新聞主題	發(fā)電機功率/頻率調節系統及其特性

發(fā)電機在運行中為保證機端電壓水平，都裝設了自動(dòng)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(shí)處于平衡狀態(tài)，注意到系統負荷變化是隨機的，所以必須隨時(shí)調整發(fā)電機的有功功率出力，即增加或減少進(jìn)入發(fā)電機組的動(dòng)力元素。因此，運行發(fā)電機上必須裝設根據頻率（轉速）變化自動(dòng)調整動(dòng)力元素進(jìn)入量的自動(dòng)裝置。在柴油發(fā)電機組上，這種進(jìn)汽量的自動(dòng)調整是由調速系統實(shí)現的，簡(jiǎn)稱(chēng)調速器。發(fā)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(jiǎn)稱(chēng)電液調速器）兩類(lèi)，如按其控制規律來(lái)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(jìn)汽閥，這種型式的調速器至今還用于柴油發(fā)電機上。機械液壓型調速器是后來(lái)發(fā)展起來(lái)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(dòng)態(tài)性能指標較差，難于綜合其他信號參與調節。于是發(fā)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(fā)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(jiǎn)稱(chēng)DEH或數字電調。

一、功率一頻率電液調速系統

發(fā)電機組在調整出力維持系統頻率在合格范圍內的同時(shí)，應使電網(wǎng)處在最經(jīng)濟的運行狀態(tài)，即按經(jīng)濟原則在電廠(chǎng)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(jiǎn)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(huán)節、頻差放大器、PID環(huán)節、功率放大、電液轉換器、高壓和中壓油動(dòng)機等部件構成。轉速測量元件的輸出電壓與柴油發(fā)電機組的轉速n_G（單位為r／s）成正比，在穩定狀態(tài)下，電網(wǎng)頻率f與轉速n_G成正比，f＝pn（p為極對數，p＝1），U_n與f成正比。于是有

U_n=m_nn_G                                                          (7-13)

式中 m_n——轉速轉換系數，Vs／r。

為穩定柴油發(fā)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(tài)。

圖1 發(fā)電機電液調速系統原理圖

功率測量元件的輸出電壓U_p與發(fā)電機的輸出功率Pc（單位為MW）成正比，即

U_p=m_pP_G                                                       (7-14)

式中 m_p——功率轉換系數，V／MW。

同樣，為穩定發(fā)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(tài)。轉速誤差信號Δn、功率誤差信號ΔP經(jīng)PID（比例、積分、微分）運算后，再經(jīng)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(guò)油動(dòng)機調整高壓、中壓進(jìn)汽閥（主汽閥和調節汽閥），調整進(jìn)汽量，實(shí)現發(fā)電機的功率頻率調節。

系統負荷增加時(shí)，柴油發(fā)電機組轉速下降，因此時(shí)發(fā)電機實(shí)發(fā)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－n_N（n_N為額定轉速）的信號U_Δn輸入PID調節器，U_Δn代表當時(shí)要求柴油機功率增大的數值。U_Δn經(jīng)PID、功率放大、電液轉換器后，經(jīng)油動(dòng)機開(kāi)大進(jìn)汽量閥門(mén)，使柴油機實(shí)發(fā)功率增大，最終使發(fā)電機增加的功率與系統負荷增加的功率相平衡。柴油機進(jìn)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(guò)負反饋調節，直到功頻電調系統處在新的平衡狀態(tài)?？梢?jiàn)，當功頻電調系統處于新的平衡狀態(tài)時(shí)，功率測量元件輸出電壓U_p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(shí)，柴油發(fā)電機組轉速升高，功頻電調系統的調節過(guò)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(fā)電機同期并網(wǎng)、柴油機自啟功、汽閥管理等輔助功能，通過(guò)DEH系統的CRT還能顯示運行狀態(tài)有關(guān)參數。在大型發(fā)電廠(chǎng)中，普遍采用了分散控制系統（DCS系統）對整個(gè)電廠(chǎng)進(jìn)行監控，DCS系統通過(guò)DEH系統提供的接口，可對柴油發(fā)電機組進(jìn)行完全的控制，當然DCS系統同時(shí)實(shí)現對機組運行參數的監視。

2．功頻電調系統的靜態(tài)特性

功頻電調系統的靜態(tài)特性是在穩定狀態(tài)下柴油發(fā)電機組轉速nc（或f）與發(fā)電機有功功率P的關(guān)系曲線(xiàn)。

設電網(wǎng)處在頻率f下運行，此時(shí)柴油發(fā)電機組的轉速為n_G，功率為P_G，功率測量元件的輸出電壓為U_p、轉速測量元件的輸出電壓為U_n，由式（7-13）、式（7-14）有

ΔU_n=m_n(n_ret－n_G)=m_nΔn(V)                              (7-15)

