發電機功率/頻率調節系統及其特性
發布時間：2025-01-10 點擊：215
發電機功率/頻率調節系統及其特性
發電機在運行中為保證機端電壓水平，都裝設了自動勵磁調節裝置。為保證系統頻率在合格范圍內，系統有功功率必須隨時處于平衡狀態，注意到系統負荷變化是隨機的，所以必須隨時調整發電機的有功功率出力，即增加或減少進入發電機組的動力元素。因此，運行發電機上必須裝設根據頻率（轉速）變化自動調整動力元素進入量的自動裝置。在柴油發電機組上，這種進汽量的自動調整是由調速系統實現的，簡稱調速器。發電機調速器通常分為機械液壓調速器和電氣液壓調速器（簡稱電液調速器）兩類，如按其控制規律來劃分，又可分為比例一積分（pi）調速器和比例一積分-微分（pid）調速器等。
早期用的調速器是機械型的，用一只離心飛擺直接控制進汽閥，這種型式的調速器至今還用于柴油發電機上。機械液壓型調速器是后來發展起來的，至20世紀30年代已相當完善。但機械液壓型調速器死區較大，動態性能指標較差，難于綜合其他信號參與調節。于是發展了電液型調速器，現代幾乎全部采用電液型調速器。按控制部分電子器件的不同，電液型調速器又分為模擬式電液調速器與數字式電液調速器。在大型柴油發電機組上，廣泛采用.數字式功率一頻率電液調速控制系統，簡稱deh或數字電調。
一、功率一頻率電液調速系統
發電機組在調整出力維持系統頻率在合格范圍內的同時，應使電網處在最經濟的運行狀態，即按經濟原則在電廠和機組間分配有功負荷。
1．功頻電液調速系統的組成
圖1示出了簡化的功率一頻率電液調速系統原理圖，主要由轉速測量、功率測量及其給定環節、頻差放大器、pid環節、功率放大、電液轉換器、高壓和中壓油動機等部件構成。轉速測量元件的輸出電壓與柴油發電機組的轉速ng（單位為r／s）成正比，在穩定狀態下，電網頻率f與轉速ng成正比，f＝pn（p為極對數，p＝1），un與f成正比。于是有
un=mnng(7-13)
式中 mn——轉速轉換系數，vs／r。
為穩定柴油發電機組的轉速，轉速測量在功頻電調系統中處負反饋工作狀態。
圖1 發電機電液調速系統原理圖
功率測量元件的輸出電壓up與發電機的輸出功率pc（單位為mw）成正比，即
up=mppg(7-14)
式中 mp——功率轉換系數，v／mw。
同樣，為穩定發電機的輸出功率，功率測量在功頻電調系統中處負反饋工作狀態。轉速誤差信號δn、功率誤差信號δp經pid（比例、積分、微分）運算后，再經功率放大，送入電液轉換器。電液轉換器將電控制信號轉換為液壓控制信號，通過油動機調整高壓、中壓進汽閥（主汽閥和調節汽閥），調整進汽量，實現發電機的功率頻率調節。
系統負荷增加時，柴油發電機組轉速下降，因此時發電機實發功率尚未變化，即功率測量元件輸出變化量為零，所以正比于轉速差δn＝n－nn（nn為額定轉速）的信號uδn輸入pid調節器，uδn代表當時要求柴油機功率增大的數值。uδn經pid、功率放大、電液轉換器后，經油動機開大進汽量閥門，使柴油機實發功率增大，最終使發電機增加的功率與系統負荷增加的功率相平衡。柴油機進汽量增加后，功率測量元件檢測到這一功率的變化值，同樣通過負反饋調節，直到功頻電調系統處在新的平衡狀態。可見，當功頻電調系統處于新的平衡狀態時，功率測量元件輸出電壓up的變化完全抵消了轉速測量元件輸出電壓un的變化。
當系統負荷減少時，柴油發電機組轉速升高，功頻電調系統的調節過程與上述相反。功頻電調系統除轉速控制、功率控制功能外，另外還有超速保護控制、超速跳閘、主蒸汽壓力控制、發電機同期并網、柴油機自啟功、汽閥管理等輔助功能，通過deh系統的crt還能顯示運行狀態有關參數。在大型發電廠中，普遍采用了分散控制系統（dcs系統）對整個電廠進行監控，dcs系統通過deh系統提供的接口，可對柴油發電機組進行完全的控制，當然dcs系統同時實現對機組運行參數的監視。
2．功頻電調系統的靜態特性
功頻電調系統的靜態特性是在穩定狀態下柴油發電機組轉速nc（或f）與發電機有功功率p的關系曲線。
設電網處在頻率f下運行，此時柴油發電機組的轉速為ng，功率為pg，功率測量元件的輸出電壓為up、轉速測量元件的輸出電壓為un，由式（7-13）、式（7-14）有
δun=mn(nret－ng)=mnδn(v)(7-15)
δup=mp(pret－pg)=mpδp(v)(7-16)
式中 nret、pret——分別為給定轉速和給定功率。
設頻差放大器輸出電壓正比于δf／r，即
式中mf——轉換系數，v／mw；
r——調差系數，hz／mw。
由圖7-8可知，將δup、δuf兩信號之和給pid調節，當系統負荷增加或減少時，引起柴油發電機組轉速發生變化，功頻電調系統作用的結果使發電機輸出功率發生變化，最終達到新的穩定狀態。因為pid調節器具有積分特點，故在給定值不變情況下，穩定狀態有
δuf+δup=0 (7-18)
