新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)組瞬時和穩(wěn)態(tài)頻率（轉(zhuǎn)速）調(diào)整率

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組是一種常見的發(fā)電設(shè)備，可提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。在發(fā)電過程中，頻率的穩(wěn)定性是至關(guān)重要的，而瞬態(tài)頻率調(diào)整率則是評估發(fā)電機(jī)組頻率穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。瞬態(tài)頻率調(diào)整率是指發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷變化時，頻率從新負(fù)荷狀態(tài)向穩(wěn)定狀態(tài)過渡的速度。它反映了發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷變化時的頻率調(diào)節(jié)能力，也直接影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性和用戶的用電質(zhì)量。

 

 一、頻率調(diào)整率

 

      頻率調(diào)整，又稱轉(zhuǎn)速控制，是柴油發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。柴油發(fā)電機(jī)組頻率調(diào)整的主要方法是調(diào)整發(fā)電功率和進(jìn)行負(fù)荷干預(yù)。按照調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)能力的不同，頻率調(diào)整可分為一次調(diào)頻（系統(tǒng)如圖1所示）、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻，其特性如圖2所示。調(diào)速控制也是柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要組成部分。

1、瞬態(tài)頻率調(diào)整率的計算公式

      瞬態(tài)頻率調(diào)整率，也叫瞬時調(diào)速率（δ_fs），是指柴油發(fā)電機(jī)組在突加或突減負(fù)載時，瞬間變化頻率與負(fù)載變化前頻率的差值與額定頻率的比值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

 

式中：f為額定頻率；

f₀為突加或突減負(fù)載前的穩(wěn)定頻率；

f₁為突加或突減負(fù)載時的最大或最小頻率值。

      自負(fù)載突變瞬間開始到頻率開始穩(wěn)定（穩(wěn)定的定義在被試機(jī)組的技術(shù)條件中有規(guī)定）為止所經(jīng)過的時間即為瞬態(tài)頻率恢復(fù)時間，取三次試驗中最長的一次作為試驗最終結(jié)果。

2、穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率的計算公式

      穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率，也可稱為穩(wěn)態(tài)調(diào)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(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率能夠比較長時間以某一速率穩(wěn)定變化之?dāng)?shù)值。如調(diào)整柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠以10轉(zhuǎn)/分增加，則其穩(wěn)態(tài)調(diào)速率為10轉(zhuǎn)/分。它是相對于瞬間調(diào)速率而言的。由此可知道調(diào)速的性能。

      可用發(fā)電機(jī)控制屏上的頻率表或F41B表測試頻率，測得交流電頻率經(jīng)計算得穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率（δ_f）應(yīng)符合要求。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，f —滿載時的額定頻率；

f₁—負(fù)載漸變后的穩(wěn)定頻率，取各讀數(shù)中的最大值和最小值；

f₂—額定負(fù)載的頻率。

      當(dāng)檢測中所加負(fù)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(zhuǎn)速波動率的計算公式

      轉(zhuǎn)速波動率也稱為頻率波動率，是指發(fā)電機(jī)組在負(fù)載不變時的頻率波動程度，其用數(shù)學(xué)公式表達(dá)為：

式中：F_Bmax一為負(fù)載不變時的最高頻率；

F_Bmin為負(fù)載不變時的最低頻率。

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

 

圖1  發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻輔助系統(tǒng)圖

圖2  發(fā)電機(jī)組頻率調(diào)整特性

 

二、頻率的影響因素和試驗

 

      交流柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運行及并入電網(wǎng)運行時，各發(fā)電機(jī)組的總負(fù)載不變，但由于各發(fā)電機(jī)組的制造工藝和供油的不均，會引起一臺發(fā)電機(jī)組的功率增加和另一臺發(fā)電機(jī)組的功率減少。通常把這種現(xiàn)象稱為功率交互振蕩，俗稱“游車”。功率的變化會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出頻率的波動，頻率能否快速恢復(fù)穩(wěn)定，對電氣設(shè)備的安全運行至關(guān)重要。柴油發(fā)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境一般容量小，頻率波動大。對并聯(lián)運行的發(fā)電機(jī)，改變發(fā)電機(jī)間的有功功率分配，是通過改變各臺柴油機(jī)的油門大小，即單位時間內(nèi)進(jìn)入氣缸的燃油量來實現(xiàn)的。發(fā)電機(jī)輸出的有功功率是由柴油機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化來的，隨著負(fù)荷的變化需要經(jīng)常調(diào)整柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保持電網(wǎng)頻率的恒定，其頻率與柴油機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)密切相關(guān)。

