柴油發電機組并聯運行的原理和特點
發布時間：2024-04-10 點擊：154
柴油發電機組并聯運行的原理和特點
柴油發電機組并聯工作時，往往會出現負載電流不能維持均衡分配，或者出現電流和功率周期性振蕩的現象，以致引起轉速、電壓和頻率的不穩定，即發電機組不能穩定并聯工作。對于這類問題，電工人員往往認為是由于柴油發電機的機械原因引起的，而機務人員則又認為是由于電氣設備的原因造成的，而且雙方都可證明每臺機組的有關部分在性能上是正常的。
發電機的空載電勢?將等于其端電壓和內部壓降的矢量和，矢量?和矢量ú的相位差為θ,θ為功率角。?和i相位差為ψ＝0＋φ。發電機的輸出功率為
p＝muicosφ
式中 m——發電機的相數，一般m＝3。
由矢量圖可以看出
ucosφ=ecosψ
ixdcosψ=usinθ
將以上兩式代入發電機的功率表達式，可得
(1-1)
式（1-1）中的m和xa是常量。如果發電機的電壓也比較穩定的話，發電機的輸出功率就和電勢e和sinθ成正比。對于某一給定的e值，可以繪制一條功率p和功角θ的關系曲線，稱為功角特性。對于不同的勵磁電流，也即不同的電勢，功角特性將是一族如圖1所示的正弦曲線。當圖中的θ角為負值時，發電機的功率亦為負值，表示此時發電機工作在電動機狀態，通過母線從外部吸取電能。
發電機的功角特性.png width=400 height=250 />
圖1 同步發電機的功角特性
現在來分析上述各個電量和轉子機械運動之間的關系。大家知道，發電機的空載電勢是由轉子磁通旋轉而產生的，用d和q分別表示轉子的縱軸和橫軸，如圖2所示。轉子磁通ψf；總是沿著d軸方向，根據電磁感應定律，由這一磁通所感生的電勢?應滯后磁通90°，因此?應沿著q軸的方向。換句話說，轉子勵磁電流的數值決定了電勢?的大小，轉子的橫軸總代表著電勢的位置和方向。當定子繞組流過三相負載電流的時候，定子電流所產生的旋轉磁通（即電樞反應磁通）將使通過氣隙的轉子磁通變形和削弱，也即使磁通矢量的大小和方向有所改變，發電機電壓就是由這一新的合成磁通ψδ建立的，把發電機定子繞組的電壓矢量也畫在轉子上（見圖2）。從圖2可以看出，發電機的磁鏈（磁通）矢量圖和電壓矢量圖不論是形狀或者隨負載電流的變化規律都是相似的。因此，可以用這樣的模型來比喻發電機內部的電磁現象：原動機帶動發電機的轉子，通過一些像彈簧一樣的磁力線ψδ，拖著定子的電壓矢量一起旋轉，從而把機械功率轉化為電磁功率。隨著功率的增加，磁力線與主軸間的夾角θ也增大，表明彈性磁力線被拉伸，在功率角θ達到90°時，發電機的功率達最大值。以后，發電機的功率（即原動機的負載）將隨著θ的增大而減小。可以看出：在0＞90°時，如果不考慮慣性的影響，原動機功率和其負載是不能平衡的，發電機也不可能在此狀況下穩定工作；當θ超過180°時，磁力線的拉力將和轉子運動方向一致，原動機反而被發電機用外部電能加速，發電機落入電動機狀態，和電網失去同步。
發電機的電壓和磁鏈矢量圖.png width=600 height=375 />
圖2 同步發電機的電壓和磁鏈矢量圖圖3 并聯運行發電機的電壓及電勢矢量圖
由此得到一個啟示，即可以把整個發電機看成是一個彈性聯軸節，彈性聯軸節的特性可由式（1-1）和圖1表示，而所有并聯發電機組都可以看作是由這樣一些聯軸節在機械上互相聯系在一起的等效柴油發電機，共同拖動一個公共的負載，這樣就可以用一定的機電當量把電氣部分也轉換到統一的機械系統中去。這樣做不但在發電機電磁參數（如電壓、電流）變化不劇烈時是允許的，而且在側重分析機械問題時也會帶來很大的方便。
發電機矢量圖和式（1-1）的功角特性固然適用于單獨運行的發電機，但主要還是用于分析發電機的并聯工作。因為在發電機單獨工作時，從矢量圖可以看出，其功角不可能超過90°，也不可能為負值，但是當發電機并聯運行時，情況就可能復雜得多。例如，圖3表示了兩臺發電機并聯運行的情況。如前所述，它們具有共同的電壓，兩臺機組的總功率應和負載功率相平衡，而每臺機組的功率大小則和該機組的功率角有關，圖中θ1＞θ2即第一臺機組的功率p1大于第二臺機組的功率p2。按照矢量圖和式（1-1），功角差θ12反映了兩臺機組的功率差別，對于一般發電機參數來說，θ12＝20°～30°電角度，就足以使兩臺發電機的功率差別等于發電機的額定功率。由于總的負載功率是不變的，因此，一臺機組的功角（功率）增加，另一臺機組的功角必然減小，甚至成為負值。這就說明，在分析發電機功率變化的時候，必須要和其他并聯機組的功角變化聯系起來。
