2000年 青岛远洋船员学院学报 VOL.21 第4期 JOURNAL OF QINGDAO OCEAN SHIPPING MARINERS COLLEGE NO.4 柴油发电机组电压调整特性及无功分配 姜锦范 (青岛远洋船员学院机电系) 提要并联运行中的发电机组电压调整特性与无功负荷分配关亲；由测量 出的与无功功率相对应的电压离散点集的线性化；运行中的船舶发电机组无功 负荷分配不合理时应采取的解决方法与措施。 关键词调压调差亲数回归分析法空载电压环流补偿装置 STCW78/95公约要求轮机人员是机一电合一的综合人才，因此国家港监局对轮机 人员的要求中，其中就有轮机人员应能掌握与了解发电机组电压调整特性的测试方法的 内容。轮机人员懂得什么是电压调整特性及其与无功负荷分配关系，及随着实际运行工况 能对发电机组作出相应的调整，是今后轮机人员应该具有基本技术素质。 1电压调整特性与无功负荷分配关系 Ua 交流同步发电机组的电压调整特性是指 Uo 发电机端电压Uc随发电机无功负荷电流I。变化 UN 的规律。通常用Uc=f(Ic)的曲线来表示。电压调 整特性又称发电机无功负荷外特性。线性化的理 想的电压调整特性如图1所示。 电压调整特性的性能可用调压调差系数K。 (或KQ)来衡量。K.可用发电机电压的相对变化 IQN 率来表示，也可用电压变化的百分比、标幺值或特 图1线性化电压调整特性曲线 性曲线的斜率来表示。按用相对变化率来表示时 K,-Uo-Ux Uo U U 1布 当K>0时，UUo曲线呈上翘的调压特性。 发电机组并联运行时，调压特性均应呈下顷 特性，这样有利于稳定地并联运行，否则电网会因 1o2 Io Io2 o 无功负荷严重分配不均而崩溃。 图2两台机组并联运行时尤功负荷的 图2所示为两台机组并联运行时无功负荷分 分配状况 ·16· C1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
年 第 期 青 岛远洋船 员学 院学报 柴油发 电机组 电压调整特性及无功分配 姜锦范 青岛远 洋船员学 院机 电系 提要 并联运 行 中的 发 电机 组 电 压调 整特性 与无功 负荷 分 配 关 系 由 测 量 出 的 与无功 功率 相 对 应 的 电 压 离散点 集 的 线 性化 运 行 中的 船 铂 发 电机 组 无功 负荷 分配 不 合理 时应 采取 的 解决 方 法 与措施 。 关键词 调 压调 差 系数 回 归 分析 法 空 载 电压 环流 补 偿 装五 公 约要 求轮 机 人 员是 机一 电合 一 的综 合人 才 , 因此 国家 港 监局 对 轮 机 人 员的要 求 中 , 其 中就有轮 机人 员应 能掌握与 了解 发 电机 组 电压 调整 特性 的测 试方 法 的 内容 。 轮机 人员懂 得 什么 是 电压调 整特性及其 与无 功 负荷分 配关系 , 及 随着实际运 行工况 能对发 电机组作 出相 应的调 整 , 是今后轮 机人 员应 该具 有基 本技术 素质 。 电压 调整 特性与无功负荷分配 关系 交 流 同步发 电机组的 电压调整 特性是指 发 电机端电压 随发 电机 无功 负荷 电流 变化 的规 律 。 通常用 一 的曲线 来表示 。 电压调 整特性 又 称发 电机无 功负荷外特性 。 线性 化 的理 想的 电压 调整特性如 图 所示 。 电压 调整特性 的性 能可 用 调压 调差 系数 或 来衡量 。 。 可 用发 电机 电压 的相对 变 化 率 来表示 , 也 可用 电压变 化 的百 分 比 、 标 么值或 特 性 曲线 的斜率来表 示 。 按用相 对变化率来 表示 时 图 线性化电压调整特性曲线 。 一 、 长 , 一 一二耳 一 当 。 