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第三章 船船同步发电机的并联运行

学习目标

知识目标
1． 能正确叙述和理解船舶同步发电机的并联运行条件；
2． 能正确理解和掌握船舶同步发电机的并联运行方法；
3． 能简单叙述同步发电机的无功功率的调整的基本原理；
4． 能正确理解和掌握同步发电机的频率及有功功率的自动调整原理及工作特点。
能力目标
1． 会进行船舶同步发电机的手动和自动并车；
2． 会进行船舶同步发电机的同步调整；
3． 会进行船舶同步发电机的功率、频率调整。

第一节 同步发电机并联运行的条件

一、概述

两台以上的发电机同时工作，通过共同的公共母线供电给全船的电力负荷称为并联运行。
(一)并联运行的优点
因为并联运行有如下两个优点，所以船舶电站的发电机都采用并联运行的方式。
1．船舶电力负荷随船舶工况的变动而经常变动，例如航行工况与停泊无装卸工况的负荷差别很大，我们知道，对发电机来说，一般都设计成在接近满负荷使用时具有最高的效率，因此，船舶电站总是设计成两台以上的发电机组成，在小负荷时，适宜于单机运行，而负荷大时，则采用两台或两台以上发电机并联运行，这样能保证在各种不同工况下，运行中的发电机都能在高效率下工作。
2．为了保证供电的可靠性和连续性，船舶电站总设置有备用发电机组，当要检修运行中的发电机组时，先将备用机组起动并与电网并联后，再转移负载，将所检修的运行机组的负载转移在备用机组上后，再从电网解列，这样可以保证不停电的检修运行中的发电机组。
(二)同步发电机并联运行的条件
为了使并联运行的交流同步发电机保持稳定地工作，每台并联运行的发电机必须满足如下的电气方面的条件:
1．各发电机电压的相序应该一致 。
2．各发电机的电压大小(有效值)应该相等。
3．各发电机电压的相位应该一致。
4．各发电机电压的频率应该一致。
由于船舶电站在建造时，三相相序已正确接好，各机组的三相相序已分别通过主开关与电网或汇流排的三相相序分别对应接好，只要不是人为的错误换接，那么船舶发电机并联时要求相序相同的条件，事实上已经得到满足，因此三相发电机的三相电流相序一旦接好后，不得改动。
下面对以上四个条件进行详细分析。

二、三相相序条件的分析

Ｇ１
Ｇ２

A1
B1
C1
A2
B2
C2
B
C
V
V
AVB1
ACB2
图3.1.1 相序条件分析图
A
如果待并发电机的频率、相位、电压三个条件均已满足运行发电机的要求，只有相序条件不满足，是绝对不能并联的。因为错相序后，相当于直流发电机并联时正负极性错位一样，变成两电源电压迭加，形成严重的短路现象。
这时，两发电机间的短路负载为其各发电机
的内部阻抗，此阻抗值极小，因此强行并联
后，必将产生严重短路电流，在此电流的冲
击下，电网电压迅速下降，主开关立即跳闸，
造成全船电网失电。
在测量相序时，可采取如下方法:三相相

序相同时，各机间三相的对应电压为零伏。否
则将产生400伏的线电压，因此，可以用万用表或交流电压表检测三相相序是否相同。图3.1.1表示待并机Ｇ２的Ａ、Ｃ两相与汇流排相序不同的情况。由图3.1.1可见，用电压表“Ｖ”应能测出ＵＡＣ２与ＵＣＡ２的电压均为400伏，而ＵＢＢ２的电压为0伏。说明Ｂ相极性相同，但Ａ、Ｃ两相反相，故不得并联合闸。

三、三相电压条件的分析

如果待并机的相序、频率、相位均满足电网的要求，只有待并机的三相电压值与电网三相电压值不相等，也不能并联。为分析方便，设Ｕ２>Ｕ１。
ACB1
ACB1
ACB2
ACB2
Ｇ2２
Ｇ１
IPH
U２
U1
I２
I1
U２
U1
ΔU
图3.1.2 电压条件分析图
(a)
(b)
(c)
IPH
-IPH

在两台发电机存在电压差时合上待并发电机的主开关ACB２，此时在ACB２两端将产生一差值电压△,此电压差将在两机组间产生一环流。如图3.1.2(b)所示，因为环流流经的回路主要是感抗，故滞后△约为90°，矢量图如3.1.2(c)所示，这一环流对二台发电机均产生均压作用，由于与的方向一致，对发电机Ｇ２来讲，相当于是Ｇ２输出一个滞后的无功电流，它产生的电枢反应是去磁的，将使Ｇ２的端电压比并联前有所下降，但对运行机Ｇ１来讲，与反方向，因而相当于是减少Ｇ１输出的滞后无功电流，其电枢反应的结果是减少了原来的去磁作用，这样将使Ｇ１的端电压比并车前的有所升高，结果使二台发电机并联运行于同一电压上。这是对并车有利的方面。
由于发电机并车时，等值电抗很小，在电压差较大的情况下进行并车时，回路中阻抗主要为发电机的超瞬变电抗Ｘｄ,它比稳定时发电机电抗小得多。这样，即便比较小的电压差都将在机组间产生很大的冲击电流。在并车时应予避免，因此一般要求，在并车操作中，电压差不得超过10%Ｕｅ.

