新聞主題	柴油發(fā)電機組瞬時(shí)和穩態(tài)頻率（轉速）調整率

 

摘要：柴油發(fā)電機組是一種常見(jiàn)的發(fā)電設備，可提供穩定的電力供應。在發(fā)電過(guò)程中，頻率的穩定性是至關(guān)重要的，而瞬態(tài)頻率調整率則是評估發(fā)電機組頻率穩定性的重要指標之一。瞬態(tài)頻率調整率是指發(fā)電機組在負荷變化時(shí)，頻率從新負荷狀態(tài)向穩定狀態(tài)過(guò)渡的速度。它反映了發(fā)電機組在負荷變化時(shí)的頻率調節能力，也直接影響到電網(wǎng)的穩定性和用戶(hù)的用電質(zhì)量。

 

 一、頻率調整率

 

      頻率調整，又稱(chēng)轉速控制，是柴油發(fā)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(fā)電機組的轉速穩定。柴油發(fā)電機組頻率調整的主要方法是調整發(fā)電功率和進(jìn)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(fā)電機組控制系統的重要組成部分。

1、瞬態(tài)頻率調整率的計算公式

      瞬態(tài)頻率調整率，也叫瞬時(shí)調速率（δ_fs），是指柴油發(fā)電機組在突加或突減負載時(shí)，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(xué)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(shí)的最大或最小頻率值。

      自負載突變瞬間開(kāi)始到頻率開(kāi)始穩定（穩定的定義在被試機組的技術(shù)條件中有規定）為止所經(jīng)過(guò)的時(shí)間即為瞬態(tài)頻率恢復時(shí)間，取三次試驗中最長(cháng)的一次作為試驗最終結果。

2、穩態(tài)頻率調整率的計算公式

      穩態(tài)頻率調整率，也可稱(chēng)為穩態(tài)調速率，通常I、II、Ⅲ類(lèi)電站要求δ_f=0.5%～3%，Ⅳ類(lèi)電站δ_f≤5%。

      穩態(tài)頻率調整率能夠比較長(cháng)時(shí)間以某一速率穩定變化之數值。如調整柴油發(fā)電機的轉速能夠以10轉/分增加，則其穩態(tài)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(fā)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(jīng)計算得穩態(tài)頻率調整率（δ_f）應符合要求。其數學(xué)表達式為

式中，f —滿(mǎn)載時(shí)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(mǎn)載時(shí)，f₁用空載時(shí)頻率值代替，f=f₂為滿(mǎn)載時(shí)頻率值代替。

3、轉速波動(dòng)率的計算公式

      轉速波動(dòng)率也稱(chēng)為頻率波動(dòng)率，是指發(fā)電機組在負載不變時(shí)的頻率波動(dòng)程度，其用數學(xué)公式表達為：

式中：F_Bmax一為負載不變時(shí)的最高頻率；

F_Bmin為負載不變時(shí)的最低頻率。

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

 

圖1  發(fā)電機組一次調頻輔助系統圖

圖2  發(fā)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(fā)電機組并聯(lián)運行及并入電網(wǎng)運行時(shí)，各發(fā)電機組的總負載不變，但由于各發(fā)電機組的制造工藝和供油的不均，會(huì )引起一臺發(fā)電機組的功率增加和另一臺發(fā)電機組的功率減少。通常把這種現象稱(chēng)為功率交互振蕩，俗稱(chēng)“游車(chē)”。功率的變化會(huì )導致系統輸出頻率的波動(dòng)，頻率能否快速恢復穩定，對電氣設備的安全運行至關(guān)重要。柴油發(fā)電機的應用環(huán)境一般容量小，頻率波動(dòng)大。對并聯(lián)運行的發(fā)電機，改變發(fā)電機間的有功功率分配，是通過(guò)改變各臺柴油機的油門(mén)大小，即單位時(shí)間內進(jìn)入氣缸的燃油量來(lái)實(shí)現的。發(fā)電機輸出的有功功率是由柴油機的機械功率轉化來(lái)的，隨著(zhù)負荷的變化需要經(jīng)常調整柴油機的轉速，以保持電網(wǎng)頻率的恒定，其頻率與柴油機調速控制系統密切相關(guān)。

1、頻率的影響因素

柴油發(fā)電機組的瞬態(tài)頻率調整率受到多種因素的影響。

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

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

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

（4）通信狀態(tài)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(shí)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(fā)電機在供電時(shí)刻頻率達到60HZ，控制中心和用戶(hù)之間的通信鏈接存在τ延遲和ζ丟包率，那么可控負荷實(shí)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(shí)際負荷控制中，通信延遲與丟包對發(fā)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(fā)電機通信狀態(tài)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(fā)電機組的負載來(lái)源可以采用兩種模式，其一為假性負載機來(lái)代替真實(shí)用電負荷，對柴油發(fā)電機組進(jìn)行測試，試驗電路圖如圖5所示；其二為客戶(hù)真實(shí)的用電負載，當全廠(chǎng)對應的用電設備全部開(kāi)啟后對柴油發(fā)電機組進(jìn)行測試，試驗電路如圖6所示。

