发电机的调速特性来实现调频。而基载发电机的调速特性为有差特性，其工作点一次整定在额定频率，达到预定的负荷后，将不会再受调频器的控制。,自动调频调载装置原理框图,二次调节(无差),自动分级卸载保护装置是一种发电机过载保护装置。当发电机出现过载时，自动卸载装置动作，将部分次要负载自动切除，以保护发电机正常工作，并保证重要负载不间断供电。,15.2.3 自动分级卸载,该装置具有:一级定时限卸载保护、二级定时限卸载保护、发电机过
16、载反时限跳闸保护及发电机欠压定时限跳闸保护的功能。主要由信号变换、电流检测、二级定时卸载、电压检测等环节组成。,备用机组能否起动的条件为：是否为“第一备用”、机组是否已准备好、系统是否要求增加机组。,1)自动增加机组的条件,15.2.4 自动增减运行机组原理,系统要求增加机组的条件概括如下：,（1）电网失电,（2）电力系统储备功率不足、运行机组重载或即将重载,（3）重载询问,（4）机组出现故障,自动起动指令形成后，应选择机组进行起动的顺序。,柴油发电机组起动成功后,经一定时间进入正常运转,电压及频率达到要求的数值。此时如果电网失电,合闸信号使发电机立即合闸,如果电网有电,则按照并车条件进行合闸
17、,并车成功后,自动进行负载的转移。,2)自动起动及合闸过程,接到起动指令后,柴油机进行起动(第1备用机组，预润滑，检测转速达到指定转速认为起动成功)。第一次起动不成功,共可起动三次起动(发报警信号并阻塞该机再起动备用状态取消)。第一备用起动失败，起动第2备用机组。,当电力系统储备功率过剩(各机组所承担的负荷较低)时，选择一机组准备停机(按备用次序的反次序或运行时间较长的机组)，首先自动进行负载的转移(将准备停机的机组负荷转移到其他机组，注意不能降至0避免逆功率)，使该机主开关分闸，将转速降低到一定值后停机。,3)发电机的自动解列停机,No1 GE,No2 GE,No3 GE,运行机,第1备用先
18、起后停,第2备用后起先停,第六节 同步发电机的短路与振荡,同步发电机在运行过程中，往往由于故障原因或输入输出功率的突然变化，使稳定运行的平衡条件遭到破坏而引起暂态过程。由于发电机电路中的电磁能量不能跃变而发生电磁暂态过程；由于转动系统的机械能量不能跃变而发生机电暂态过程。严重的暂态过程对发电机的安全和并联运行的稳定性都会产生极为不利的影响。,一、三相突然短路,三相突然短路是指同步发电机出口近端的对称短路，了解三相突然短路的特点有助于理解其他原因（如突加突卸大的负载等）引起的暂态过程。假设短路前发电机空载，电枢电流为零，当突然发生三相短路时，其暂态过程有以下一些特点：,1.在短路的暂态过程中三相短路电流为非对称三相电流。,2.在暂态过程中强制交流分量的幅值也是逐渐衰减的，最后进入幅值不变的稳定短路状态表明短路电流有效值随时间变化的情况。,3.暂态短路电流远大于稳态短路电流。4.三相突然短路的电磁暂态过程虽然极为短暂（约0.1s0.3s），但其影响较大。,二、并联运行发电机的振荡,并联运行同步发电机的振荡往往是由于原动机或励磁等系统的故障所引起的机电瞬变过程。转子的振荡有自由振荡和强制振荡。,1.自由振荡,2.强迫振荡,
