杜承東 ，楊亞男，董大朋

（1.海裝駐上海地區(qū)第二軍事代表室，上海 200129；2.滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海200129）

1 前言

船舶電站的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)，是電站調(diào)試試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，更是后續(xù)電力系統(tǒng)試驗(yàn)的前提。發(fā)電機(jī)穩(wěn)定并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)的重要考核指標(biāo)之一，是發(fā)電機(jī)組間的無(wú)功功率分配差度，該船要求并聯(lián)機(jī)組間無(wú)功功率分配差度不大于10%。在實(shí)船系泊試驗(yàn)階段，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的并聯(lián)試驗(yàn)中出現(xiàn)無(wú)功功率分配差度超過(guò)20%，甚至因超差過(guò)大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)解列的現(xiàn)象。針對(duì)這一故障現(xiàn)象,先對(duì)機(jī)組單機(jī)特性進(jìn)行分析研究,根據(jù)該型發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)的工作原理，找出發(fā)電機(jī)組無(wú)功功率分配差度過(guò)大的原因在于發(fā)電機(jī)外特性的有差特性較小,并且通過(guò)調(diào)差裝置無(wú)法調(diào)節(jié)其外特性。下面重點(diǎn)分析故障原因和解決方案。

2 故障原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

該船低壓電站由4 臺(tái)AC390 V 640 kW 的發(fā)電機(jī)組成，系泊試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)組的單機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)、單機(jī)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)性能調(diào)試試驗(yàn)結(jié)果表明，4 臺(tái)發(fā)電機(jī)組單機(jī)工作正常，均滿足技術(shù)要求中的單機(jī)性能指標(biāo)。

但在后續(xù)任意兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)中，在手動(dòng)并聯(lián)和自動(dòng)并聯(lián)工況下，均出現(xiàn)無(wú)功功率分配差度超過(guò)20%，甚至偶發(fā)性出現(xiàn)發(fā)電機(jī)電流過(guò)大主開(kāi)關(guān)安全跳閘的現(xiàn)象，而試驗(yàn)中發(fā)電機(jī)有功功率分配差度均在指標(biāo)范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)排查，發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)接線、發(fā)電機(jī)組保障系統(tǒng)、試驗(yàn)工裝工具、試驗(yàn)程序及方法均符合試驗(yàn)要求。

以1 號(hào)和3 號(hào)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)試驗(yàn)現(xiàn)象為例：2 臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)頻率、相位均大致相等，但輸出電壓不相等；從電站監(jiān)控系統(tǒng)顯示的兩臺(tái)機(jī)組的無(wú)功功率數(shù)值可以看出，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)之間出現(xiàn)了較大的無(wú)功環(huán)流，電壓較高的發(fā)電機(jī)承擔(dān)的無(wú)功功率較大，電壓較低的發(fā)電機(jī)承擔(dān)的無(wú)功功率較小。無(wú)功環(huán)流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致兩臺(tái)發(fā)電機(jī)無(wú)功功率分配不平衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起其中1 臺(tái)發(fā)電機(jī)電流過(guò)載甚至燒毀[1]。同型號(hào)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行是通過(guò)發(fā)電機(jī)有差外特性實(shí)現(xiàn)的，發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率的分配取決于發(fā)電機(jī)的外特性及勵(lì)磁系統(tǒng)工作情況，故針對(duì)上述故障現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究該型發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)原理。

2.2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理

該船發(fā)電機(jī)是典型船用無(wú)刷交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，其勵(lì)磁系統(tǒng)由濾波器、自動(dòng)調(diào)壓器、交流勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器等組成。自動(dòng)調(diào)壓器電源由定子輔助繞組勵(lì)磁電源提供，圖1 是勵(lì)磁系統(tǒng)的功能原理框圖[2]。

圖1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)原理圖

（1）勵(lì)磁系統(tǒng)以發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓作為電壓檢測(cè)取樣信號(hào)，經(jīng)濾波器處理后作為調(diào)壓器的電網(wǎng)實(shí)時(shí)電壓輸入信號(hào)，同時(shí)也用于調(diào)差回路電流相位比較；

（2）調(diào)差回路通過(guò)電流互感器引入發(fā)電機(jī)負(fù)載的無(wú)功電流成分，輸入自動(dòng)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)固定的電壓調(diào)節(jié)偏差；

（3）勵(lì)磁系統(tǒng)另設(shè)有外部手動(dòng)調(diào)壓、滅磁、復(fù)位以及備用的發(fā)電機(jī)間無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償線路接口。