（1）發(fā)電機加滿(mǎn)載調整輸出交流電頻率為整定值（50Hz）。

（2）發(fā)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(tài)調整率，穩態(tài)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(tài)調整率，穩態(tài)頻率調整率應符合要求≤0.5％。

       為了提高柴油發(fā)電機組的瞬態(tài)頻率調整率，可以采取以下措施。首先，選用質(zhì)量較好、轉子慣量較大的發(fā)電機組。這樣可以增加發(fā)電機組的慣性，提高頻率調整的速度。其次，對調速系統進(jìn)行優(yōu)化，提高其響應速度?？梢圆捎孟冗M(jìn)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(guò)增加調速系統的增益和減小調速環(huán)節的延遲，來(lái)提高整個(gè)系統的頻率響應速度。

 

圖5  柴油發(fā)電機組假性負載機試驗電路圖

圖6  柴油發(fā)電機實(shí)際用電負載測試電路圖

 

三、自動(dòng)調頻調載方法

      頻率穩定時(shí)間是指柴油發(fā)電機組從負載突變到頻率開(kāi)始穩定所需時(shí)間。I、II、III類(lèi)電站性能等級為2~5s；IV類(lèi)電站性能等級為≤7s。如果頻率頻率穩定時(shí)間超時(shí)，應當進(jìn)行頻率調整或裝設自動(dòng)調頻調載裝置。自動(dòng)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(shí)際是通過(guò)步進(jìn)電機對原動(dòng)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(fā)電機法

      這種方法是在并聯(lián)運行的發(fā)電機組中選擇一臺作為“主調機”，當電網(wǎng)負荷變化而出現頻差時(shí)，由主調機組進(jìn)行頻率的二次調節，改變油門(mén)的開(kāi)度，使電網(wǎng)頻率維持穩定，該主調機還承擔電網(wǎng)負荷的變化量。而參與并聯(lián)的其他機組則總是帶固定的負荷，稱(chēng)為“基載機”。主調發(fā)電機法原理簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)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(shí)，調頻過(guò)程就會(huì )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(fā)電機組并聯(lián)運行來(lái)實(shí)現頻率穩定及負載分配的頻載調節方法。這種方法無(wú)自動(dòng)調頻調載裝置，無(wú)法進(jìn)行二次調節，各機組只由具有有差特性的調速器來(lái)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(dòng)轉移負荷。

3、主從控制法

      主從控制法是在并聯(lián)運行的發(fā)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(wǎng)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(shí)，其調節器輸出減速信號，通過(guò)主控機的調速伺服馬達調小原動(dòng)機的油門(mén)；反之，則加大油門(mén)，力圖維持系統頻率的穩定，有時(shí)也稱(chēng)其為Master，相應地其余的機組稱(chēng)為slaver，專(zhuān)門(mén)負責負荷分配，對頻率的變化則不過(guò)問(wèn)。

4、積差法

      積差調整法是按頻差△f對時(shí)間的積分△F=K ?Afdt來(lái)進(jìn)行調頻的，同時(shí)引入與各機組實(shí)際功率成正比的功率信號進(jìn)行比較來(lái)校正負荷分配。它的特點(diǎn)是調整結束時(shí)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(lián)的每一臺發(fā)電機上都裝設按頻差和功率分配差進(jìn)行調整的控制系統。在它們的控制下能經(jīng)常地保持電網(wǎng)的頻率為額定值，電力系統的負荷則按給定比例進(jìn)行分配。雖然每臺發(fā)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(huì )影響調整結果。這就是“虛有差”這一名稱(chēng)的含義。目前它在自動(dòng)調頻調載領(lǐng)域應用較為廣泛。

 

總結：

      除了以上調頻措施外，合理設計發(fā)電機組的負載特性也是提高瞬態(tài)頻率調整率的重要手段?？梢酝ㄟ^(guò)控制發(fā)電機組的電壓和頻率反饋環(huán)節，使其負載特性更加穩定。此外，還可以采用先進(jìn)的負載調節裝置，實(shí)時(shí)監測和調整發(fā)電機組的負載，以保持頻率的穩定性。柴油發(fā)電機組的瞬態(tài)頻率調整率是評估發(fā)電機組頻率穩定性的重要指標。通過(guò)優(yōu)化發(fā)電機組的機械質(zhì)量、調速系統和負載特性，可以提高瞬態(tài)頻率調整率，保證電網(wǎng)的穩定性和用戶(hù)的用電質(zhì)量。在未來(lái)的發(fā)電機組設計和運行中，瞬態(tài)頻率調整率應被更加重視，以滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的電力需求。

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