船舶发电机组间无功功率的分配

船舶发电机组间无功功率的分配

摘要：船舶发电机之间无功功率的合理分配是船舶发电机稳定并联运行工作的必要条件之一。因此，为维持发电机组稳定运行需要进行合理的无功功率分配。

关键词：并联运行；无功功率；励磁电流；调压器；调压特性

众所周知，当两台并联运行发电机的电势不相等而频率、相位相等时，则在两机组之间将产生一个无功性质的环流，其结果将使电势较高的发电机输出无功功率增大，而电势较低的发电机输出的无功功率减少（发电机负载电流功率因数低的，无功功率大；功率因数高的，无功功率小）。当环流相差太大时，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励磁来改变环流，使无功电流的分配不均度保持在允许的范围内。由此可见，当同步发电机并联运行时，需要对无功负荷进行合理的转移和分配。

1.无功功率调节

根据船舶同步发电机的电枢反应原理可知，同步发电机电压的变化主要是由于无功负荷的变化而引起的。因此，在发电机单机运行时，调整发电机的励磁以调整电压，也就是调整无功功率。当船舶发电机并联运行时，系统发出的总的无功功率ΣQ F和总的无功负荷ΣQ Z平衡时，即ΣQ F=ΣQ Z，则系统电压保持恒定。当ΣQ F<ΣQ Z时，电压下降；当ΣQ F>ΣQ Z时，电压上升。因此当同步发电机并联运行时，通过改变发电机的励磁电流来调节其电势，即能调整无功输出，实现无功功率转移。也就是说，电势不等，无功分配不均；电势相等，无功分配就均匀。因此，要使无功功率均匀分配，必须调整电势。调整电势的方法就是调节励磁电流。清注意，此时调励磁电流不希望改变电网电压，因此在减少一台发电机励磁电流的同时，必须相应地增加另一台发电机的励磁电流。换言之，这种调整需要从两个方向上同时进行，单纯把电势大的发电机励磁电流调小，或单纯把电势小的发电机励磁电流调大都是不行的。所以分配两台并联运行发电机间的无功功率时，要同时向相反方向调节两台发电机的励磁电流。

假设两台同型号、同容量发电机组已并车运行，有功功率已均匀分配，其等值电路如图1-1所示。若E1>E2，其它参数相等。由图1-2可知由于有功功率相等I1cosφ1＝I2cosφ2，即E1sinδ1＝E2sinδ2。当E不相等时，将导致两机组间无功电流增大。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。如果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。所以，我们需要同时调节两台发电机的励磁电流，使之无功功率得以平衡分配。

2. 无功功率调节分配原理

根据我国《钢质海船入级规范（2009）》规定：并联运行的交流发电机组均应能稳定运行，当负载在总额定功率的20%～100%范围内变化时，其负载分配应符合下列要求：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，应不超过下列数值中的较小者：（1）最大发电机额定无功功率的±10%；

（2）最小机组额定无功功率的±25%。

我们知道，并联运行发电机间无功功率分配的关系主要是由电压调整特性曲线所决定的。也就是说，同步发电机间无功功率的自动分配，实际是通过自动电压调整器自动调整励滋电流，以调整发电机电压的办法来实现的。因此自动电压图1-1 两台同型号发电机组并车运行 图1-2 功率分配向量图

图2-1 同步发电机的电压调整曲线

调整器不仅担负着自动调整电压的任务，同时还担负着自动调整分配无功功率的任务。图2-1为同步发电机的电压调整曲线图。图中，曲线1为无差特性曲线，曲线2为有差特性曲线。

2.1无差特性

无差特性是呈水平直线的调压特性，即当无功电流I Q变化时，端电压变化ΔU=0的特性。当I Q变化时，去磁的电枢反应变化，必定引起端电压的变化(单机运行时)，但ΔU=0说明自动励磁调整装置A VR在起作用，调节属可控类型。2.2有差特性