通過(guò)圖1 分析可知：該勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是典型帶自動(dòng)調(diào)壓器可控勵(lì)磁方式，其勵(lì)磁過(guò)程可以簡(jiǎn)述為:發(fā)電機(jī)無(wú)初始電壓時(shí)，由定子輔助繞組勵(lì)磁提供自動(dòng)調(diào)壓器電源，勵(lì)磁調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)通過(guò)自動(dòng)調(diào)壓器調(diào)節(jié)直流勵(lì)磁電流提供給勵(lì)磁機(jī)定子繞組，形成固定磁場(chǎng)，勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)通過(guò)回路產(chǎn)生三相交流電，再由旋轉(zhuǎn)整流器轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；發(fā)電機(jī)的定子繞組在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中產(chǎn)生三相交流電動(dòng)勢(shì)；發(fā)電機(jī)定子繞組v 相中的電流互感器，通過(guò)電阻R1 實(shí)現(xiàn)所需的無(wú)功負(fù)載有差下降特性。值得注意的是：該發(fā)電機(jī)調(diào)壓器中僅有無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償線路接口，無(wú)自動(dòng)無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償線路。

2.3 故障原因分析

經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析，勵(lì)磁系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)壓功能，穩(wěn)態(tài)調(diào)壓率均在2% 以?xún)?nèi)；船舶電網(wǎng)中的無(wú)功負(fù)載一般為電動(dòng)機(jī)型負(fù)載，負(fù)載呈感性，電網(wǎng)中無(wú)功負(fù)載的增加會(huì)起到發(fā)電機(jī)電樞去磁作用，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電壓下降。因此，在發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)調(diào)壓器通過(guò)對(duì)比電網(wǎng)電壓和額定電壓，自動(dòng)調(diào)整輸出的勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓，達(dá)到單機(jī)的調(diào)壓特性指標(biāo)。

同容量的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，必須滿足兩點(diǎn)要求：發(fā)電機(jī)外特性均為有差特性；外特性曲線斜率基本相同。這樣才能保證發(fā)電機(jī)間的無(wú)功功率分配平衡，確保電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。引入調(diào)差電路是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有差外特性方法之一，雖然會(huì)降低發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)調(diào)壓率，但能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行穩(wěn)定，因此廣泛應(yīng)用于船舶電站。但在該船應(yīng)用中，由于勵(lì)磁系統(tǒng)的非線性、機(jī)械制造、臺(tái)架調(diào)試誤差等因素，導(dǎo)致同型號(hào)的2 臺(tái)發(fā)電機(jī)特性仍會(huì)存在差異，其外特性不能在誤差范圍內(nèi)滿足上述兩點(diǎn)要求。通過(guò)對(duì)4 臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行單機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其調(diào)差系數(shù)僅能在0.26～0.51 之間調(diào)整，調(diào)差系數(shù)過(guò)小，即通常所說(shuō)的發(fā)電機(jī)外特性較硬，且1 號(hào)機(jī)和3 號(hào)機(jī)由于特性差異其調(diào)差系數(shù)相差兩倍，因此導(dǎo)致僅靠調(diào)差裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的正常并聯(lián)運(yùn)行。

3 無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償原理及應(yīng)用

3.1 無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償原理

發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，調(diào)差裝置的功能是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)在無(wú)功電流增加時(shí)自動(dòng)降低電壓，減少自身承擔(dān)的無(wú)功負(fù)載，不會(huì)調(diào)節(jié)其它并聯(lián)的發(fā)電機(jī)的電壓。而船舶電網(wǎng)負(fù)載的功率因數(shù)在常用工況下基本變化不大，所需無(wú)功功率一定，降低一臺(tái)發(fā)電機(jī)承擔(dān)的無(wú)功功率以抑制無(wú)功環(huán)流增大，被減少的這一部分無(wú)功功率必然由其它并聯(lián)的發(fā)電機(jī)承擔(dān)，這種分配的平衡全靠發(fā)電機(jī)有差外特性的一致性以及軟硬程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。而本船電站發(fā)電機(jī)之間的有差特性差異和調(diào)節(jié)功能不足，導(dǎo)致這種常規(guī)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)間的穩(wěn)定并聯(lián)，有必要采用額外的發(fā)電機(jī)間無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償措施。

