新聞主題	發(fā)電機(jī)功率/頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性

發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中為保證機(jī)端電壓水平，都裝設(shè)了自動勵磁調(diào)節(jié)裝置。為保證系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi)，系統(tǒng)有功功率必須隨時處于平衡狀態(tài)，注意到系統(tǒng)負(fù)荷變化是隨機(jī)的，所以必須隨時調(diào)整發(fā)電機(jī)的有功功率出力，即增加或減少進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的動力元素。因此，運(yùn)行發(fā)電機(jī)上必須裝設(shè)根據(jù)頻率（轉(zhuǎn)速）變化自動調(diào)整動力元素進(jìn)入量的自動裝置。在柴油發(fā)電機(jī)組上，這種進(jìn)汽量的自動調(diào)整是由調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)的，簡稱調(diào)速器。發(fā)電機(jī)調(diào)速器通常分為機(jī)械液壓調(diào)速器和電氣液壓調(diào)速器（簡稱電液調(diào)速器）兩類，如按其控制規(guī)律來劃分，又可分為比例一積分（PI）調(diào)速器和比例一積分-微分（PID）調(diào)速器等。

早期用的調(diào)速器是機(jī)械型的，用一只離心飛擺直接控制進(jìn)汽閥，這種型式的調(diào)速器至今還用于柴油發(fā)電機(jī)上。機(jī)械液壓型調(diào)速器是后來發(fā)展起來的，至20世紀(jì)30年代已相當(dāng)完善。但機(jī)械液壓型調(diào)速器死區(qū)較大，動態(tài)性能指標(biāo)較差，難于綜合其他信號參與調(diào)節(jié)。于是發(fā)展了電液型調(diào)速器，現(xiàn)代幾乎全部采用電液型調(diào)速器。按控制部分電子器件的不同，電液型調(diào)速器又分為模擬式電液調(diào)速器與數(shù)字式電液調(diào)速器。在大型柴油發(fā)電機(jī)組上，廣泛采用.數(shù)字式功率一頻率電液調(diào)速控制系統(tǒng)，簡稱DEH或數(shù)字電調(diào)。

一、功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)組在調(diào)整出力維持系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi)的同時，應(yīng)使電網(wǎng)處在最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行狀態(tài)，即按經(jīng)濟(jì)原則在電廠和機(jī)組間分配有功負(fù)荷。

1．功頻電液調(diào)速系統(tǒng)的組成

圖1示出了簡化的功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng)原理圖，主要由轉(zhuǎn)速測量、功率測量及其給定環(huán)節(jié)、頻差放大器、PID環(huán)節(jié)、功率放大、電液轉(zhuǎn)換器、高壓和中壓油動機(jī)等部件構(gòu)成。轉(zhuǎn)速測量元件的輸出電壓與柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速n_G（單位為r／s）成正比，在穩(wěn)定狀態(tài)下，電網(wǎng)頻率f與轉(zhuǎn)速n_G成正比，f＝pn（p為極對數(shù)，p＝1），U_n與f成正比。于是有

U_n=m_nn_G                                                          (7-13)

式中 m_n——轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換系數(shù)，Vs／r。

為穩(wěn)定柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速測量在功頻電調(diào)系統(tǒng)中處負(fù)反饋工作狀態(tài)。

圖1 發(fā)電機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)原理圖

功率測量元件的輸出電壓U_p與發(fā)電機(jī)的輸出功率Pc（單位為MW）成正比，即

U_p=m_pP_G                                                       (7-14)

式中 m_p——功率轉(zhuǎn)換系數(shù)，V／MW。

同樣，為穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出功率，功率測量在功頻電調(diào)系統(tǒng)中處負(fù)反饋工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)速誤差信號Δn、功率誤差信號ΔP經(jīng)PID（比例、積分、微分）運(yùn)算后，再經(jīng)功率放大，送入電液轉(zhuǎn)換器。電液轉(zhuǎn)換器將電控制信號轉(zhuǎn)換為液壓控制信號，通過油動機(jī)調(diào)整高壓、中壓進(jìn)汽閥（主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥），調(diào)整進(jìn)汽量，實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的功率頻率調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)負(fù)荷增加時，柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，因此時發(fā)電機(jī)實發(fā)功率尚未變化，即功率測量元件輸出變化量為零，所以正比于轉(zhuǎn)速差Δn＝n－n_N（n_N為額定轉(zhuǎn)速）的信號U_Δn輸入PID調(diào)節(jié)器，U_Δn代表當(dāng)時要求柴油機(jī)功率增大的數(shù)值。U_Δn經(jīng)PID、功率放大、電液轉(zhuǎn)換器后，經(jīng)油動機(jī)開大進(jìn)汽量閥門，使柴油機(jī)實發(fā)功率增大，最終使發(fā)電機(jī)增加的功率與系統(tǒng)負(fù)荷增加的功率相平衡。柴油機(jī)進(jìn)汽量增加后，功率測量元件檢測到這一功率的變化值，同樣通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)，直到功頻電調(diào)系統(tǒng)處在新的平衡狀態(tài)?？梢姡?dāng)功頻電調(diào)系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)時，功率測量元件輸出電壓U_p的變化完全抵消了轉(zhuǎn)速測量元件輸出電壓Un的變化。

