電動發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)無功功率分配不平衡分析

陳以通 傅強(qiáng)

摘 要：電動發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時(shí)，由于電動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的飛輪影響，導(dǎo)致系統(tǒng)的有功功率與無功功率在不斷波動，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的無功功率分配不平衡。

關(guān)鍵詞：飛輪;電動機(jī)：發(fā)電機(jī)

中圖分類號：TM31? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

為了滿足下游負(fù)荷260 V交流電源的要求，某系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用電動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)為下游負(fù)荷供電，為了實(shí)現(xiàn)電源的冗余要求，使用2臺電動發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，以防一列故障，繼續(xù)為下游負(fù)荷供電。同時(shí)為了滿足電動機(jī)上游電源短時(shí)失電1.2 s內(nèi)，能繼續(xù)保持輸出電壓不低于234 V，頻率不低于44 Hz，所以在電動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間增加一個(gè)飛輪，利用飛輪慣性實(shí)現(xiàn)上述1.2 s內(nèi)電壓與頻率的需求，這種并列運(yùn)行方式就導(dǎo)致系統(tǒng)帶載時(shí)出現(xiàn)無功功率分配不平衡的現(xiàn)象。該文通過對電動機(jī)、飛輪慣性、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁等各個(gè)系統(tǒng)部件進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)無功分配不平衡的原因。

1 電動發(fā)電機(jī)組簡介

電動發(fā)電機(jī)組主要由電動機(jī)、飛輪、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)和基座等部分組成，詳情如圖1所示。

2 電動發(fā)電機(jī)組無功分配不平衡描述

目前本電站共有4套RAM電動發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)，每套RAM電動發(fā)電機(jī)組中有2臺電動發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，為下游負(fù)荷供電。系統(tǒng)帶載過程中會出現(xiàn)無功和有功率波動的現(xiàn)象，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)單臺電動發(fā)電機(jī)組無功為負(fù)，發(fā)電機(jī)吸收無功的現(xiàn)象。以現(xiàn)場第一套與第二套電動發(fā)電機(jī)組為例，具體數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)上述記錄數(shù)據(jù)，第一套電動發(fā)電機(jī)組：電壓在259 V～260 V波動，有功功率在8 kW～13 kW波動，無功功率在7 kvar～17 kvar波動，視在功率在22 kVA～28 kVA波動;第二套電動發(fā)電機(jī)組：電壓在259 V～261 V波動，有功功率在9 kW～15 kW波動，無功功率在9 kvar～16 kvar波動，視在功率在25 kVA～26 kVA波動。

3 電動發(fā)電機(jī)組無功分配不平衡原因分析

3.1 發(fā)電機(jī)電壓波動分析

由于電動發(fā)電機(jī)組在發(fā)電機(jī)與電動機(jī)之間增加了一個(gè)大飛輪，目的是為了滿足電動機(jī)上游電源失電1.2s內(nèi)，電動機(jī)不脫網(wǎng)，可以繼續(xù)運(yùn)行。

飛輪產(chǎn)生的飛輪慣性會使電動的轉(zhuǎn)速在1 497 rpm～1 505 rpm波動，由于發(fā)電機(jī)的電壓，隨著轉(zhuǎn)速的變化，發(fā)電機(jī)頻率f也隨之變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電壓在259 V～261 V波動。

由于發(fā)電機(jī)的有功功率，詳情如圖2所示。

當(dāng)發(fā)電機(jī)繞組電壓E在變化時(shí)，發(fā)電機(jī)的輸出有功功率就會不斷地變化，當(dāng)發(fā)電機(jī)頻率增加時(shí)，有功功率增加，當(dāng)發(fā)電機(jī)頻率降低時(shí)，有功功率降低。

根據(jù)現(xiàn)場跟蹤數(shù)據(jù)可以看出，發(fā)電機(jī)的有功功率波動范圍在9 kW～15 kW。

3.2 發(fā)電機(jī)無功功率波動分析

3.2.1 無功功率產(chǎn)生原理

在發(fā)電系統(tǒng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，如果不進(jìn)行調(diào)速操作，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的有功功率保持恒定，這時(shí)增大勵(lì)磁電流，磁通Φ增加，由于，所以發(fā)電機(jī)繞組輸出電壓E將增大，而 E·sinδ必須為恒值，因?yàn)橛泄β什蛔儯鐖D3所示，則向量E的尖端只能在一條與恒定有功功率對應(yīng)的直線上移動。