式（7-18）說明，功頻電調系統調節結束后，在新的穩定狀態下，功率測量元件的輸出電壓變化量δup與轉速測量元件經頻差放大器的輸出電壓變化量δuf正好完全抵消。
將式（7-16）、式（7-17）代入式（7-18）得
mp和mf取相同值，得到調節特性方程為
可見式（7-20）即為式（7-8）。
當采用標幺值表示時，將δp*＝δp／pn、δf*＝δf／fn，r*＝r×pn／fn，代入式（7-20）得
式中 r* ——發電機調差系數。
可見式（7-21）即為式（7-9）。
式（7-20）、式（7-21）即是功頻電調系統的靜態特性。當機組有功功率增加即δp＞0時，由式（7-20）得δf＜0，即發電機頻率（轉速）下降。靜態特性參見圖7-4，是一條下傾的斜線，斜率為調差系數r，一般為4％～6％，可在頻差放大器中設置。
3．功頻電調系統的運行
按發電機組是否并入網兩種情況來討論調速系統的工作。
（1）發電機組未并網時。圖7-8中的功率測量值及功率給定值信號均為零。運行人員操作增速或減速按鈕，控制電動轉速給定電位器，改變轉速給定值n的電壓。轉速／電壓變送器輸出電壓與機組運行轉速ng相對應。可見電壓的差值與（nref－ng）成正比，即式（7-15）。根據偏差δun，由電液轉換器去控制調節汽閥的開度，改變機組的轉速，使δn值趨于零、轉速ng趨于給定轉速nref為止，即達到調速目的。
（2）機組在并網情況下運行時。假設電網頻率恒定且為額定值，頻差放大器輸出的f信號為零，同樣理由，如果改變功率設定值pref電壓，功率測量值pg與pref之差值信號見式（7-16）。通過pid等環節作用，將使對應差值電壓δup為零，即發電機功率pg與給定值pref相等，達到調節發電機組輸出功率（二次調整）目的。
若考慮電網頻率波動，機組在并網運行時，轉速給定值nref和功率給定值pref為某一定值不變。調速器工作隨輸入pid的兩個信號之和δuf＋δup調節汽閥開度，改變機組的輸出功率，即由式（7-20）或式（7-21）實現一次調頻。
功頻電調機組一次調頻的結果，當有功功率變化量δp較大時，系統頻率仍然偏離額定值較多。為使系統頻率在合格范圍內，應自動平移f＝f（p）靜態特性曲線。這種自動平移功頻電調機組靜態特性曲線使系統頻率在合格范圍內的做法，稱為功頻電調機組的二次調頻。
二、數字式電液調速器
目前數字式電液調速器已在發電機組上廣泛應用，其基本框圖如圖2所示。它與模擬式電液調速器的主要區別是控制電路部分的功能用微機來實現。由圖7-9可見，主機與控制對象發電機組（包括原動機）間輸出、輸入過程通道和模擬式電液調速器是相同的，如電／液轉換、液壓伺服系統以及轉速和功率傳感器等。它們由d／a或a／d轉換電路與主機接口交換信息。
發電機數字式電液調速器基本框圖
調速器的調節控制規律由計算機實現，首先要建立數學模型以及制訂運行中的控制原則，然后用軟件編程實現其控制規律。也就是主機根據采集到的實時信息，按預先確定的控制規律進行調節量計算，計算結果經d／a輸出去控制電／液轉換，再由液壓伺服系統控制原動機的輸入功率，完成調速或調節功率的任務。
數字式電液調速器用了cpu主機后，可以充分發揮計算機高速運算和邏輯判斷優勢，除了完成調速和負載控制功能外，還可實現機組自啟動控制功能；在接近額定轉速時，可使發電機轉速跟蹤電網頻率快速同期并列等功能；如果是柴油機，在啟動過程還附有熱應力管理功能等，從而極大地提高了電廠自動化程度。
柴油發電機組的功率一頻率電液調速系統，由機械液壓式調節系統經電氣液壓式調節系統、模擬式電氣液壓調節系統，發展到目前的數字式電氣液壓調節
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早期用的調速器是機械型的，用一只離心飛擺直接控制進汽閥，這種型式的調速器至今還用于柴油發電機上。機械液壓型調速器是后來發展起來的，至20世紀30年代已相當完善。但機械液壓型調速器死區較大，動態性能指標較差，難于綜合其他信號參與調節。于是發展了電液型調速器，現代幾乎全部采用電液型調速器。按控制部分電子器件的不同，電液型調速器又分為模擬式電液調速器與數字式電液調速器。在大型柴油發電機組上，廣泛采用.數字式功率一頻率電液調速控制系統，簡稱deh或數字電調。
一、功率一頻率電液調速系統
發電機組在調整出力維持系統頻率在合格范圍內的同時，應使電網處在最經濟的運行狀態，即按經濟原則在電廠和機組間分配有功負荷。
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un=mnng(7-13)
式中 mn——轉速轉換系數，vs／r。
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圖1 發電機電液調速系統原理圖
功率測量元件的輸出電壓up與發電機的輸出功率pc（單位為mw）成正比，即