四、三相相位条件的分析
如果待并机的相序，频率、电压均满足电网的要求，只有待并机的三相相位与电网不相同，也不能并联，设δ0＝δ２0－δ１0＝０。
　如图3.1.3所示，尽管二电压的有效值相等，频率相同，但由于初相位不一致，合闸瞬间ACB2的动静触头之间仍然存在有电压差△Ｕ=Ｕ２-Ｕ１,其大小为:
△Ｕ＝２Ｕsin(δ0/2)
当δ０=180°时，则△Ｕ＝２Ｕ,此时电压差最大，由于△Ｕ的存在，产生平衡电流，它滞后于△为90°，滞后于为δ０/２,而超前为δ0/2. 对发电机Ｇ２而言是与其输出电流的正方向相同，可分解为与同相的有功分量及与垂直的无功分量,对发电机Ｇ１而言，环流的负值—与Ｇ１的输出电流的正方向相同，如图3.1.4所示，它也可分解为二个分量，即与反相的有功分量是及与垂直的无功分量。由于与同相，对发电机Ｇ２将增加有功负荷，在轴上产生一个制动力矩，但对Ｇ１来说，与反相位，Ｇ１吸收有功功率，Ｇ１运行于电动状态，在轴上产生一个驱动力矩，两者作用的结果均有利于使二台机组拉入同步，即相位一致，同步发电机内部的这样作用称为“自整步”作用。
U1
U2
ΔU
IPH
δ0
U2
ΔU
U1
IPH
-IPH
IPHP
IPHq
IPHP1
IPHq1
图3.1.3
图3.1.4

在相位差很大的情况下进行并车时，过大的△Ｕ将产生很大的冲击电流，在发电机轴上将产生很大的冲击转矩。可能引起机组转子的振荡或失步而逆功率跳闸，甚至损坏机组。因此，一般要求并车瞬间，相位差不得超过15°。

五、频率条件的分析

如果待并机的相序、电压、相位均满足电网的要求，只有待并机的频率与电网不相等，也不能并联。设ｆ２>ｆ１。
由图3.1.5可知，在合闸瞬间(ｔ＝０)两发电机组电压向量重合，但由于ｆ２>ｆ１,经过△ｔ后，将超前一个角度δ＝2π(ｆ２-ｆ１)△ｔ，同样会产生电压差△，其结果与前面分析相同，即也将产生环流。若在并车瞬间，两机组的频率相差较小，依靠自整步作用可自行拉入同步；若频率差太大，因自整步作用不足以拉入同步，将造成机组失步而跳闸，严重时将造成全船失电。所以在并车时，希望频率差在±0．5Ｈz以内。
从上面分析可知，当发电机间并联运行时，必须同时满足上述四个条件。其中任何一个

U2
f1
f2
U1
U2
△U
f2
f1
δ=2π(f1-f2) △ t
(a)
(b)
图3.1.5 频率条件分析图

条件不满足时，将产生电压差，形成环流。这个环流可能是短路环流，可能是无功环流，也可能是无功和有功环流，并包括动能。如果根据发电机的承受能力，限制环流变化范围，则能自动将各并联机组拉入同步运行。如果并联条件超过允许范围后(即△Ｕ>１０％Ｕe;△δ>15°；△ｆ>１％ｆe),过大的冲击电流和能量，可能导致并联失败或使电网电压突然下降而跳闸及损坏机组等事故，这都应该设法避免，以保证并联供电安全。