當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷減少時，柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，功頻電調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程與上述相反。功頻電調(diào)系統(tǒng)除轉(zhuǎn)速控制、功率控制功能外，另外還有超速保護(hù)控制、超速跳閘、主蒸汽壓力控制、發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)、柴油機(jī)自啟功、汽閥管理等輔助功能，通過DEH系統(tǒng)的CRT還能顯示運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)參數(shù)。在大型發(fā)電廠中，普遍采用了分散控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）對整個電廠進(jìn)行監(jiān)控，DCS系統(tǒng)通過DEH系統(tǒng)提供的接口，可對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行完全的控制，當(dāng)然DCS系統(tǒng)同時實現(xiàn)對機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視。

2．功頻電調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性

功頻電調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性是在穩(wěn)定狀態(tài)下柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速nc（或f）與發(fā)電機(jī)有功功率P的關(guān)系曲線。

設(shè)電網(wǎng)處在頻率f下運(yùn)行，此時柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速為n_G，功率為P_G，功率測量元件的輸出電壓為U_p、轉(zhuǎn)速測量元件的輸出電壓為U_n，由式（7-13）、式（7-14）有

ΔU_n=m_n(n_ret－n_G)=m_nΔn(V)                              (7-15)

 ΔU_p=m_p(P_ret－P_G)=m_pΔP(V)                             (7-16)

式中 n_ret、P_ret——分別為給定轉(zhuǎn)速和給定功率。

設(shè)頻差放大器輸出電壓正比于Δf／R，即

 

式中 m_f——轉(zhuǎn)換系數(shù)，V／MW；

R——調(diào)差系數(shù)，Hz／MW。

由圖7-8可知，將ΔU_p、ΔU_f兩信號之和給PID調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加或減少時，引起柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，功頻電調(diào)系統(tǒng)作用的結(jié)果使發(fā)電機(jī)輸出功率發(fā)生變化，最終達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。因為PID調(diào)節(jié)器具有積分特點(diǎn)，故在給定值不變情況下，穩(wěn)定狀態(tài)有

ΔU_f+ΔU_p=0                                  (7-18)

式（7-18）說明，功頻電調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)束后，在新的穩(wěn)定狀態(tài)下，功率測量元件的輸出電壓變化量ΔU_p與轉(zhuǎn)速測量元件經(jīng)頻差放大器的輸出電壓變化量ΔU_f正好完全抵消。

將式（7-16）、式（7-17）代入式（7-18）得

 

m_p和m_f取相同值，得到調(diào)節(jié)特性方程為

 

可見式（7-20）即為式（7-8）。

當(dāng)采用標(biāo)幺值表示時，將ΔP_*＝ΔP／P_N、Δf_*＝Δf／f_N，R_*＝R×P_N／f_N，代入式（7-20）得

 

式中 R_* ——發(fā)電機(jī)調(diào)差系數(shù)。

可見式（7-21）即為式（7-9）。

式（7-20）、式（7-21）即是功頻電調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性。當(dāng)機(jī)組有功功率增加即ΔP＞0時，由式（7-20）得Δf＜0，即發(fā)電機(jī)頻率（轉(zhuǎn)速）下降。靜態(tài)特性參見圖7-4，是一條下傾的斜線，斜率為調(diào)差系數(shù)R，一般為4％～6％，可在頻差放大器中設(shè)置。