無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償?shù)脑?，是分別將各并聯(lián)發(fā)電機(jī)調(diào)差裝置的輸出反向引入各發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓器控制回路，當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)因?yàn)檎{(diào)差裝置正輸入自動(dòng)降低電壓時(shí)，另一臺(tái)并聯(lián)發(fā)電機(jī)將因?yàn)檎{(diào)差裝置反輸入自動(dòng)升高電壓，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的無(wú)功電流有增有減，電壓有升有降，可以維持電網(wǎng)電壓基本不變[3]，這與手動(dòng)并車(chē)時(shí)通過(guò)手動(dòng)上下調(diào)節(jié)各發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速維持電網(wǎng)頻率基本不變的操作原理一樣。

圖2 無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償原理典型電路圖

圖2 是無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償?shù)牡湫碗娐穲D，由端子1 和2 分別引出2 臺(tái)發(fā)電機(jī)定子單相電流互感器輸出的無(wú)功電流信號(hào)，當(dāng)端子1 和2 不連接時(shí)，2 只電流互感器T1 和T21 各自發(fā)揮正常調(diào)差功能，2 臺(tái)發(fā)電機(jī)無(wú)直接關(guān)系，輸入自動(dòng)調(diào)壓器的穩(wěn)態(tài)電壓偏差信號(hào)分別是I1R1和I2R2。當(dāng)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)信號(hào)作為端子1 和2 交叉連接的判斷條件，交叉連接后，輸入自動(dòng)調(diào)壓器的穩(wěn)態(tài)電壓偏差信號(hào)分別為（I1-I2）R1和（I2-I1）R2，兩者大小相近（R1、R2已調(diào)節(jié)近似相等）、正負(fù)相反；當(dāng)電網(wǎng)無(wú)功負(fù)載變化時(shí)，若AVR1 輸出使1 號(hào)發(fā)電機(jī)電壓上升，增大無(wú)功電流，AVR2 輸出將使2 號(hào)發(fā)電機(jī)電壓下降，減小無(wú)功電流。由此引入無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償作用，基本可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)并聯(lián)發(fā)電機(jī)的電壓升降互補(bǔ)，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償不僅適用于圖2 中的2 臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)，也適用于3 臺(tái)發(fā)電機(jī)交叉補(bǔ)償，如圖3 所示：無(wú)功電流信號(hào)通過(guò)各自的電流互感器的繞組輸出后接入環(huán)流補(bǔ)償回路，并通過(guò)繼電器觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)單機(jī)和并聯(lián)工況的投入切換。

圖3 3 臺(tái)發(fā)電機(jī)無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償原理圖

3.2 解決方案

根據(jù)上述分析，利用自動(dòng)調(diào)壓器的無(wú)功環(huán)流補(bǔ)償接口，增加無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償及發(fā)電機(jī)工況判斷回路，將各并聯(lián)發(fā)電機(jī)的電流互感器通過(guò)控制線路連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)各發(fā)電機(jī)電壓的補(bǔ)償式升降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)無(wú)功功率的平衡分配。

設(shè)計(jì)線路圖如圖4所示，在前、后主配電板（1MSB、2MSB）內(nèi)增加4 臺(tái)發(fā)電機(jī)GEN1～4 的外部補(bǔ)償線路，其中K1～K4 為發(fā)電機(jī)主開(kāi)關(guān)的合閘狀態(tài)觸點(diǎn)，K20、K21 為前、后主配電板各自母排隔離開(kāi)關(guān)的合閘狀態(tài)觸點(diǎn)，K10 為前、后主配電板之間跨接開(kāi)關(guān)的合閘狀態(tài)觸點(diǎn)。通過(guò)觸點(diǎn)開(kāi)閉的不同組合，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)單機(jī)/并聯(lián)工況的邏輯判斷，補(bǔ)償線路自動(dòng)投切，使無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償措施僅在該發(fā)電機(jī)并聯(lián)工況時(shí)才起作用。

圖4 4 臺(tái)發(fā)電機(jī)無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償設(shè)計(jì)線路圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)增設(shè)上述無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償設(shè)計(jì)線路，再次進(jìn)行發(fā)電機(jī)組并聯(lián)試驗(yàn)，以1 號(hào)、3 號(hào)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)試驗(yàn)為例，并聯(lián)運(yùn)行無(wú)功功率分配差度及穩(wěn)定性，均滿足試驗(yàn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

采用發(fā)電機(jī)無(wú)功環(huán)流交叉補(bǔ)償措施后，發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)運(yùn)行的功能及運(yùn)行穩(wěn)定性，并聯(lián)運(yùn)行無(wú)功功率分配差度滿足試驗(yàn)指標(biāo)不大于10%的要求。