 ΔU_p=m_p(P_ret－P_G)=m_pΔP(V)                             (7-16)

式中 n_ret、P_ret——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 m_f——轉換系數，V／MW；

R——調差系數，Hz／MW。

由圖7-8可知，將ΔU_p、ΔU_f兩信號之和給PID調節，當系統負荷增加或減少時(shí)，引起柴油發(fā)電機組轉速發(fā)生變化，功頻電調系統作用的結果使發(fā)電機輸出功率發(fā)生變化，最終達到新的穩定狀態(tài)。因為PID調節器具有積分特點(diǎn)，故在給定值不變情況下，穩定狀態(tài)有

ΔU_f+ΔU_p=0                                  (7-18)

式（7-18）說(shuō)明，功頻電調系統調節結束后，在新的穩定狀態(tài)下，功率測量元件的輸出電壓變化量ΔU_p與轉速測量元件經(jīng)頻差放大器的輸出電壓變化量ΔU_f正好完全抵消。

將式（7-16）、式（7-17）代入式（7-18）得

 

m_p和m_f取相同值，得到調節特性方程為

 

可見(jiàn)式（7-20）即為式（7-8）。

當采用標幺值表示時(shí)，將ΔP_*＝ΔP／P_N、Δf_*＝Δf／f_N，R_*＝R×P_N／f_N，代入式（7-20）得

 

式中 R_* ——發(fā)電機調差系數。

可見(jiàn)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(tài)特性。當機組有功功率增加即ΔP＞0時(shí)，由式（7-20）得Δf＜0，即發(fā)電機頻率（轉速）下降。靜態(tài)特性參見(jiàn)圖7-4，是一條下傾的斜線(xiàn)，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(fā)電機組是否并入網(wǎng)兩種情況來(lái)討論調速系統的工作。

（1）發(fā)電機組未并網(wǎng)時(shí)。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(dòng)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n_G相對應?？梢?jiàn)電壓的差值與（n_ref－n_G）成正比，即式（7-15）。根據偏差ΔU_n，由電液轉換器去控制調節汽閥的開(kāi)度，改變機組的轉速，使Δn值趨于零、轉速n_G趨于給定轉速n_ref為止，即達到調速目的。

（2）機組在并網(wǎng)情況下運行時(shí)。假設電網(wǎng)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P_ref電壓，功率測量值P_G與P_ref之差值信號見(jiàn)式（7-16）。通過(guò)PID等環(huán)節作用，將使對應差值電壓ΔU_p為零，即發(fā)電機功率P_G與給定值P_ref相等，達到調節發(fā)電機組輸出功率（二次調整）目的。

若考慮電網(wǎng)頻率波動(dòng)，機組在并網(wǎng)運行時(shí)，轉速給定值n_ref和功率給定值P_ref為某一定值不變。調速器工作隨輸入PID的兩個(gè)信號之和ΔU_f＋ΔU_p調節汽閥開(kāi)度，改變機組的輸出功率，即由式（7-20）或式（7-21）實(shí)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(shí)，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(dòng)平移f＝f（P）靜態(tài)特性曲線(xiàn)。這種自動(dòng)平移功頻電調機組靜態(tài)特性曲線(xiàn)使系統頻率在合格范圍內的做法，稱(chēng)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(fā)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(lái)實(shí)現。由圖7-9可見(jiàn)，主機與控制對象發(fā)電機組（包括原動(dòng)機）間輸出、輸入過(guò)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(fā)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(shí)現，首先要建立數學(xué)模型以及制訂運行中的控制原則，然后用軟件編程實(shí)現其控制規律。也就是主機根據采集到的實(shí)時(shí)信息，按預先確定的控制規律進(jìn)行調節量計算，計算結果經(jīng)D／A輸出去控制電／液轉換，再由液壓伺服系統控制原動(dòng)機的輸入功率，完成調速或調節功率的任務(wù)。

數字式電液調速器用了CPU主機后，可以充分發(fā)揮計算機高速運算和邏輯判斷優(yōu)勢，除了完成調速和負載控制功能外，還可實(shí)現機組自啟動(dòng)控制功能；在接近額定轉速時(shí)，可使發(fā)電機轉速跟蹤電網(wǎng)頻率快速同期并列等功能；如果是柴油機，在啟動(dòng)過(guò)程還附有熱應力管理功能等，從而極大地提高了電廠(chǎng)自動(dòng)化程度。

柴油發(fā)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(jīng)電氣液壓式調節系統、模擬式電氣液壓調節系統，發(fā)展到目前的數字式電氣液壓調節系統，其性能不斷提高，功能也不斷強大，可靠性和靈敏性也不斷提高。數字式電氣液壓調節系統在大型柴油發(fā)電機組上應用相當普遍，不過(guò)其他調節系統因仍能滿(mǎn)足運行機組基本要求，所以并未完全退役。

 

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