。 时 , 曲线 呈 下 倾的 调 压特 性 一 时 , 一 曲线呈 水平 的调压 特 性 。 时 , 。 曲线呈 上翘的调压特性 。 发 电机 组并联 运行 时 , 调 压 特性 均 应 呈 下 顷 特性 , 这样 有利 于稳 定地并联运行 , 否则 电网会 因 无功 负荷严重分 配不均 而崩 溃 。 图 所示为 两 台机组并联 运行 时无 功负荷分 二二二二币, 车二忿卜 ’ “ 口 ‘ , 改 , 奋 一 刀 一 … 图 ’ 一 两台机组 并联运 行时 无功 负荷的 分配状况
2000年 青岛远洋船员学院学报 V0L.21 第4期 JOURNAL OF QINGDAO OCEAN SHIPPING MARINERS COLLEGE NO.4 配情况。1#机组的调压调差系数Ku小于2机组的K2,在电压U下两台机组各自承担IQ! 与Ia2,IQ>Ia2;负荷增加后，电网电压降至U’,此时两台机组承担的无功分别为1o’与 Ia2',IQ>IQ2'。可见并联运行时调压调差系数较小者承担的无功较多。因此并联运行时， 我们希望并联运行的机组应有相同的电压调整特性，即调压调差系数K。应尽可能相等。 2电压调整特性测试方法 2.1柴油发电机组电压调整特性的测试 鉴于发电机控制屏上电压表的分辨率太 U中 ● 低，所以需外接一个数字电压表进行测试，测试 时应保持发电机频率在额定值，小辐度增减发 电机的无功电流（可按5%IoN),由于在20%IQN 以下的无功电流在并联运行中一般没有实际的 意义，所以测试时可不对小无功电流进行测试。 将测得的数据逐一填入I。一U表格内，然后对 lo 表格中数据或标在U一I。坐标上经线性化后 得到电压调整特性曲线；或经线性回归方法得 图3U一IQ坐标上电压特性点集 到电压调整特性方程，进而在U一IQ坐标上绘 U 出相应曲线。 2.2U一1Q坐标上点的线性化常用方法 图3所示为已将测得的一组数据标在U一 1Q坐标上。离散点集的线性化方法很多，常用 的方法主要有下述二种。 2.2.1在坐标上作一根直线，将坐标上的 一 点大致均分在该直线的两侧，如图4所示。 Io 这种方法得到的电压调整特性曲线误差较 大，带有一定的随意性。一般在要求不高的场合 图4U-1Q坐标上电压特性点集线性化之… 如课堂理论教学中作为定性分析时常采用的一 种方法。 2.2.2.一般以发电机空载电压U。向点 U 3 集中上下两侧最大离散点画出两根直线1与 2 2,然后在额定无功电流1ax所对应U处取其平 均值UN,画出从Uo至UN间直线3，这根直线 即是线性化的电压调整特性曲线。图5所示即 是用这种方法得到的特性曲线。 IoN Io 用这种方法得到的电压调整特性曲线，在图5U一。坐标上电压特性点集线性化之二 工程计算上得到一定的应用。按这种方法由此可推出电压调整特性的离散度等各项技术 指标。 17· C1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
任月 年 第 期 青岛远洋船员学 院学 报 ! 配 情况 。 “ 机组 的调压调 差系数 小于 “ 机组 的 , 在 电压 下两 台机组各 自承担 玩 与 , 负荷 增 加后 , 电网 电压 降至 ’, 此 时 两 台机 组 承担 的无 功分 别 为 ’ 与 ’, ’ 。 可见并 联运行 时调 压调 差系数较 小者承担 的无 功较多 。 因此并联运 行时 , 我 们希望并联运 行 的机组应有 相 同的 电压调整 特性 , 即调 压调 差系数 。 应尽可 能相 等 。 电压调 整特性 测试方法 柴油发 电机 组 电压调 整特性 的测试 鉴 于 发 电机 控 制 屏 上 电压表 的分 辨率 太 低 , 所 以需外接一 个数 字 电压表 进行测试 。 