船舶电气设备及系统-大连海事大学第15章电力系统频率及有功功率自动调整.ppt

船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 相反若由于某种原因使转速降 低，则飞铁的离心力变小、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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 2) 调速器的特性 倾斜度可用调差系数K来表 示 稳态特性 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 (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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 3.一台发电机具有有差特性，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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 C B A f f0 P/2 P P 1 2 (1) (2) 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 B A f f0 P2 P1 P P 1 2 (2) f0 2号机单独加速，电网频率增加 f0 f0 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 (2) A f f0 P2 P/2 P1 P 1 2 F0 f0|ui|。 实船采用两瓦特法测量三相功率。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 T2T1 T3 TTT 脉冲周期一定 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 （2）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）。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 调速器原动机1n 转速 设定 调速器原动机2n 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) 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 自动调频调载装置原理框图 二次调节(无差) 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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,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。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 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 GENo2 GENo3 GE 运行机 第1备用 先起后停 第2备用 后起先停 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 第六节 同步