新聞主題	柴油發電機組瞬時和穩態頻率（轉速）調整率

 

摘要：柴油發電機組是一種常見的發電設備，可提供穩定的電力供應。在發電過程中，頻率的穩定性是至關重要的，而瞬態頻率調整率則是評估發電機組頻率穩定性的重要指標之一。瞬態頻率調整率是指發電機組在負荷變化時，頻率從新負荷狀態向穩定狀態過渡的速度。它反映了發電機組在負荷變化時的頻率調節能力，也直接影響到電網的穩定性和用戶的用電質量。

 

 一、頻率調整率

 

      頻率調整，又稱轉速控制，是柴油發電機組中維持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保證柴油發電機組的轉速穩定。柴油發電機組頻率調整的主要方法是調整發電功率和進行負荷干預。按照調整范圍和調節能力的不同，頻率調整可分為一次調頻（系統如圖1所示）、二次調頻和三次調頻，其特性如圖2所示。調速控制也是柴油發電機組控制系統的重要組成部分。

1、瞬態頻率調整率的計算公式

      瞬態頻率調整率，也叫瞬時調速率（δ_fs），是指柴油發電機組在突加或突減負載時，瞬間變化頻率與負載變化前頻率的差值與額定頻率的比值。其數學表達式為

 

式中：f為額定頻率；

f₀為突加或突減負載前的穩定頻率；

f₁為突加或突減負載時的最大或最小頻率值。

      自負載突變瞬間開始到頻率開始穩定（穩定的定義在被試機組的技術條件中有規定）為止所經過的時間即為瞬態頻率恢復時間，取三次試驗中最長的一次作為試驗最終結果。

2、穩態頻率調整率的計算公式

      穩態頻率調整率，也可稱為穩態調速率，通常I、II、Ⅲ類電站要求δ_f=0.5%～3%，Ⅳ類電站δ_f≤5%。

      穩態頻率調整率能夠比較長時間以某一速率穩定變化之數值。如調整柴油發電機的轉速能夠以10轉/分增加，則其穩態調速率為10轉/分。它是相對于瞬間調速率而言的。由此可知道調速的性能。

      可用發電機控制屏上的頻率表或F41B表測試頻率，測得交流電頻率經計算得穩態頻率調整率（δ_f）應符合要求。其數學表達式為

式中，f —滿載時的額定頻率；

f₁—負載漸變后的穩定頻率，取各讀數中的最大值和最小值；

f₂—額定負載的頻率。

      當檢測中所加負載為滿載時，f₁用空載時頻率值代替，f=f₂為滿載時頻率值代替。

3、轉速波動率的計算公式

      轉速波動率也稱為頻率波動率，是指發電機組在負載不變時的頻率波動程度，其用數學公式表達為：

式中：F_Bmax一為負載不變時的最高頻率；

F_Bmin為負載不變時的最低頻率。

F_Bmax和F_Bmin要取同一負載下、同一次觀測時間內的最大頻率值和最小頻率值。

 

圖1  發電機組一次調頻輔助系統圖

圖2  發電機組頻率調整特性

 

二、頻率的影響因素和試驗

 

      交流柴油發電機組并聯運行及并入電網運行時，各發電機組的總負載不變，但由于各發電機組的制造工藝和供油的不均，會引起一臺發電機組的功率增加和另一臺發電機組的功率減少。通常把這種現象稱為功率交互振蕩，俗稱“游車”。功率的變化會導致系統輸出頻率的波動，頻率能否快速恢復穩定，對電氣設備的安全運行至關重要。柴油發電機的應用環境一般容量小，頻率波動大。對并聯運行的發電機，改變發電機間的有功功率分配，是通過改變各臺柴油機的油門大小，即單位時間內進入氣缸的燃油量來實現的。發電機輸出的有功功率是由柴油機的機械功率轉化來的，隨著負荷的變化需要經常調整柴油機的轉速，以保持電網頻率的恒定，其頻率與柴油機調速控制系統密切相關。

1、頻率的影響因素

柴油發電機組的瞬態頻率調整率受到多種因素的影響。

（1）發電機組的機械質量和轉子慣量會影響頻率調整的速度。質量越大、轉子慣量越大的發電機組，在負荷變化時，其頻率調整的速度會相對較慢。

（2）發電機組的調速系統對瞬態頻率調整率也有重要影響。調速系統負責控制發電機組的輸出功率，通過調整燃油供給量來實現頻率的調節。調速系統的響應速度越快，發電機組的瞬態頻率調整率就越高。

（3）柴油發電機組的負載特性也會對瞬態頻率調整率產生影響。負載特性指的是發電機組在負載變化時，輸出電壓和頻率的變化情況。如果發電機組的負載特性不穩定，頻率的調整速度就會受到限制。

（4）通信狀態對頻率調整的影響主要表現為：

① 延遲對頻率跌落深度的影響。

② 丟包率對實際調整容量的誤差影響。

      假設某一區域內可控容量一定，柴油發電機在供電時刻頻率達到60HZ，控制中心和用戶之間的通信鏈接存在τ延遲和ζ丟包率，那么可控負荷實際的響應閾值和響應量為

 f′_smart=f₀−Δf_∞(1−e^{−(t0+τ)/Tf})

