第4章+船舶电力系统频率及有功功率自动调节.ppt

第4章船舶电力系统频率及有功功率自动调节,改变并联运行的发电机有功功率的分配，是通过改变各台发电机原动机的油门的大小，以改变单位时间内进入气缸的燃油量来实现的。,并联机组有功功率分配与电力系统频率调整密切相联系。,第1节频率及有功功率的自动调节,1船舶电力系统频率变化的原因,船舶同步发电机频率和原动机转速的关系是,发电机运行时的转矩平衡方程式为,船舶同步发电机功率和转矩的关系为,标么值表示的发电机功率平衡方程式可表示为,频率也是电能质量的重要指标之一,负载变化时，要保持频率恒定，应相应地调整原动机的油门，保持功率平衡。,在船舶电力系统中，频率的调整及有功功率分配均依赖于原动机调速器的调节。,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。,规范规定：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。,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。,船舶电力系统负载从电网吸收的有功功率与频率的关系一般表示为,2船舶电力系统负荷调节效应,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。,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。,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。,3调速器基本原理及特性,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：油门控制结构,1）离心式调速器基本结构,2）离心式调速器基本原理,按实际转速与给定转速（弹簧予紧力）之差，自动调节油门，维持原动机接近定速运行。,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,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、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。,倾斜度可用调差系数K来表示,稳态特性,3）调速器的调速特性,(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。,4单机运行时频率的调整,一次调节,当发电机的有功负荷变化时，将引起频率的变化，由于调速器的作用，依靠调速器的固有调速特性自动调节油门的大小，从而维持发电机的频率（转速）在一定的范围内，这种调节过程通常称为调速器的“一次调节”。,二次调节,对有差调速特性的调速器来说，功率变化时仅靠调速器的一次调节不能维持频率不变，如果希望维持发电机的频率在额定值，还必需适当地调节调速器弹簧的预紧力，改变油门的开度，这种改变弹簧予紧力的调节称调速器的二次调节。,调速器二次调节是通过手动或自动控制调速器伺服电动机的正反转，改变调速器弹簧的予紧力，使调速特性上下平移，实现频率和机组功率的分配的调节过程。,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。,单机运行时，手动调频的情况,1).两台发电机具有有差特性,斜率不一致。,在两台机组均功后，当负荷变化时，功率分配不均匀,5并联运行机组间有功功率的转移和分配,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，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。,采用带有差调速特性的机组并联，并实现功率分配和稳定电网频率是最简单的调频方法，称为“有差调节法”。,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两机组的调速控制开关,操作步骤：,有功功率的转移操作,2号机单独加速，电网频率增加,f0f0,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。,f050Hz时，输出电压uf0,当f4Ui，故在矢量图C）中可以用线段OM和ON分别近似代替Uu+Ui和Uu-Ui。,U1=KUu+UiKOM=K（Uu+Uicos）U2=KUu-UiKON=K（Uu-Uicos）,式中2KKi为常数，可见，有功功率变换器的输出电压正比于发电机输出的有功电流（Icos），即正比于发电机的有功功率。,而,3）有功功率分配器,有功功率分配器的功能是得到功差信号Up及实现有功功率按比例分配,n并联运行的机组数Pi第i台机组的发电机输出功率，(i=1，2，n),4）调整器,调整器是自动调频调载装置的执行机构，它接收频差和功差综合信号，并根据频差和功差综合信号的大小及极性，发出相应加大或减小油门的指令来控制伺服马达正反转，以达到有功功率的均匀分配和保持频率恒定的目的。