测试 时应 保持 发 电机 频率 在额 定 值 , 小幅度 增 减发 电机的无 功 电流 可按 二 , 由于在 以下的无 功 电流在 并联运 行 中 一般 没有 实际的 意义 , 所 以测 试时可 不对 小无功 电流进行 测试 。 将测得 的数 据逐 一填 入 一 表格 内 , 然后 对 表 格 中数据或 标 在 一 坐 标 上 经线 性 化 后 得 到 电压调 整 特性 曲线 或 经线 性 回 归 方法 得 到 电压调 整特 性方 程 , 进 而在 一 玩 坐 标 上绘 出相应 曲线 。 一 坐标 上点 的线性化常 用方法 图 所示 为 已将 测得 的一组数据 标在 一 玩 坐标上 。 离 散点 集 的线 性化 方法 很 多 , 常 用 的方 法主要 有下述二 种 。 在坐标 上作一 根直线 , 将坐标上 的 点大致 均分在该直线 的两侧 , 如 图 所示 。 这 种方法得 到 的 电压调 整特性 曲线误差较 大 , 带有一定 的随意性 。 一般 在要求不 高 的场合 如课 堂理论教 学 中作 为定性 分析 时常 采用 的一 种方法 。 一般 以 发 电机 空 载 电压 向点 集 中上 下两 侧 最 大 离 散 点 画 出两 根 直 线 与 , 然后在额 定无功 电流 所对 应 处取其平 均 值 , 画 出从 至 间直 线 , 这 根直 线 即是线性化 的 电压调 整特性 曲线 。 图 所 示即 是 用这种方 法得到 的特性 曲线 。 用这 种方 法 得到 的 电压 调 整特性 曲线 , 在 图 一 坐 标上 电压特性点集 一 节 图 一 玩 坐 标上电压特性点集线性化之 一 如 场 图 一 坐标上 电压特性点集线性化之二 工程计算上得到一 定 的应用 。 按 这种方法 由此可推出 电压调 整特性 的离散度等各项技术 指标 。
2000年 青岛远洋船员学院学报 VOL.21 第4期 JOURNAL OF QINGDAO OCEAN SHIPPING MARINERS COLLEGE NO.4 在测量发电机所得到的数据中，有时个别点会出现偏离较大现象，这时若纯按上述方 法得到的上下两侧直线即如图5中1与4这两根直线，由此进而得到的电压调整特性曲 线将与实际情况出入较大，因此运用这种方法时，有时应把个别的点排除在外。 2.3线性回归法 鉴于上述两种方法都有不尽人意的地方，笔者认为：对离散点集线性化的最有力的数 学工具是线性回归法。下面是笔者运用线性回归法获得电压调整特性方程的方法、结论以 供大家参考。 2.3.1数据采集 数据采集方法同前，将获得的数据填入I。一U表格内。如表1所示。 表1 i 1 2 3 5 6 7 8 10 Io IQL IQz Ios IQs Ios 1o6 IQ? Ias Ios 1a10 U U U2 U; U. U Ua U, Ug U, U10 2.3.2回归方程的获得 发电机电压U与无功电流IQ间的数学期望关系式为 U-=alo+b 式中a、b是待定参变量，通常采用最小二乘法来求出a与b的估计值合、6经计算 推导（略）得出： -2u-。 n142-(>)2 1m1 =1 n21。-(。r 因此，可得出U对于1。的一元线性回归方程 n2e-(2 n。2-(21)r 2.3.3 由得到的直线斜率合与U轴上的截距6，就可在U一1Q坐标上画出电压调 整特性曲线。 3空载电压对无功负荷分配的影响 发电机空载电压不-一致时无功负荷分配关系如图6所示。由图可见当系统中无功负 ·18· C1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