第二节 同步发电机的并联方法

一、概述

为了使待并机正确无误的并联成功，必须采取科学的方法进行并联操作。目前，船舶同步发电机组并联运行的方法可分为三类:准同步法、粗同步法和自同步法。
(一)准确同步法
准确同步法是将待并发电机组及运行发电机组的电压，频率及相位都调得十分接近，再合上待并发电机组的主开关。此法在并车时引起的冲击电流、冲击转矩和母线电压的下降都很小，对系统的影响较小，是目前船舶上普遍采用的并车方法，但采用此法并车时，对操作者的素质要求较高，若因某种原因造成非同步并联时，将造成很大的冲击电流，最严重时其冲击电流与机端三相短路电流相同。
目前，船舶上通常采用的手动并车、半自动并车及自动并车均属准同步并车法。
(二)粗同步法
粗同步法是指待并机基本满足电网所需的并联条件后，即可先行串联一个电抗器与电网并联，然后再合主开关的方法。
(三)自同期法
自同期法是将未经励磁的发电机的转速加速到接近同步转速，再将主开关合闸，并立即给发电机加上励磁，依靠机组间自整步作用而拉入同步，使发电机与电力系统并联运行。
自同期原理与前述并联条件的分析相同，当待并机上网后再起压时，定子的磁场与转子的磁场必相互作用，产生同步力矩，如果待并机转子转速高于定子磁场转速时，产生阻力矩，相当工作在发电机状态，如果待并机转子转速低于定子磁场转速时，产生加速力矩，相当于工作在电动机状态。结果将待并机拉入同步运行。
这种并联方法的主要优点是操作简单，上网迅速，但由于定子在无压下并联，实际上是一个感性负载，因此合闸时的冲击电流和冲击转矩较大，电压下降过度，一般船舶电站的容量无法满足其要求，因此在船上极少采用。

二、同步发电机组的手动并联运行

通过人工操作来调整待并发电机的电压和频率，使之满足并联运行的三大条件而进行合闸操作的过程称之为手动准同步并车。目前船上常用的手动准同步并车方法有:同步指手灯并车法和整步表并车法。
(一) 同步指示灯并车法
用指示灯检测并车时是否符合并车条件有两种接线方式，一种叫做灯光明暗法，一种叫灯光旋转法。
Ｇ１
HL１
HL2
HL3
图3.2.1 灯光明暗法接线图
1．灯光明暗法
图3.2.1画出了灯光明暗法的接线，实际上电网
与待并机的电压都是经互感器降压后再与指示灯相连，
这里为简化而将互感器省略了。
将三个(也可以只用两个)指示灯ＨＬ1、ＨＬ２、
ＨＬ３的两端分别接在待并发电机与电网电压的对应
相上，这样，每个指示灯两端的电压就是其对应相的
电压差△Ｕ，在并车条件的讨论中已说明过当电压、
频率和相位不一致时，在待并机与电网之间都会出现
电压差，指示灯就会发亮。因为灯泡上所加电压的大
小是随相位差的不同而变化的，所以三个指示灯随相位差的变化而同时忽亮忽暗，并且频差越大，灯泡的亮、暗变化越快，当指示灯亮、暗变化较慢时(频差越小时)，并在指示灯完全熄灭的那一瞬间(相位差为零)就是我们在并车操作中要捕捉的合闸时刻。一般灯泡当电压降到30—50%额定电压时已经熄灭，因此在观察过程中可以发现灯泡在熄灭的状态下要逗留一段时间。操作者要仔细地观察指示灯，以求掌握其亮、暗的规律，准确地捕捉住灯光熄灭过程中正中间的一瞬使待并机主开并恰好合上闸。
2．灯光旋转法
图3.2.2画出了灯光旋转法的接线图和矢量图
Ｇ１
图3.2.2 灯光旋转法接线图及矢量图
Ａ
Ｂ
Ｃ
HL1
HL2
HL3
ACB
A1
B1
C1
UA1
UB1
UC1
UA
UB
UC
UHL1
UHL2
UHL3
（ａ）
（ｂ）
ＨＬ１接在待并机与电网的对应相Ａ相上，ＨＬ２接在Ｃ１Ｂ间，ＨＬ３接在Ｂ１Ｃ间，采用交叉接法。当待并机频率ｆ１高于电网频率ｆ２时，则两个电压相对运动的角速度为2π（ｆ１－ｆ２）参看图３.2.3(b)，若以电网电压为参考。则待并机电压矢量以2π（ｆ１－ｆ２）的角速度反时针方向（ｆ１>ｆ２）或顺时针方向（ｆ１<ｆ２）旋转，待并机与电网电压矢量的夹角周期性地变化，加在三个指示灯上的电压也如表3.2.1所列的那样不断地变化。由此可以看出，当ｆ１>ｆ２时，三个灯泡将轮流熄灭，次序是ＨＬ１→ＨＬ２→ＨＬ３→ＨＬ１；反之，当频差改变方向时（ｆ１<ｆ２）三个灯泡轮流熄灭的次序将变为ＨＬ１→ＨＬ３→ＨＬ２→ＨＬ１。当频差越大，灯光旋转的越快，当频差改变方向时，灯光旋转的方向也改变。因此可以根据灯光旋转的方向和快慢，辩别频差的正负和大小，从而进行正确的频率预调，以便选择适当的时机进行并车。两机进入整步的标志是灯光停止旋转，ＨＬ１完全熄灭，ＨＬ２、ＨＬ３具有相同的亮度。