由于勵(lì)磁電流Iex的增加，引起發(fā)電機(jī)電樞電壓E增加，引起E與UT之間的夾角δ（簡稱功角）減小，從而使E·sinδ保持不變，有功功率保持在恒定值。由于并網(wǎng)初期，發(fā)電機(jī)會從電網(wǎng)吸收一定的無功功率，（θ為UT與I的夾角），電流I超前系統(tǒng)電壓UT，所以無功功率為負(fù)，隨著勵(lì)磁電流Iex的增加，發(fā)電機(jī)輸出電流先減小后增加，使系統(tǒng)電壓UT超前電流I運(yùn)行，發(fā)電機(jī)將從電網(wǎng)吸收無功功率的過程，向電網(wǎng)發(fā)出無功功率的過程轉(zhuǎn)變，同時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出電流與無功功率也將繼續(xù)增加。因此增加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，就會使柴油發(fā)電機(jī)發(fā)出的無功功率增加。

3.2.2 帶飛輪的電動發(fā)電機(jī)組無功功率調(diào)節(jié)

帶飛輪的電動發(fā)電機(jī)組的無功功率調(diào)節(jié)與系統(tǒng)的勵(lì)磁電流有關(guān)，勵(lì)磁電流的變化取決于系統(tǒng)的無功需求以及系統(tǒng)電壓的變化。受飛輪慣性的影響，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)刻變化導(dǎo)致了發(fā)電機(jī)輸出電壓E在時(shí)刻變化，同時(shí)輸出電壓E變化，就會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)響應(yīng)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)輸出電壓調(diào)節(jié)。

3.3 并列運(yùn)行的電動發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行分析

電動發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行的簡圖如圖4所示。

由于電動發(fā)電機(jī)組沒有調(diào)速機(jī)構(gòu)，啟動并列運(yùn)行以后，有功功率是無法調(diào)節(jié)的，由于飛輪的影響，轉(zhuǎn)速會有微小的變化，所以有功功率分配會在2臺發(fā)電機(jī)上產(chǎn)生變化，原因在于電動機(jī)的頻率特性曲線非常硬，接近于一條直線，當(dāng)轉(zhuǎn)速有微小的變化，都會引起有功的不確定變化，如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)SET1由于上游電源的頻率波動（可能性較?。┗蛴捎赗AM電動機(jī)與發(fā)電機(jī)之間的飛輪的影響導(dǎo)致的頻率者波動，會使下游負(fù)荷在2臺發(fā)電機(jī)中重新進(jìn)行分配，總的有功功率由P總=PG1+PG2變?yōu)镻總=PG1+PG2，現(xiàn)場觀察可以發(fā)現(xiàn)，SET1與SET2電動發(fā)電機(jī)組頻率在不斷的變化，輸出電壓在波動，進(jìn)而導(dǎo)致有功功率分配不斷在變化。

為了更清晰地了解發(fā)電機(jī)無功分配原理，如圖6所示。

從圖6可知，如果SET1與SET2運(yùn)行在系統(tǒng)電壓為曲線1的特性時(shí)，2臺發(fā)電機(jī)組總共提供的無功為Q總=QG1+QG2，SET1發(fā)的無功較小，SET2發(fā)的無功較大，為了不改變系統(tǒng)運(yùn)行電壓，而改變系統(tǒng)的無功功率的分配，使SET1與SET2平分系統(tǒng)所需無功，需要將SET1的勵(lì)磁電流增大，使輸出電壓向上移動到曲線2的電壓，而降低SET2的勵(lì)磁電流，使輸出電壓下降至曲線2的電壓，即可實(shí)現(xiàn)，不改變系統(tǒng)電壓而實(shí)現(xiàn)無功功率的平均分配。

而現(xiàn)場運(yùn)行的實(shí)際工況與理想存在一定的差異，在RAM系統(tǒng)并列運(yùn)行時(shí)，由于系統(tǒng)的頻率在不斷變化，發(fā)電機(jī)組的輸出電壓在不斷地變化，致使2臺電動發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)不斷地進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以，系統(tǒng)的無功功率在不斷地變化，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)的無功功率時(shí)而分配平衡，時(shí)而分配不平衡，有時(shí)單臺機(jī)組可能會吸收無功，而不是在發(fā)無功。

4 結(jié)論

綜上所述，RAM系統(tǒng)無功功率分配不平衡主要是由于系統(tǒng)的頻率受飛輪的影響不斷波動，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電壓波動，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)該波動現(xiàn)象，對發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致電動發(fā)電機(jī)組無功功率分配不平衡。

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