年 第 期 青 岛远洋船员学 院学 报 ! ∀ 在测 量发 电机 所得 到 的数据 中 , 有 时个别点 会 出现 偏离 较大 现象 , 这时若纯 按上述方 法 得到 的上 下 两侧 直线 即如 图 中 与 这两 根直 线 , 由此 进而得 到 的 电压调整 特性 曲 线 将与实 际情况 出入较大 , 因此运用 这种 方法时 , 有时应 把个 别 的点排除在外 。 线性 回 归法 鉴 于上述两种 方法 都有 不尽人 意 的地 方 , 笔 者认 为 对离 散点 集线性 化 的最 有力 的数 学 工具是 线性 回 归法 。 下面是 笔者运 用线 性 回 归法获得 电压 调整特 性方程 的方 法 、 结论 以 供 大家 参考 。 数据 采集 数据 采集 方法 同前 , 将获得 的数 据填入 一 表格 内 。 如表 所示 。 ! 。 、 , 。 回 归方程 的获得 发 电机 电压 与无 功 电流 间的数学 期望关 系式 为 一 式 中 。 、 是 待 定参 变量 , 通 常采 用最 小 几 乘 法来 求 出 。 与 的估 计值 含 、 仑经计 算 推导 略 得 出 艺 一 艺二 艺玩 胜一 一 ‘ 艺 , 一 艺。 全 仑一宜 艺 u 、一 艺玩U , 艺玩 l一 1 盆一 1 .~ 1 n 艺102一 ( 艺I二 ) “ 因此 , 可得 出 U 对于 IQ 的一元 线性 回 归方程 n 习IQIU i一 艺IQ: 习Iul U 一 一 坚 三— 止兰一 . 一 钊 艺玩 IQ 十 经工 _ _ 艺U 一 艺I二U : 艺I。 一1 廷= 1 一二 1 n 乙102一 (艺IQ: ) 2 n艺IQ:2一 (艺I。 ) 2 ‘一 1 盆= 1 2 . 3 . 3 由得 到 的直线斜率 分与 u 轴 卜的截距 仑 , 就 可在 u 一I 。 坐标 上画 出 电压 调 整 特性 曲线 。 3 空载电压对无功负荷分配的影响 发 电机 空载 电压不 一致时无 功负荷分 配关 系如 图 6 所示 。 由图可 见 当系统 中无 功 负 · 1 8 ·
2000年 青岛远洋船员学院学报 VOL.21 第4期 JOURNAL OF QINGDAO OCEAN SHIPPING MARINERS COLLEGE NO.4 荷较小时1“机组承担的无功较少：当系统中无 功较大时1“机组承担的无功却较多。在这种情 况下，改变电压调整特性的斜率也实现不了两 台机组无功负荷在任意场合下的均分。即使两 台机组的特性被调整至完全相同，这时两条特 性曲线呈平行状态，无功分配显然是不均衡的。 4电压调整特性的应用 并联运行中的船舶电站，常会发生并联中 的某台机组承担的无功功率比其他机组要多 Io1 1o2 Io2 Io (或要少)的现象，这就说明该台机组的电压调 整特性曲线要比其它机组的特性曲线硬（软）一 图6空载电正不同时无功负荷的分配 些。对于调压器为可控硅型或可控相复励型的发电机，可通过调整为并联运行而设置的环 流补偿装置中相关的可变电阻（一般安装在发电机控制屏内部，线绕式、体积较大），即可 实现调整电压调整特性的斜率，使该机组的特性与其它机组的特性尽可能相一致，从而实 现并联中无功功率的分配趋于均衡。值得注意的是可变电阻的调整只能在小范围内对电 压调整特性作出调整。 在实际调试中当发生改变可变电阻解决不了无功功率分配不合理的场合，尤其发现 随着电网无功负荷的变化机组承担的无功相应稳定较多与稳定较少（不是无功振荡）时， 说明这是并联运行中发电机组的空载电压不一致所造成的。这时应首先调整发电机的空 载电压，在空载电压基本一致时再调整发电机的电压调整特性，从而解决无功功率分配不 合理的问题。 