P′_actual=(1−ζ)P_goal

      圖3模擬了在實際負荷控制中，通信延遲與丟包對發電機頻率響應的影響。圖4模擬了不同控制情況下頻率恢復情況。

 

圖3  發電機通信狀態對頻率響應的影響

圖4  不同情況下的頻率恢復情況

 

2、頻率調整率試驗方法

      柴油發電機組的負載來源可以采用兩種模式，其一為假性負載機來代替真實用電負荷，對柴油發電機組進行測試，試驗電路圖如圖5所示；其二為客戶真實的用電負載，當全廠對應的用電設備全部開啟后對柴油發電機組進行測試，試驗電路如圖6所示。

（1）發電機加滿載調整輸出交流電頻率為整定值（50Hz）。

（2）發電機去載（為空載）調整輸出交流電壓為整定值（400V）。

（3）待逐級加載25％、50％、75％、100％，待穩定后測得各次的頻率和三相平均電壓，計算穩態調整率，穩態頻率調整率應符合要求≤-0.5％。

（4）待逐級減載75％、50％、25％至空載，待穩定后測得各次的頻率和三相平均電壓，計算穩態調整率，穩態頻率調整率應符合要求≤0.5％。

       為了提高柴油發電機組的瞬態頻率調整率，可以采取以下措施。首先，選用質量較好、轉子慣量較大的發電機組。這樣可以增加發電機組的慣性，提高頻率調整的速度。其次，對調速系統進行優化，提高其響應速度。可以采用先進的調速裝置和控制算法，使調速系統的控制更加精確、靈敏。此外，還可以通過增加調速系統的增益和減小調速環節的延遲，來提高整個系統的頻率響應速度。

 

圖5  柴油發電機組假性負載機試驗電路圖

圖6  柴油發電機實際用電負載測試電路圖

 

三、自動調頻調載方法

      頻率穩定時間是指柴油發電機組從負載突變到頻率開始穩定所需時間。I、II、III類電站性能等級為2~5s；IV類電站性能等級為≤7s。如果頻率頻率穩定時間超時，應當進行頻率調整或裝設自動調頻調載裝置。自動調頻調載裝置作用是維持電力系統頻率恒定和有功功率按比例分配，實際是通過步進電機對原動機電子調速器的預緊彈簧壓力作微調。方法有以下5種：

1、主調發電機法

      這種方法是在并聯運行的發電機組中選擇一臺作為“主調機”，當電網負荷變化而出現頻差時，由主調機組進行頻率的二次調節，改變油門的開度，使電網頻率維持穩定，該主調機還承擔電網負荷的變化量。而參與并聯的其他機組則總是帶固定的負荷，稱為“基載機”。主調發電機法原理簡單，但缺點是使主調機和基載機的功率因數不一致，且隨負載的變化而變化，這樣當負荷變化較大時，調頻過程就會很慢，因為只有主調機組在起調整作用。

2、有差調節

      利用具有有差調速特性且調差系數相近的發電機組并聯運行來實現頻率穩定及負載分配的頻載調節方法。這種方法無自動調頻調載裝置，無法進行二次調節，各機組只由具有有差特性的調速器來控制，因此不能很好地維持頻率恒定，負載分配一般也不均勻。此外，它不能自動轉移負荷。

3、主從控制法

      主從控制法是在并聯運行的發電機組中選擇一臺作為主控機，主控機的主要作用維持電網頻率的穩定。它不斷地把系統頻率與給定頻率相比較，當系統頻率高于給定頻率時，其調節器輸出減速信號，通過主控機的調速伺服馬達調小原動機的油門；反之，則加大油門，力圖維持系統頻率的穩定，有時也稱其為Master，相應地其余的機組稱為slaver，專門負責負荷分配，對頻率的變化則不過問。

4、積差法

      積差調整法是按頻差△f對時間的積分△F=K ?Afdt來進行調頻的，同時引入與各機組實際功率成正比的功率信號進行比較來校正負荷分配。它的特點是調整結束時總是保持恒頻和按比例分配負荷。

5、虛有差法

      虛有差法是在參與并聯的每一臺發電機上都裝設按頻差和功率分配差進行調整的控制系統。在它們的控制下能經常地保持電網的頻率為額定值，電力系統的負荷則按給定比例進行分配。雖然每臺發電機所裝置的調速器仍為有差特性，且調差系數都不為零，也不會影響調整結果。這就是“虛有差”這一名稱的含義。目前它在自動調頻調載領域應用較為廣泛。

 

總結：

      除了以上調頻措施外，合理設計發電機組的負載特性也是提高瞬態頻率調整率的重要手段。可以通過控制發電機組的電壓和頻率反饋環節，使其負載特性更加穩定。此外，還可以采用先進的負載調節裝置，實時監測和調整發電機組的負載，以保持頻率的穩定性。柴油發電機組的瞬態頻率調整率是評估發電機組頻率穩定性的重要指標。通過優化發電機組的機械質量、調速系統和負載特性，可以提高瞬態頻率調整率，保證電網的穩定性和用戶的用電質量。在未來的發電機組設計和運行中，瞬態頻率調整率應被更加重視，以滿足不斷增長的電力需求。

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