,usr0调整器输出减速脉冲；usrfN,uf0，则送到各调整器的输入信号usri0，(i=1、2、n)，因此各调整器均发出“减速”脉冲信号，使各机组的调速特性向下平移，系统的频率下降，直到f=fN,usri=uf=0，调整完毕；若ffN,uf0，则进行相反调节。直到电网频率调到额定值时，调整过程才结束。,3)功率分配调整,“恒频”时系统的等效电路,假定在调整过程中频率始终保持为额定值，则频率变换器输出uf=0。,图中的2、3两点为同电位，功率变换器的输出此时可以看作一个电源，可以画出装置的等效电路。,调整器从均功率电阻R上取得信号。,设由3端至1端电压为U。假定有n台机组参与并联运行，各功率变换器上输出的电压、电流分别为Upi和Ii(i=1、2、n)，它们的正方向如图中所示。,每个均功电阻上的电压信号正好等于功差信号。,均功电阻R完成了有功功率分配器的作用。当然，电阻元件只有在此特定的虚有差调节法结构图中才能实现此功能，单独电阻元件显然无法完成此任务。,如果1号发电机的输出功率大于参与并联运行机组的平均功率，则与功率变换器P1串联的均功电阻R上将有信号电压Usr1：,这个信号加于调整器T1的输入端，将会对1号机组产生“减速”调节，使其油门减小，所承担的负荷减少。同时，必然有另一台发电机均功电阻上的信号电压Usri0，该机组调整器Ti发出加速脉冲，开大油门使其增加负载，一直到各机组的负载值都相等时才结束，,各均功电阻上的信号电压均为,4)综合调整,在实际中，随着功率的变化，电网的频率也会发生变化，反之亦然。所以，上述恒频和均功两种调节是同时进行的，即调整器同时接受“频率差”和“功率差”信号的综合信号。,各机组的调整器按上式综合信号Usri进行调整，直到Usri均为零，调整才结束。,这一调整系统不论对于频率恒定，还是对于有功功率的平均分配，在理论上都能实现无差调节，尽管各机组调速器本身是有差特性。,这种调节方法称为“虚有差”法。,5)机组解列时的调整,发电机机组的解列操作是指当船舶电力系统负荷减小，不需要更多的发电机组并联运行，可将准备停掉的发电机组的负荷转移给在网机组，待其负荷减到接近零时，方可断掉该发电机的主开关，这个操作称发电机组的解列。,解列是并联的逆过程,图为解列方框图，继电器K11、K21是1号、2号机投入电网的控制继电器。继电器K12、K22是1号、2号机解列控制继电器。设1号机已运行，其主开关合闸，主开关的辅助触点QF1闭合，K11得电，其常开接点闭合，l号机将被控，运行于额定频率。若2号机投入并联，其辅助触点QF2使K21得电，其常闭接点闭合。系统将在自动调频调载装置的作用下实现均功率及恒频率运行。,若使1号机解列，只要按下SB1，使解列继电器K12得电，K12常闭接点断开而常开触点闭合，使1号机功率变换器脱离均功点1，并经解列电阻R1和均功电阻R自成一回路，使l号机组不再参与均分功率的调整。,但因1号机仍承担着负载，P1的输出端仍有信号电压，它在解列回路中将产生电流i，并在均功电阻R上形成一个下正上负的电压，这一电压经频率变换器f（此时其输出U32为0）加入调整器T1的输入端，使T1的输入端形成下正上负的电压信号，即T1调整器的输入端信号Usr10，T1调整器将发出减速信号，即l号机卸载。,此时2号机还没有加大油门，系统的频率将下降，ffe，则频率变换器输出U322f，也不会发生振荡。,是否产生振荡还需看初始条件，即初始频率f0的值。,调频振荡现象,2)有功功率分配调节时可能产生的振荡现象,有功功率分配振荡现象,多台(设为两台)机组并联运行的情况，仍假定是按定脉冲宽度的调节方式，并设每一个调节脉冲能使机组的有功功率变化P，再设对应于调节器不灵敏区的功率变化量为P，则当：P2P时，就可能产生功率分配中的“交互振荡”，即系统总负荷不变，频率为给定值，但有一定的有功功率在两台机组间往复传递。,同样这种现象也只是可能产生而不一定产生，这也还决定于初始条件，在这里就是一号和二号机的初始功率值P10和P20。,有功功率分配振荡现象,若P10和P20的差值适当地还小一些或大一些，尽管P2P条件成立，也可能在第一对或第二对调节脉冲之后，功率分配差就落在不灵敏区内，而不会产生振荡。,以上两种振荡现象出现时，在装置面前将听到“加速”和“减速”继电器有节奏，不停地交替工作。这时，就应采取措施消除振荡。,3)消振措施,从上面对振荡现象及产生振荡的条件的讨论可知，当f2f，P2P时系统一定是稳定的，不会产生振荡。,消除振荡，可从两方面着手解决：,(1)适当减小调节脉冲宽度（减小f和P）,(2)适当加大调节器的不灵敏区（增加f和P）,脉宽受误差信号调制的调节器输出特性,若采用措施(1)，其附带的结果将使系统的调节时间拉长，而采用措施(2)，则将增大调节稳定后的静态误差，所以要据实船情况来权衡处理。,通常，调节器的不灵敏区是可调的，脉冲宽度也有多档可供选择，以便与不同的机型相适配。,脉宽受误差信号调制的调节器输出特性,避免产生振荡的最好方式是设计调节器时，使其输出的调节脉冲宽度受误差信号大小的调制，即当系统的频差，功率分配差信号大时，调节脉冲宽度随之加大(甚至形成连续调节)。在调节过程中，当误差信号变小时，调节脉冲宽度也随之减小。,设计