表3.2.1　　　当ｆ１>ｆ２时，灯光旋转各灯泡上电压变化
ＨＬ１灯泡两端电压的相位差θ角
ＨＬ１灯泡上的电压
ＨＬ２灯泡上的电压
ＨＬ３灯泡上的电压
０
０
Ｕ
Ｕ
60
Ｕ
Ｕ
２Ｕ
120
Ｕ
０
Ｕ
180
２Ｕ
Ｕ
Ｕ
240
Ｕ
Ｕ
０
300
Ｕ
２Ｕ
Ｕ
360
０
Ｕ
Ｕ

采用指示灯检测并车条件尽管简便易行，所有的交流船全都设置，但因观察灯泡亮暗变化及旋转易使人眼花缭乱，而不易准确掌握，所以几乎所有的交流船都采用整步表来检测并车条件，同步指示灯只是做为一种辅助并车指示。
(二)整步表并车法
整步表是通过指针的转动情况,检测待并机与电网间的相位差和频率差。它又叫同步表，其结构及原理示意图如图3.2.3所示，它的定子上绕有三相绕组，中间是转子励磁线圈，固定在底盘上，最中央是转轴，转轴上下各有一块同样大小的扇形铁片组成的Ｚ形铁芯，转轴的上端有指针，转轴上无线圈，它的两头是通过宝石轴承加以固定，可以自由转动。整步表无游丝和导电片，因此，无反作用力矩，指针可以在360°自由转动。
在工作时，定子绕组接在待并发电机的A、B、C三相电压上，产生一个径向旋转磁场，其大小是固定的，为2Φｍ，而Φｍ为一相磁通的最大值，其方向是随着时间的推移按逆时针方向作旋转运动。转子铁芯的励磁线圈接在电网的Ａ１Ｂ１相上。这样在铁芯励磁线圈中就通过由电网电压Ａ１Ｂ１所产生的单相交流电，从而产生一个脉动磁场。其脉动频率由电网频率决定的，脉动磁场的方向，原是沿着转轴的轴间磁场，但因扇形铁片的导磁系数很高，绝大部分磁力线都被改变为径向脉动磁场，如图3.2.4所示，这样，在整步表的空间就有一个铁芯励磁线圈产生的径向旋转磁场ΦF，它们的频率分别为电网频率ｆＷ和待并发电机的频率fＦ，此两磁场的合成磁场吸引着扇形铁片，使扇形铁片停留在合成磁场的最大位置上，决定着指针的位置，实际上整步表是一种电磁式仪表，与功率因数表相似。

接发电机端
转子绕组
定子绕组
接电网
Ｒ１
Ｒ１
Ｒ１
Ｒ２
Ａ
Ｂ
Ｃ
快
慢
转子扇形铁片
转子励磁线圈
定子三相绕组
图3.2.3 整步表结构原理图
（ａ）
（ｂ）
指针
UA1B1
UA
UA1
UC1
UB1
UB
UC
指针
扇形铁片
径向磁通方向
励磁线圈
轴向磁通方向
图3.2.4 　整步表转子磁通图　
图3.2.５ 　整步表的矢量图　
Φw
ΦF