發電機的電磁功率就是柴油發電機的負載功率，柴油發電機負載的改變必然要影響柴油發電機的轉速，導致調速器動作以改變其供油量，這說明在分析發電機功率變化的時候還必須和柴油發電機及其調速系統的動作過程聯系起來。此外，發電機功率或負載電流的變化必然要導致調壓器動作，以改變發電機的勵磁電流，因此式（1-1）中的電勢、功角、甚至電壓和頻率往往都不是固定值，把上述一切因素綜合在一起進行分析，顯然是很復雜的。
為了便于分析和定性地說明問題，人們常利用機組和無窮大電網并聯的概念，即假定所研究的發電機組和一臺功率為無窮大的發電機并聯，整個電網的電壓和頻率被無窮大機組保持在固定值，而不受小功率機組功率變化的影響。這樣就可把著眼點放在一臺機組上，使問題大大簡化，然后再把所得到的結論推廣到容量相當的機組并聯的條件中去。在某些情況下，如當電網容量大大超過單臺發電機組容量的時候，當然也可直接用和無窮大電網并聯的概念來解釋。
前面曾經提到，并聯運行的同步發電機其頻率是嚴格一致的，在分析發電機功角特性時也指出，發電機的功角一般不會超過90°，就是在轉子擺動過程中，功角的瞬時值也不應超過180°，否則發電機就要失去同步。或者說，在整個同步運行期間，不管運行持續了多長時間，兩臺發電機磁極軸線轉動角度之差，積累起來不可能超過180°電角度。
發電機頻率和原動機轉速的關系為
(1-2)
式中f——發電機的電壓頻率，hz；
n——原動機的機械轉速，r/min；
p——發電機的磁極對數。
由此可見，如果發電機的磁極對數相同，在整個同步運行期間，不管其負載分配是否有誤差或振蕩，兩臺柴油發電機的積累轉數之差，一般不會超過1/2p轉。所以要強調這一概念，是因為有的機修人員總想用檢測柴油發電機機械轉速的方法，來分析發電機并聯運行中出現的不正常現象。顯然，用一般的檢測手段，這樣做是行不通的。后面也會談到并聯運行中機組的轉速波動問題，但指的是功率角相對某一中間值或穩定值的小范圍擺動，和柴油發電機轉速變化的一般概念不盡相同。
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p＝muicosφ
式中 m——發電機的相數，一般m＝3。
由矢量圖可以看出
ucosφ=ecosψ
ixdcosψ=usinθ
將以上兩式代入發電機的功率表達式，可得
(1-1)
式（1-1）中的m和xa是常量。如果發電機的電壓也比較穩定的話，發電機的輸出功率就和電勢e和sinθ成正比。對于某一給定的e值，可以繪制一條功率p和功角θ的關系曲線，稱為功角特性。對于不同的勵磁電流，也即不同的電勢，功角特性將是一族如圖1所示的正弦曲線。當圖中的θ角為負值時，發電機的功率亦為負值，表示此時發電機工作在電動機狀態，通過母線從外部吸取電能。
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圖1 同步發電機的功角特性
現在來分析上述各個電量和轉子機械運動之間的關系。大家知道，發電機的空載電勢是由轉子磁通旋轉而產生的，用d和q分別表示轉子的縱軸和橫軸，如圖2所示。轉子磁通ψf；總是沿著d軸方向，根據電磁感應定律，由這一磁通所感生的電勢?應滯后磁通90°，因此?應沿著q軸的方向。換句話說，轉子勵磁電流的數值決定了電勢?的大小，轉子的橫軸總代表著電勢的位置和方向。當定子繞組流過三相負載電流的時候，定子電流所產生的旋轉磁通（即電樞反應磁通）將使通過氣隙的轉子磁通變形和削弱，也即使磁通矢量的大小和方向有所改變，發電機電壓就是由這一新的合成磁通ψδ建立的，把發電機定子繞組的電壓矢量也畫在轉子上（見圖2）。從圖2可以看出，發電機的磁鏈（磁通）矢量圖和電壓矢量圖不論是形狀或者隨負載電流的變化規律都是相似的。