3．功頻電調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行

按發(fā)電機(jī)組是否并入網(wǎng)兩種情況來討論調(diào)速系統(tǒng)的工作。

（1）發(fā)電機(jī)組未并網(wǎng)時。圖7-8中的功率測量值及功率給定值信號均為零。運(yùn)行人員操作增速或減速按鈕，控制電動轉(zhuǎn)速給定電位器，改變轉(zhuǎn)速給定值n的電壓。轉(zhuǎn)速／電壓變送器輸出電壓與機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速n_G相對應(yīng)?？梢婋妷旱牟钪蹬c（n_ref－n_G）成正比，即式（7-15）。根據(jù)偏差ΔU_n，由電液轉(zhuǎn)換器去控制調(diào)節(jié)汽閥的開度，改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使Δn值趨于零、轉(zhuǎn)速n_G趨于給定轉(zhuǎn)速n_ref為止，即達(dá)到調(diào)速目的。

（2）機(jī)組在并網(wǎng)情況下運(yùn)行時。假設(shè)電網(wǎng)頻率恒定且為額定值，頻差放大器輸出的f信號為零，同樣理由，如果改變功率設(shè)定值P_ref電壓，功率測量值P_G與P_ref之差值信號見式（7-16）。通過PID等環(huán)節(jié)作用，將使對應(yīng)差值電壓ΔU_p為零，即發(fā)電機(jī)功率P_G與給定值P_ref相等，達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組輸出功率（二次調(diào)整）目的。

若考慮電網(wǎng)頻率波動，機(jī)組在并網(wǎng)運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速給定值n_ref和功率給定值P_ref為某一定值不變。調(diào)速器工作隨輸入PID的兩個信號之和ΔU_f＋ΔU_p調(diào)節(jié)汽閥開度，改變機(jī)組的輸出功率，即由式（7-20）或式（7-21）實現(xiàn)一次調(diào)頻。

功頻電調(diào)機(jī)組一次調(diào)頻的結(jié)果，當(dāng)有功功率變化量ΔP較大時，系統(tǒng)頻率仍然偏離額定值較多。為使系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi)，應(yīng)自動平移f＝f（P）靜態(tài)特性曲線。這種自動平移功頻電調(diào)機(jī)組靜態(tài)特性曲線使系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi)的做法，稱為功頻電調(diào)機(jī)組的二次調(diào)頻。

二、數(shù)字式電液調(diào)速器

目前數(shù)字式電液調(diào)速器已在發(fā)電機(jī)組上廣泛應(yīng)用，其基本框圖如圖2所示。它與模擬式電液調(diào)速器的主要區(qū)別是控制電路部分的功能用微機(jī)來實現(xiàn)。由圖7-9可見，主機(jī)與控制對象發(fā)電機(jī)組（包括原動機(jī)）間輸出、輸入過程通道和模擬式電液調(diào)速器是相同的，如電／液轉(zhuǎn)換、液壓伺服系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)速和功率傳感器等。它們由D／A或A／D轉(zhuǎn)換電路與主機(jī)接口交換信息。

 

發(fā)電機(jī)數(shù)字式電液調(diào)速器基本框圖

調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制規(guī)律由計算機(jī)實現(xiàn)，首先要建立數(shù)學(xué)模型以及制訂運(yùn)行中的控制原則，然后用軟件編程實現(xiàn)其控制規(guī)律。也就是主機(jī)根據(jù)采集到的實時信息，按預(yù)先確定的控制規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)量計算，計算結(jié)果經(jīng)D／A輸出去控制電／液轉(zhuǎn)換，再由液壓伺服系統(tǒng)控制原動機(jī)的輸入功率，完成調(diào)速或調(diào)節(jié)功率的任務(wù)。

數(shù)字式電液調(diào)速器用了CPU主機(jī)后，可以充分發(fā)揮計算機(jī)高速運(yùn)算和邏輯判斷優(yōu)勢，除了完成調(diào)速和負(fù)載控制功能外，還可實現(xiàn)機(jī)組自啟動控制功能；在接近額定轉(zhuǎn)速時，可使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤電網(wǎng)頻率快速同期并列等功能；如果是柴油機(jī)，在啟動過程還附有熱應(yīng)力管理功能等，從而極大地提高了電廠自動化程度。

柴油發(fā)電機(jī)組的功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng)，由機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)電氣液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)、模擬式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，發(fā)展到目前的數(shù)字式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其性能不斷提高，功能也不斷強(qiáng)大，可靠性和靈敏性也不斷提高。數(shù)字式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)在大型柴油發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用相當(dāng)普遍，不過其他調(diào)節(jié)系統(tǒng)因仍能滿足運(yùn)行機(jī)組基本要求，所以并未完全退役。

 

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