有时发现按上述方法进行调整仍解决不了问题，这可能是由于系统为解决并联运行 中无功负荷分配而设置的各种类型环流补偿装置在并联时未能接入而造成的，这一环节 通常是由发电机主开关中的常闭副触点来实现的，故应检查主开关上这一副触点合闸后 是否断开来加以判定。 参考文献 1.陈系儒《概率论与数理统计》中国科学技术大学出版社1992. 2,项国波《柴油机交流发电机组并联运行及其稳定性》国防工业出版社19？9. 3.姜锦范《船舶电气及控制培训教程》第三篇船舶电站中华人民共和国港务监督局 1999. 19。 C1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
年 第 4 期 青岛远洋船员学 院学报 J()URNAL ()F QINGDAO OCEAN SHIPPING M ARINERS COLLEGE VO L . 21 N O . 4 11# 2 卜 荷 功 况 较 较 下 大 小 , 改 时 时 变 1 1 电 ” “ 机 机 压 组 组 调 承 承 整 担 担 特 的 的 性 无 无 的 功 功 斜 却 较 率 较 少 也 多 ; 实 当 。 现 系 在 统 这 不 中 种 了 无 情 两 zUo01 台机组无 功负荷 在任意 场合下 的均分 。 即使 两 台机 组 的特性 被 调整 至完 全相 同 , 这 时 两条 特 性 曲线呈平行 状态 , 无功分配显然是 不均 衡 的 。 4 电压 调整特 性的应 用 并联 运行 中 的船 舶 电站 , 常会 发生 并联 中 的 某 台 机组 承 担 的 无 功 功 率 比其 他 机 组要 多 (或要少 )的 现象 , 这 就说 明该 台机 组 的 电压 调 整特性 曲线要 比其它 机组 的特 性 曲线硬 (软)一 IQ 1 IQ Z 玩 : 场 1 图 6 空 载电压不 同时无功负荷 的分配 IQ 些 。 对 于调压 器为可控 硅型或 可控 相复励 型的发 电机 , 可通过 调 整为并联运 行而设置 的环 流 补偿装置 中相 关 的可变 电阻 (一般 安装在 发 电机控制 屏 内部 , 线绕 式 、 体 积较大 ) , 即可 实现调整 电压 调整特性 的斜率 , 使 该机组 的特性与其 它机组 的特性 尽可能相 一致 , 从而 实 现 并联 中无功功 率的分 配趋于均 衡 。 值得注 意的是 可变 电阻的调 整只能在 小范 围内对 电 压调整特性 作 出调整 。 在 实际调 试 中当发生 改变 可变 电阻解决 不 了无功功 率分 配 不合理 的场 合 , 尤 其发现 随着 电 网无 功 负荷 的变 化机 组承担 的无功相 应稳 定较 多与 稳定 较少 (不是 无功振 荡 )时 , 说 明这是 并联运 行 中发 电机组 的空载 电压不 一致所 造成的 。 这 时应 首先调 整发 电机 的空 载 电压 , 在空载 电压基本 一致 时再 调整发 电机的 电压 调整特性 , 从而 解决无 功功率分配 不 合 理的 问题 。 有时发现 按上述 方法 进行调 整仍解 决不 了问题 , 这可 能 是 由于系 统为解 决并 联运行 中无功 负荷分 配而 设置 的各种类 型环 流补偿 装置 在并联 时未 能接 入而 造成 的 , 这 一环节 通 常是 由发 电机主 开关 中的常 闭副触 点来实 现的 , 故应检 查 主开关 上这 一副 触点 合闸后 是 否断开来 加 以 判定 。 参考 文献 1 . 陈系 孺 《概率论与数理统计》 中国科学 技术大学 出版社 19 92, 2 . 项国 波 《柴油机交流发 电机组并联运行及其 稳定性 》 国 防工业出版社 1979. 3 , 姜锦范 《船 舶 电气 及 控制培训 教 程 》 第 三篇 船舶 电站 中华人 民共和国港务 监督局 199 9