有差特性是指当I Q增大时ΔU也增大的调压特性。由于自动励磁调节装置的调节作用，ΔU的变化虽存在，但比发电机的外特性上ΔU的变化要小得多，可以认为有差特性是一根略向下倾斜的直线。

2.3调差系数Kc

K c是指调压特性下倾角的正切值，定义值不小于0。

当把特性看作一根直线且U和I Q采用标么值(per-unit system)时，Kc表示发电机系统的静态电压调整率，则

从公式可看出，无差特性的K C=0，有差特性的K C>0。实际上船上都是采用调压曲线下倾的一条曲线，即Kc>0，称下倾有差特性，通常K c可整定在5%以内。

2.3.1两台具有无差特性调压器的机组不能并联运行

假定有两台具有无差特性调压器的发电机并联运行，如图2-2所示。U1表示第一台发电机调压器的电压整定值，U2表示第二台发电机的电压整定值，设U2＞U1。现在假定母线上的电压低于U1和U2，这时两台机的调压器要增加自己发电机的励磁电流，母线电压便开始上升。当电压升到U1时，第一台发电机的调压器就不再增加励磁了，但第二台机的调压器还继续增加励磁电流，因为母线电压决定于这两台机的励磁，它将由于第二台机调压器的作用而继续上升。当母线电压数值在U1与U2之间时，第一台机的调压器就开始减少励磁电流，而第二台机的调压器仍继续增加励磁电流。最后，第一台调压器使第一台机的励磁电流达到最低值，而第二台机则把母线电压提高到U2，这时，第二台机将负担全部无功负荷，而第一台机不但卸去了它原来的无功负荷，而且可能吸取无功功率。显然，这种方式是完全不能采用的。

U

U 2

U 1

0 I Q

图2-2 两台具有无差特性调压器的发电机并联运行 现在假定整定一下调压器的整定元件，使图2-2中的两条电压调节特性曲线

重合，这时母线电压等于两个调压器的共同整定值，但无功功率将在这两台发电机之间任意分配。无功功率在机组间的分配不确定是不允许的，因为在这种情况下不可能稳定并联运行。

2.3.2 一台具有无差特性的机组与一台具有有差特性的机组并联运行

假设第一台发电机具有无差特性，其调节特性如图2-3曲线I ，第二台发电机具有有差特性，其调节特性如图2-3曲线II 。

由图2-3可见，不管I Q 怎么变化，U 1是不变的，所以这时母线电压为U 1并保U

U 1 I

II

I Q

I Q (II) 图2-3一台具有无差特性的机组与一台具有有差特性的机组并联运行

持不变。曲线I 和曲线II 的交点为工作点，所以第二台发电机无功负荷电流为I Q(II)是确定的，余下的就无功负荷就由I 担负，所以II 就起到了分配无功负荷的作用，使得无功负荷有一定的分配关系。要改变无功负荷分配只需改变曲线II ，使之上下移动即可调节无功负荷的分配。因为两发电机间的无功分配关系是恒定的，所以两机可以并联运行。但是船舶电站一般不采用有差和无差调压特性的发电机并联运行。

2.3.3具有有差调节特性的发电机并联运行

假设有两台具有有差特性的发电机并联运行，其有差调节特性分别为图2-4中曲线I 和曲线II 。这时，两台发电机分端电压是相同的，例如U′，每台电机负担的无功功率是很确定的，例如分别为I′Q(I)和1′Q(II)。现在假设需要的无功电流增加了，于是母线电压下降，接着调压器动作，增加发电机的励磁电流，最后母线电压达到新的稳态值U″，每台机担负的无功电流增加到新的定值 I″Q(I)和I″Q(II) 。

如果在运行中需要改变一台发电机的无功负荷，运行人员只须调整调压器的整定元件，使调节特性曲线上移或下移即可。如果要求不改变无功负荷的分配比例，只改变母线电压；那就需要以同一幅度上移或下移所有并联运行的发电机的调节特性曲线。由上述可见，两台具有有差特性的发电机可以并联运行，且并联运行时，机组间的无功功率分配是与其电压调整特性曲线有直接关系的。