up=mppg(7-14)
式中 mp——功率轉換系數，v／mw。
同樣，為穩定發電機的輸出功率，功率測量在功頻電調系統中處負反饋工作狀態。轉速誤差信號δn、功率誤差信號δp經pid（比例、積分、微分）運算后，再經功率放大，送入電液轉換器。電液轉換器將電控制信號轉換為液壓控制信號，通過油動機調整高壓、中壓進汽閥（主汽閥和調節汽閥），調整進汽量，實現發電機的功率頻率調節。
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當系統負荷減少時，柴油發電機組轉速升高，功頻電調系統的調節過程與上述相反。功頻電調系統除轉速控制、功率控制功能外，另外還有超速保護控制、超速跳閘、主蒸汽壓力控制、發電機同期并網、柴油機自啟功、汽閥管理等輔助功能，通過deh系統的crt還能顯示運行狀態有關參數。在大型發電廠中，普遍采用了分散控制系統（dcs系統）對整個電廠進行監控，dcs系統通過deh系統提供的接口，可對柴油發電機組進行完全的控制，當然dcs系統同時實現對機組運行參數的監視。
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δun=mn(nret－ng)=mnδn(v)(7-15)
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式中 nret、pret——分別為給定轉速和給定功率。
設頻差放大器輸出電壓正比于δf／r，即
式中mf——轉換系數，v／mw；
r——調差系數，hz／mw。
由圖7-8可知，將δup、δuf兩信號之和給pid調節，當系統負荷增加或減少時，引起柴油發電機組轉速發生變化，功頻電調系統作用的結果使發電機輸出功率發生變化，最終達到新的穩定狀態。因為pid調節器具有積分特點，故在給定值不變情況下，穩定狀態有
δuf+δup=0 (7-18)
式（7-18）說明，功頻電調系統調節結束后，在新的穩定狀態下，功率測量元件的輸出電壓變化量δup與轉速測量元件經頻差放大器的輸出電壓變化量δuf正好完全抵消。
將式（7-16）、式（7-17）代入式（7-18）得
mp和mf取相同值，得到調節特性方程為
可見式（7-20）即為式（7-8）。
當采用標幺值表示時，將δp*＝δp／pn、δf*＝δf／fn，r*＝r×pn／fn，代入式（7-20）得
式中 r* ——發電機調差系數。
可見式（7-21）即為式（7-9）。
式（7-20）、式（7-21）即是功頻電調系統的靜態特性。當機組有功功率增加即δp＞0時，由式（7-20）得δf＜0，即發電機頻率（轉速）下降。靜態特性參見圖7-4，是一條下傾的斜線，斜率為調差系數r，一般為4％～6％，可在頻差放大器中設置。
3．功頻電調系統的運行
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（2）機組在并網情況下運行時。假設電網頻率恒定且為額定值，頻差放大器輸出的f信號為零，同樣理由，如果改變功率設定值pref電壓，功率測量值pg與pref之差值信號見式（7-16）。通過pid等環節作用，將使對應差值電壓δup為零，即發電機功率pg與給定值pref相等，達到調節發電機組輸出功率（二次調整）目的。
若考慮電網頻率波動，機組在并網運行時，轉速給定值nref和功率給定值pref為某一定值不變。調速器工作隨輸入pid的兩個信號之和δuf＋δup調節汽閥開度，改變機組的輸出功率，即由式（7-20）或式（7-21）實現一次調頻。
功頻電調機組一次調頻的結果，當有功功率變化量δp較大時，系統頻率仍然偏離額定值較多。為使系統頻率在合格范圍內，應自動平移f＝f（p）靜態特性曲線。這種自動平移功頻電調機組靜態特性曲線使系統頻率在合格范圍內的做法，稱為功頻電調機組的二次調頻。
二、數字式電液調速器
目前數字式電液調速器已在發電機組上廣泛應用，其基本框圖如圖2所示。它與模擬式電液調速器的主要區別是控制電路部分的功能用微機來實現。由圖7-9可見，主機與控制對象發電機組（包括原動機）間輸出、輸入過程通道和模擬式電液調速器是相同的，如電／液轉換、液壓伺服系統以及轉速和功率傳感器等。它們由d／a或a／d轉換電路與主機接口交換信息。
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調速器的調節控制規律由計算機實現，首先要建立數學模型以及制訂運行中的控制原則，然后用軟件編程實現其控制規律。也就是主機根據采集到的實時信息，按預先確定的控制規律進行調節量計算，計算結果經d／a輸出去控制電／液轉換，再由液壓伺服系統控制原動機的輸入功率，完成調速或調節功率的任務。
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