1、頻率的影響因素

柴油發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)頻率調(diào)整率受到多種因素的影響。

（1）發(fā)電機(jī)組的機(jī)械質(zhì)量和轉(zhuǎn)子慣量會影響頻率調(diào)整的速度。質(zhì)量越大、轉(zhuǎn)子慣量越大的發(fā)電機(jī)組，在負(fù)荷變化時，其頻率調(diào)整的速度會相對較慢。

（2）發(fā)電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)對瞬態(tài)頻率調(diào)整率也有重要影響。調(diào)速系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制發(fā)電機(jī)組的輸出功率，通過調(diào)整燃油供給量來實現(xiàn)頻率的調(diào)節(jié)。調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)頻率調(diào)整率就越高。

（3）柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)載特性也會對瞬態(tài)頻率調(diào)整率產(chǎn)生影響。負(fù)載特性指的是發(fā)電機(jī)組在負(fù)載變化時，輸出電壓和頻率的變化情況。如果發(fā)電機(jī)組的負(fù)載特性不穩(wěn)定，頻率的調(diào)整速度就會受到限制。

（4）通信狀態(tài)對頻率調(diào)整的影響主要表現(xiàn)為：

① 延遲對頻率跌落深度的影響。

② 丟包率對實際調(diào)整容量的誤差影響。

      假設(shè)某一區(qū)域內(nèi)可控容量一定，柴油發(fā)電機(jī)在供電時刻頻率達(dá)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(fù)荷實際的響應(yīng)閾值和響應(yīng)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(fù)荷控制中，通信延遲與丟包對發(fā)電機(jī)頻率響應(yīng)的影響。圖4模擬了不同控制情況下頻率恢復(fù)情況。

 

圖3  發(fā)電機(jī)通信狀態(tài)對頻率響應(yīng)的影響

圖4  不同情況下的頻率恢復(fù)情況

 

2、頻率調(diào)整率試驗方法

      柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)載來源可以采用兩種模式，其一為假性負(fù)載機(jī)來代替真實用電負(fù)荷，對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測試，試驗電路圖如圖5所示；其二為客戶真實的用電負(fù)載，當(dāng)全廠對應(yīng)的用電設(shè)備全部開啟后對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測試，試驗電路如圖6所示。

（1）發(fā)電機(jī)加滿載調(diào)整輸出交流電頻率為整定值（50Hz）。

（2）發(fā)電機(jī)去載（為空載）調(diào)整輸出交流電壓為整定值（400V）。

（3）待逐級加載25％、50％、75％、100％，待穩(wěn)定后測得各次的頻率和三相平均電壓，計算穩(wěn)態(tài)調(diào)整率，穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率應(yīng)符合要求≤-0.5％。

（4）待逐級減載75％、50％、25％至空載，待穩(wěn)定后測得各次的頻率和三相平均電壓，計算穩(wěn)態(tài)調(diào)整率，穩(wěn)態(tài)頻率調(diào)整率應(yīng)符合要求≤0.5％。

       為了提高柴油發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)頻率調(diào)整率，可以采取以下措施。首先，選用質(zhì)量較好、轉(zhuǎn)子慣量較大的發(fā)電機(jī)組。這樣可以增加發(fā)電機(jī)組的慣性，提高頻率調(diào)整的速度。其次，對調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高其響應(yīng)速度。可以采用先進(jìn)的調(diào)速裝置和控制算法，使調(diào)速系統(tǒng)的控制更加精確、靈敏。此外，還可以通過增加調(diào)速系統(tǒng)的增益和減小調(diào)速環(huán)節(jié)的延遲，來提高整個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)速度。

 

圖5  柴油發(fā)電機(jī)組假性負(fù)載機(jī)試驗電路圖

圖6  柴油發(fā)電機(jī)實際用電負(fù)載測試電路圖

 