当待并发电机的频率ｆＦ与电网的频率ｆＷ相等，相位也相同时，则最大值合成磁场的位置总是固定在某一空间位置上，这一位置即为ＵA1B1的向量位置，如图3.2.5所示，由图可知，这一位置在Ａ相绕组轴线前30°处，也即滞后ＵＣ为90°。因为每当ΦF旋转磁场转至此位置时，Φw脉动磁场出现最大值，合成磁场最强，扇形铁片及指针也就停留在此位置，刻度上指示为零。
当频率相同，但待并机电压的相位滞后时，设待并机的电压ＵAB在相位上滞后电网电压ＵAB的角度为δ，作用于Ｚ形铁片的交变磁场出现最大值与旋转场相遇的时间将提前，这时指针的位置与同步点时相比，向逆时针方向移动了δ角度，也即慢了δ角度。
同理，当频率相同，但待并机电压的相位超前时，设超前角为δ，则此时指针的位置与同步点时相比，将向顺时针方向移动δ角度，也即快了δ角度。
当待并机的频率ｆF低于电网频率ｆw时，相当于旋转磁场的旋转速度低于脉动磁场的变化速度。所以脉动磁场达到最大时，铁片与旋转磁场相遇的地点将不断沿着逆时针方向移动，即整步表指针将不断地向“慢”的方向转动。
同理，当等并机的频率ｆF高于电网频率ｆW时，相当于旋转磁场的旋转速度高于脉振磁场的变化速度，因而电网的脉动磁场达到最大值时，铁片与旋转磁场相遇的位置将不断沿顺时针方向移动，即整步表指针将不断地向“快”的方向转动。
在整步表接线中，其转子励磁线圈一定要接电网的ＡＢ相，如果接错，整步表的指示将不正确。即使fw=fF，且相位一致，指针也不指示零点，而是固定偏转某一角度。
由于整步表为指示仪表，按理说频差越大，指针的转动速度也越快，但频差过大时，由于可动部分的惯性影响，指针将不旋转，或只作一定幅度的摆动；而当频差过小时，由于可动部分摩擦力矩的影响，指针将停止转动。设计时要求频差在0.125Hz时，指针应能不停地转动。
(三)手动准同步并车操作
并车操作就是要测量和调整待并发电机的电压大小，相位与频率，使其与电网上已运行的机组基本相同，合上主开关，使发电机拉入同步。
主配电板上的电压表、频率表、同步指示器就是检测并车条件的工具，电压表的数值可以指示待并发电机电压是否与电网电压一致。目前船用自励恒压发电机一般均能满足电压在允许偏差之内。如各发电机电压相差太大，则要根据具体情况或排除故障，或对电压校正器的参数进行适当调整以使电压差满足要求。频率是否一致，可以通过频率表进行检测，若相差太大，则可通过伺服马达调节发电机组中原动机的调速器，从而改变原动机的转速，即调整了频率。同步指示器和同步指示灯则用来测量相位的频差的大小，若频差太大，同样要调节原动机的转速，使频差减小到允许范围之内。
当电压差与频率差基本调整完毕后，就应合整步表转换开关，将其转换到待并发电机位置。见图3.2.6所示，若整步表的指针沿着“快”的方向旋转，则说明待并发电机转速（频率）快了。则要通过伺服马达控制柴油机的调速器，使待并发电机的转速下降，等调节到指针旋转比较缓慢时(一般总是使指针沿快的方向旋转，这样并车后就可分担少量负载，对并车成功有利)，当指针快到中点即相位差为零时立即合闸。(考虑到主开关有一定的动作时间，故要适当提前一个角度)，待并发电机依靠自整步作用被拉入同步，观察整步表将固定在“整步”位置不再转动，然后再进行负载转移。并车完毕后，应立即通过整步表转换开关将整步表从电路中切除。

三、船舶同步发电机组的粗同步并联运行

粗同步并车又叫电抗并车，它放宽了对准同步并车的条件，提高了并车的成功率，因而深受船员欢迎。
图3.2.7画出了粗同步原理接线。当待并发电机G1起动后，大致调节一下频率，观察一下电压差别不大，至于相位甚至可以不考虑,就可以接通接触器JC，使发电机通过电抗器DK与电网并联。这时尽管电压差、频率差和相位差比起准同步的三个条件都要宽得多，但由于DK的阻抗很大，它限制了并车时由于三个条件不满足所产生的冲击电流，使这个电流数值不会超过发电机额定电流的1.8倍，所以电机不会损坏。当发电机G1通过电抗器DK与电网并联后，由于机组间的自整步作用，很快就会被拉入同步。观察整步表，当指针固定在“整步”标记的位置时，就可以合上
SYN
HL
HL
CS
E6774
(LW95-15E6774/6)
45°
0°
45°
90°
1号发电机 电 压
2号发电机 电 压
3号发电机 电 压
汇流排 电 压
整步
１号发电机
２号发电机
３号发电机
零
１　　２
３　　４
５　　６
７　　８
９　１０
11 12　
13 14
15 16
17 18
19 20
21 22
23 24
图3.2.6 三台发电机并车用整步表接线原理图

G1
JC
ZK
DK
电网
图3.2.7 粗同步原理图
主开关ＺＫ，将电抗器短路，使发电机不再通过电抗器，而是直接与电网并联运行，因为机组此时已经与电网同步，所以合主开关时，不会产生冲击电流，然后再断开接触器ＪＣ将电抗器切除，粗同步并车就完成了。因为粗同步并车用电抗器是按短时工作制设计的，只在并车时使用，并车完毕后，一定要从电网上将其切除，否则电抗器就可能被烧毁。
图3.2.8是目前广泛采用的自动切除电抗器的粗同步并车线路。其工作过程如下:
调整待并发电机G1的伺服马达调速旋钮，使其电压和频率都接近运行发电机G2，合上整步表转换开关G1并车位置，观察整步表指针旋转较慢并在指针转到“整步”位置前一个角度时按SB1按钮，JC1通电，JC1的副触头自保持，主触头闭合，G1通过DK与G2并联，同时SJ1开始计时，经一定延时(6—8秒)这段时间应保证G1已被拉入同步，SJ1延时闭合， JC3有电，接通G1的主开关ZK1的合闸线圈，ZK1立即合闸，合闸后ZK1常闭辅助触头断开，JC1失电，电抗器自动切除，SJ1也失电复拉。然后再切除整步表及转移负载。
ZK1
ZK2
DK
SB1
SB2
JC1
JC1
JC2
JC2
ZK1
ZK2
SJ1
SJ2
SJ2
SJ1
JC3
JC3
JC1
JC2
JC4
JC4
ZK1
ZK2
G1
G2
图3.2.8 粗同步并车装置原理图
并车用电抗器是根据限制发电机冲击电流并保证能拉入同步的要求而进行设计的。为了减小铁芯损耗及防止短路时因铁芯的饱和而使感抗降低，并车用电抗器均采用空芯式结构。