在实际船舶应用中，一般都是用相同容量的两台发电机并联运行，为了充分发挥每台发电机的容量，要求无功负荷平均分配。由以上分析可知，只有当两台发电机的电压调整曲线特性都是有差特性，且其调差系数Kc 大小相等时，才能使两台发电机的无功功率的I Q 分配关系是恒定的，并且均分。 3．无功负荷自动分配装置 ΔU

II

I U ’

U "

0 I Q

I ’Q( I ) I ”Q(I) I ’’Q(II) I ’’Q(II)

ΔI Q(II) ΔI Q(I) U

图2-4 两台具有有差调压特性曲线的同步发电机并联运行

在船舶电站中，两台相同容量的发电机并联运行时应按照要求平均分配无功负荷，且便于操作管理。通常为了使两台发电机间无功负荷分配自动的保持一定的关系，比如始终平均分配，则必须使两台发电机的调压特性曲线为有差调压特性曲线，且斜率一致。一般我们采用无功负荷自动分配装置来达到我的要求。按照调压器类型的不同，采取不同的措施来稳定无功分配。

3.1均压线

对于调压特性是有差特性的发电机系统来说，发电机并联运行时可以做到无功的合理分配及稳定分配。但实际的系统，由于励磁系统的非线性、调节的不可控性，其调压特性不能做到线性下降，而且由于不同机组存在差异性等原因，使无功的分配问题受到影响。一种常用的解决办法是联均压线。

3.1.1直流均压线

图3-1是直流均压连接线路图。直流均压连接法又称转子均压连接法。它只适用于同容量同型号发电机的并联运行。它是将并联运行发电机的励磁绕组用两根均压线并联起来。均压线的接通和断开与发电机主开关相互连锁。图中KA1和

图3-1 直流均压线原理图

KA2为均压线连接接触器，分别由主开关常开副触头控制。有了直流均压线后，就能使励磁电流随无功负载的变化而相应变化，以保证无功负载分配均匀。例如：当一台发电机励磁电流大于另一台的励磁电流时，均压线上产生均衡电流，均衡电流是从励磁电流较大的发电机流向励磁电流较小的发电机，使前者励

磁电流减少，后者励磁电流增加，直至两台发电机励磁电流接近相等时为止。图3-1中有的也加入电阻R0，其作用是减小并车时产生的冲击电流。

3.1.2交流均压线

对容量不同的同步发电机并联运行，可采用交流均压线，如图3-2所示。

图3-2 交流均压线原理图

图中，两台发电机调压装置的移相电抗器通过均压线并联，该连接处在三相整流器之前的交流侧。当两台发电机电势不相等时，通过交流均压线的联接可使发电机输出电压均衡，以保持无功功率均匀分配。

3.2电流稳定装置

在按电压偏差进行调压的励磁系统中，调差系数K C一般是很小的，甚至几乎接近是无差的。这样，在发电机并联运行时，就会使无功功率的分配不稳定。为了使调压特性曲线为具有足够倾斜度的有差调整特性且K C相同，稳定平均地分配无功功率，所以在调压器上加装了可以改变调差系数的装置，因其作用就是利用电流信号，通过调压器作用，以使无功电流的分配稳定，故称电流稳定装置。其原理图3-3如下所示。

图3-3 电流稳定装置原理图

如上所述，用附加电流稳定装置的办法来使无功负荷稳定地分配，其缺点是使并联运行时的调压精度变低。因此，船上大都采用无功负荷自动调整装置，以保证调节的精度。

4．结束语

由于发电机功率的额定值是根据视在功率确定的，无功功率不平衡，必然会引起发电机视在功率的不平衡，同样会限制发电机组容量的发挥。所以，实际应用中船舶电网并联运行发电机组间的无功功率分配很重要。我们必须要知道怎样分配无功负荷才是合理的或是最佳的；当分配不符合要求时，怎样转移各台发电机承担的无功负载之趋于合理；最后达到合理分配状态，并保持稳定以保持船舶电站的稳定，保证船舶的正常航行。

参考文献

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