三、自動調(diào)頻調(diào)載方法

      頻率穩(wěn)定時間是指柴油發(fā)電機(jī)組從負(fù)載突變到頻率開始穩(wěn)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(wěn)定時間超時，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行頻率調(diào)整或裝設(shè)自動調(diào)頻調(diào)載裝置。自動調(diào)頻調(diào)載裝置作用是維持電力系統(tǒng)頻率恒定和有功功率按比例分配，實際是通過步進(jìn)電機(jī)對原動機(jī)電子調(diào)速器的預(yù)緊彈簧壓力作微調(diào)。方法有以下5種：

1、主調(diào)發(fā)電機(jī)法

      這種方法是在并聯(lián)運行的發(fā)電機(jī)組中選擇一臺作為“主調(diào)機(jī)”，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變化而出現(xiàn)頻差時，由主調(diào)機(jī)組進(jìn)行頻率的二次調(diào)節(jié)，改變油門的開度，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定，該主調(diào)機(jī)還承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷的變化量。而參與并聯(lián)的其他機(jī)組則總是帶固定的負(fù)荷，稱為“基載機(jī)”。主調(diào)發(fā)電機(jī)法原理簡單，但缺點是使主調(diào)機(jī)和基載機(jī)的功率因數(shù)不一致，且隨負(fù)載的變化而變化，這樣當(dāng)負(fù)荷變化較大時，調(diào)頻過程就會很慢，因為只有主調(diào)機(jī)組在起調(diào)整作用。

2、有差調(diào)節(jié)

      利用具有有差調(diào)速特性且調(diào)差系數(shù)相近的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運行來實現(xiàn)頻率穩(wěn)定及負(fù)載分配的頻載調(diào)節(jié)方法。這種方法無自動調(diào)頻調(diào)載裝置，無法進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，各機(jī)組只由具有有差特性的調(diào)速器來控制，因此不能很好地維持頻率恒定，負(fù)載分配一般也不均勻。此外，它不能自動轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

3、主從控制法

      主從控制法是在并聯(lián)運行的發(fā)電機(jī)組中選擇一臺作為主控機(jī)，主控機(jī)的主要作用維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。它不斷地把系統(tǒng)頻率與給定頻率相比較，當(dāng)系統(tǒng)頻率高于給定頻率時，其調(diào)節(jié)器輸出減速信號，通過主控機(jī)的調(diào)速伺服馬達(dá)調(diào)小原動機(jī)的油門；反之，則加大油門，力圖維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，有時也稱其為Master，相應(yīng)地其余的機(jī)組稱為slaver，專門負(fù)責(zé)負(fù)荷分配，對頻率的變化則不過問。

4、積差法

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

5、虛有差法

      虛有差法是在參與并聯(lián)的每一臺發(fā)電機(jī)上都裝設(shè)按頻差和功率分配差進(jìn)行調(diào)整的控制系統(tǒng)。在它們的控制下能經(jīng)常地保持電網(wǎng)的頻率為額定值，電力系統(tǒng)的負(fù)荷則按給定比例進(jìn)行分配。雖然每臺發(fā)電機(jī)所裝置的調(diào)速器仍為有差特性，且調(diào)差系數(shù)都不為零，也不會影響調(diào)整結(jié)果。這就是“虛有差”這一名稱的含義。目前它在自動調(diào)頻調(diào)載領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

 

總結(jié)：

      除了以上調(diào)頻措施外，合理設(shè)計發(fā)電機(jī)組的負(fù)載特性也是提高瞬態(tài)頻率調(diào)整率的重要手段。可以通過控制發(fā)電機(jī)組的電壓和頻率反饋環(huán)節(jié)，使其負(fù)載特性更加穩(wěn)定。此外，還可以采用先進(jìn)的負(fù)載調(diào)節(jié)裝置，實時監(jiān)測和調(diào)整發(fā)電機(jī)組的負(fù)載，以保持頻率的穩(wěn)定性。柴油發(fā)電機(jī)組的瞬態(tài)頻率調(diào)整率是評估發(fā)電機(jī)組頻率穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。通過優(yōu)化發(fā)電機(jī)組的機(jī)械質(zhì)量、調(diào)速系統(tǒng)和負(fù)載特性，可以提高瞬態(tài)頻率調(diào)整率，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和用戶的用電質(zhì)量。在未來的發(fā)電機(jī)組設(shè)計和運行中，瞬態(tài)頻率調(diào)整率應(yīng)被更加重視，以滿足不斷增長的電力需求。

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