四、船舶同步发电机组的自动并联运行

能够完成手动准同步并车操作的全部逻辑程序的自动装置就叫自动并车装置。
自动并车装置具有下列功能:
(一)检测待并发电机与电网电压的电压差、频率差和相位差，当任何一个条件不符合并车要求时，实现闭锁，不允许发出合闸指令；
(二)检测待并发电机与电网的频率差，并根据频差的大小与方向自动地对待并机组发出调频信号，进行频率预调，减小频差，创造合闸条件；
(三)当电压差、频率差在允许范围内时，要能计及发电机自动空气开关的固有动作时间，相应地提前发出合闸指令，实现自动准同步。
自动并车装置通常由三部分组成，即调压、调频和合闸三部分，其原理框图如图3.2.9所示。因为船用自励恒压发电机的电压都能保证在并车的允许范围内，故一般均省去调压部分，只剩电压闭锁环节，由于篇幅所限,在此不详细介绍。

运行机电压
待并机电压
差额电压
电压差检测
相位检测与超前时间整定
和闸条件整定
合闸部分
频差闭锁
电压闭锁
调压部分
调速部分
电压上升信号
电压下降信号
升速
减速
合闸指令
图3.2.9 自动并车装置原理图

第三节 同步发电机间无功功率调整

前已叙述待并发电机满足并联运行条件以后，即可合闸进入并联运行状态。但此时操作过程尚未结束，还要进行无功功率的调整。并联运行的同步发电机，除各机组所承担的有功功率应按机组额定容量成比例分配以外，它们所承担的无功功率也应按机组容量成比例分配。这一要求是基于下述理由而提出来的。第一，无功电流不按比例分配，会造成部分机组电流偏大，部分机组电流偏小。这样会使总的定子铜损加大，使效率降低。第二，并联机组所承担的无功电流不按比例分配，会造成某些机组电流过载，另一些机组可能转化为输入滞后无功电流的运行状态。电流过载将导致保护电器动作，发生不应有的停电事故。为此，海船规范对并联机组的无功分配提出了一定的要求。我国《钢质海船建造规范》规定:“并联运行的交流发电机组，当负载在总额定功率的２０—１００％范围内变化时，应能稳定运行，其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％”。

一、无功功率分配的基本原理

(一)无功功率分配原理
并联运行的同步发电机组无功电流的分配与各发电机的电势及同步电抗的数值有关也与有功功率的分配有关。这里我们假设两机的容量相等，型号一样，总的输出电流、电压、功率因数、有功功率和无功功率在调整前后均不发生变化。两机的有功功率已均匀分配，机组的同步电抗相同，其等值电路如图3.3.1(a)所示。若，其它参数相等。由图(b)可知，由于有功功率相等，即。当Ｅ不相等时，将导致两机组间无功电流也大。由上分析可见，要使同步发电机组间无功功率均匀分配，可以调整同步发电机的电势即调整同步发电机的励磁电流。在调整时应注意，在增加电势小的机组的励磁电流的同时，要减小电势大的机组的励磁电流。如果我们只改变一台发电机的励磁电流，另一台的励磁电流不变，这样将使发电机总的无功功率与负载的无功功率失去平衡，结果引起电网电压的波动。
ｊXd1
ｊXd2
G1
G2
Z
＋
E１
－
＋
E２
－
I1
　E
－
I2
　E
－
I
　E
－
I1
　E
－
I2
　E
－
E1
　E
－
E2
　E
－
U
　E
－
I1r
　E
－
I2r
　E
－
φ1
φ2
δ
δ
1
2