因此，可以用這樣的模型來比喻發電機內部的電磁現象：原動機帶動發電機的轉子，通過一些像彈簧一樣的磁力線ψδ，拖著定子的電壓矢量一起旋轉，從而把機械功率轉化為電磁功率。隨著功率的增加，磁力線與主軸間的夾角θ也增大，表明彈性磁力線被拉伸，在功率角θ達到90°時，發電機的功率達最大值。以后，發電機的功率（即原動機的負載）將隨著θ的增大而減小。可以看出：在0＞90°時，如果不考慮慣性的影響，原動機功率和其負載是不能平衡的，發電機也不可能在此狀況下穩定工作；當θ超過180°時，磁力線的拉力將和轉子運動方向一致，原動機反而被發電機用外部電能加速，發電機落入電動機狀態，和電網失去同步。
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圖2 同步發電機的電壓和磁鏈矢量圖圖3 并聯運行發電機的電壓及電勢矢量圖
由此得到一個啟示，即可以把整個發電機看成是一個彈性聯軸節，彈性聯軸節的特性可由式（1-1）和圖1表示，而所有并聯發電機組都可以看作是由這樣一些聯軸節在機械上互相聯系在一起的等效柴油發電機，共同拖動一個公共的負載，這樣就可以用一定的機電當量把電氣部分也轉換到統一的機械系統中去。這樣做不但在發電機電磁參數（如電壓、電流）變化不劇烈時是允許的，而且在側重分析機械問題時也會帶來很大的方便。
發電機矢量圖和式（1-1）的功角特性固然適用于單獨運行的發電機，但主要還是用于分析發電機的并聯工作。因為在發電機單獨工作時，從矢量圖可以看出，其功角不可能超過90°，也不可能為負值，但是當發電機并聯運行時，情況就可能復雜得多。例如，圖3表示了兩臺發電機并聯運行的情況。如前所述，它們具有共同的電壓，兩臺機組的總功率應和負載功率相平衡，而每臺機組的功率大小則和該機組的功率角有關，圖中θ1＞θ2即第一臺機組的功率p1大于第二臺機組的功率p2。按照矢量圖和式（1-1），功角差θ12反映了兩臺機組的功率差別，對于一般發電機參數來說，θ12＝20°～30°電角度，就足以使兩臺發電機的功率差別等于發電機的額定功率。由于總的負載功率是不變的，因此，一臺機組的功角（功率）增加，另一臺機組的功角必然減小，甚至成為負值。這就說明，在分析發電機功率變化的時候，必須要和其他并聯機組的功角變化聯系起來。
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為了便于分析和定性地說明問題，人們常利用機組和無窮大電網并聯的概念，即假定所研究的發電機組和一臺功率為無窮大的發電機并聯，整個電網的電壓和頻率被無窮大機組保持在固定值，而不受小功率機組功率變化的影響。這樣就可把著眼點放在一臺機組上，使問題大大簡化，然后再把所得到的結論推廣到容量相當的機組并聯的條件中去。在某些情況下，如當電網容量大大超過單臺發電機組容量的時候，當然也可直接用和無窮大電網并聯的概念來解釋。
前面曾經提到，并聯運行的同步發電機其頻率是嚴格一致的，在分析發電機功角特性時也指出，發電機的功角一般不會超過90°，就是在轉子擺動過程中，功角的瞬時值也不應超過180°，否則發電機就要失去同步。或者說，在整個同步運行期間，不管運行持續了多長時間，兩臺發電機磁極軸線轉動角度之差，積累起來不可能超過180°電角度。
發電機頻率和原動機轉速的關系為
(1-2)
式中f——發電機的電壓頻率，hz；
n——原動機的機械轉速，r/min；
p——發電機的磁極對數。
由此可見，如果發電機的磁極對數相同，在整個同步運行期間，不管其負載分配是否有誤差或振蕩，兩臺柴油發電機的積累轉數之差，一般不會超過1/2p轉。所以要強調這一概念，是因為有的機修人員總想用檢測柴油發電機機械轉速的方法，來分析發電機并聯運行中出現的不正常現象。顯然，用一般的檢測手段，這樣做是行不通的。后面也會談到并聯運行中機組的轉速波動問題，但指的是功率角相對某一中間值或穩定值的小范圍擺動，和柴油發電機轉速變化的一般概念不盡相同。
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