（ａ）
（ｂ）
图3.1.1 并联机组无功功率分配原理图

(二)无功功率的分配
由于发电机间的无功功率的分配可以通过调节励磁电流来实现。因此，通过发电机的自动电压调整器来调整励磁电流，进行相位补偿，可以实现对无功功率的合理分配。这样一来，自动电压调整器不仅担负着自动调整电压的任务，而且还担负着自动合理分配无功功率的任务。
无功功率的分配情况通常可用同步发电机的电压调整特性来说明，如图3.3.2所示，它有两种形式:有差调节特性(曲线1、2)及无差调节特性(曲线3)，当发电机无功电流Ｉ增加时，发电机端电压Ｕ随无功电流的增加而降低，发电机的电压调节特性曲线１是一条向下倾斜的直线。
通常用调差系数ＫＣ定量地表示电压调节特性曲线的斜率，并且习惯上规定向下倾斜的特性曲线的调差系数为正，调差系数的计算以发电机额定电压Ｕｅ为准，即:
　　　　　　　　　　　　　　　　　（3.3.1）
式中:——负载电流变化值与额定值之比，即电流变化的相对值；
　　 ——被调由压的差值与额定电压之比，即电压变化的相对值。
U
Ue
0
IＱ
１
２
３
图3.3.2 发电机的电压调节特性
图3.3.2中曲线1，向下倾斜，ＫＣ为正；曲线2向上倾斜，ＫＣ为负；，曲线3的调差系数ＫＣ为零(即无差特性)。
几台具有无差特性的机组是不能并联运行
的，因为它们之间的无功功率分配不稳定。一
台具有无差特性的机组与几台具有有差特性的
机组，虽然可以并联运行并有确定的无功分配，
但是电网的无功变量仅由这台具有无差特性的
机组承担，这是不符合"海规"规定的。在实际
中采用的是几台具有有差特性的机组并联，能
实现无功功率在各机组间稳定合理的分配。
图3.3.3表示两台发电机间无功负载的分配曲线。设两台发电机的容量相同。
U
U
Ue
Ue
0
0
IQ1
IQ1
IQ2
IQ2
1
2
2
3
1
IQ
IQ
a
b
c
α1
α2
α1
（ａ）
（ｂ）
图3.3.3 有差调节特性的无功负载分配
c
图中(a)表示两台发电机的电压调整器调差系数K1＝K2，因此，曲线1(设为1号发电机)与曲线2(设为2号发电机)相互平行。为什么不重合呢?这是由于待并机并网以后，两机的电动势不相 等造成的。所以它们各自承担的无功负载IQ1≠IQ2。为了使两机的无功负载平均分配，可以用人工操作的方法，首先增加2号发电机的励磁电流，使曲线2平移上升至曲线3位置时为止，则可增加无功负载的承担量；同时，应减小1号发电机的励磁电流，使曲线1也平移至曲线3位置时止，让两曲线自行重合，结果它们与Ｕe均交于C点，达到平均分配无功负载的目的。这样一来，无论用电设备的无功负载如何变化，两发电机的无功负载始终均分。
如果只调节曲线2至曲线3位置，而曲线1不调节，则两机的无功负载之和超过用电设备的无功负载，必将引起电网电压的上升，电网电压上升后，将使输出的无功负载略有增加，直至达到平衡为止。
图中(b)表示两台发电机的调差系数K1≠K2时情况，由于电压调整器的特性也不可能绝对一样。因此实际上各机的调差系数不可能相等。即使两机并联后，电动势相等，即空载电压相等，由于α1≠α2，故它们承担的无功负载不可能相等。如果要求它们平均分配无功负载，则也应采用人工操作方法进行调整。由图可知，需增加2号发电机的励磁电流，平移曲线2使其与Ｕe的交点也为C点，这样，它们即可达到平均分配无功负载的目的。但是，当外界无功负载发生变化后，两机的无功负载又会失去平衡，造成不能均分的局面。因此，这样发电机的电压调整特性曲线只能进行无功负载的自动分配，而自动均分必须经常通过人工操作来完成。因此在实际使用中，尚存在一定困难。
船用发电机的调压器为有差调节，由于各调压器存在一定差异，因此它们的调差系数不相等，难于实现无功负载自动均分。下面介绍几种无功分配装置。

二、均压连接装置

按扰动控制原理的自励恒压同步发电机的调差系数比较大，稳定运行是不成问题的，但为保证并联运行机组间无功功率分配均匀，发电机应有大致相同的励磁特性，以保证其调差系数相等，其主要措施有以下几个方面:
1．在设计相复励装置时，应采用相同的线路和相同的部件结构，包括移相电抗器和相复励变压器。并尽量使各部件的参数一致。
2．适当调整复励强度，使单机运行时具有下垂的调压特性。上翅的调压特性(过复励)将导致并联运行不稳定。
3．在并联运行时，随着主电路，将励磁装置的理论等位点作适当的均压连接，以减小或消除由于设计、制造和调整时未能克服的特性差异。
下面只讨论均压连接装置。均压连接分直流侧均压连接和交流侧均压连接两种。
(一)直流侧均压连接
直流侧均压连接法如图3.3.4所示。
当两台发电机并联运行时，随着主开关的闭合，其辅助触点也闭合，将并联继电器接通，并联继电器触点将相复励装置的输出端(即两台发电机转子绕组）也投入并联，从而保证两机励磁电压相等。由于同步发电机的制造工艺比较严格和完善，标么值特性的一致性容易保证，所以当励磁电压相等时，可以认为励磁电流和定子电势基本相等。
等容量机组的直流侧均压线简单易行，均压效果较好，所以在实际中应用较多。对于不等容量机组，可以采用加接分压电阻的连接方法。适当调节电阻的分压比，即可保证两机无功电流按机组容量成比例分配。
　　(二)交流侧均压连接
交流侧均压线一般接在电抗器和电压绕组的连接点之间，如图3.3.5所示。在主开关闭合，电机定子并联的同时，并联继电器吸合，将交流均压线也接通。
对于不同容量的发电机组，可采用加接均压变压器的方法进行均压。
从并联运行稳定性来讲，均压线电阻值越小，效果越好。但从转移无功负载的角度来看，均压电阻应较大为好，因此在转移负载时，可将均压线中接入一电阻R。，在正常运行时再将其切除。

相复励变压器
相复励变压器
由主开关辅助触电控制
G1
G2
R1
R1
R2
R2

1
1
2
2
图3.3.5 交流侧均压
R0
相复励变压器
相复励变压器
由主开关辅助触电控制
G1
G2
R1
R1
R2
R2
R0
1
1
2
2
图3.3.4 直流侧均压

三、调差装置

为了并联，要求发电机的外特性是有差的，负载电流升高时，端电压有所下降。按电压偏差信号进行调节的励磁装置，只要电压偏离给定值，就自动地调节发电机的励磁电流，使端电压保持不便，这种励磁装置实际上使发电机的外特性接近于无差特性。
调差系数调整装置的基本原理是在发电机自动电压调节器(AVR)的电压测量回路中，附加一个与发电机电流成比例的电压，使其测量比较环节的输入电压随发电机无功电流而变化。当无功电流增加时，输入测量比较环节的电压也增加，通过AVR去减少发电机的励磁，这样就增大了发电机的调差系数。这个附加的电压是由发电机电流互感器回路所取得的电流在串联于电压检测回路的调差电阻上产生压降。改变调差电阻的大小，可整定调差系数。
按电压偏差与复合控制的自励恒压装置，因其静态电压调整率在±１％以下，近似于无差特性，不利于稳定运行，加之为了使无功分配均匀，尽量使并联机组调差系数相等，所以很多都装设了调差系数调整装置，在并联运行时，适当地增大调差系数，使无功负载的总的增量按机组容量稳定地分配给各台发电机组。

A
A
B
B
C
C
IBC
Ia
R1
R
UP
R
Rt2
W6
IP
自动励磁调整器的测量环节
磁放大器
图3.3.6 加在电压测量回路中的调差电路
图3.37 加在可控相复励AUR中的调差电路

图3.3.6中的调差电路是在电压自动调整器的电压测量回路中加入一个电流信号环节，使无功负载增加时，电压测量环节输出电压ＵＰ也相应增加，则电压校正器便送出减弱励磁的信号，使发电机端电压有所下降，从而得到有差特性。调节电阻Ｒ１值的大小，可使发电机的调差度在０～６％范围内变化，以保证并联运行发电机间无功功率的均匀分配。
图3.3.7是可控相复励电压自动调整器中加入调差电路的实例。它是将一相电流经电流互感器和整流器送至磁放大器的控制绕组Ｗ６，其极性应满足当负载电流增加时，磁放大器的电流也增加，相复励变压器输出的励磁电流相应减少，使发电机端电压下降，调节Ｒｔ２值的大小，可以调节调差度的大小。

四、无功功率自动分配装置

按电压偏差进行调节的励磁系统，当控制回路具有足够的放大系数时，则可以达到很高的调节精度，可以近似认为是无差特性，从发电机单机运行角度来看，这种调压精度是十分理想的；但是，从并联运行的角度来看确是不理想的。如前所述，为了获得稳定的并联运行，必须采用调差电路，以使发电机外特性为有差的。因此，在并联运行时，降低了这种系统的电压稳定度。可见，提高电压的稳定度和并联运行的稳定性是矛盾的。通常的做法是采用调差电路，将调差度控制在合适的范围内，使电压的稳定度和并联运行的稳定性得到兼顾，经验表明，调差度取3.5％左右比较合适。像图3.3.6和图3.3.7那样采用发电机负载电流作为控制信号对励磁电流进行调整的调差电路，不管并联运行发电机间无功功率是否均匀，只要负载电流存在，发电机端电压就会下降，显然是不理想的。目前采用的如图3.3.8所示的无功功率自动分配线路可以解决上述不足。该线路是按电压偏差和无功功率偏差两个信号同