非線性負(fù)載下發(fā)電機(jī)數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)研究和應(yīng)用

李 逸，張茂玲，姚立元，甘佐軍

(鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

非線性負(fù)載下發(fā)電機(jī)數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)研究和應(yīng)用

李 逸，張茂玲，姚立元，甘佐軍

(鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代發(fā)電設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

針對(duì)傳統(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)存在發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載時(shí)發(fā)生電壓采集信號(hào)失真和不穩(wěn)定等問(wèn)題，提出數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)勵(lì)磁系統(tǒng)的方法。該方法主要在發(fā)電機(jī)內(nèi)增加數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行所需的電子元件，以及相關(guān)的勵(lì)磁模塊的系統(tǒng)安裝板。數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)既可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，又可以根據(jù)負(fù)載變化作出快速的響應(yīng)。實(shí)例驗(yàn)證了該方案可以讓系統(tǒng)更加可靠運(yùn)行，性能明顯提升，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

非線性負(fù)載；柴油發(fā)電機(jī)；數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)

0 引言

傳統(tǒng)的勵(lì)磁系統(tǒng)雖然能滿足一般需求，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便宜實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，但在大量非線性負(fù)載下運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響。因此，為了提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，本文采用數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的勵(lì)磁系統(tǒng)。

1 數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)和模擬式勵(lì)磁系統(tǒng)的比較

傳統(tǒng)的船用發(fā)電機(jī)勵(lì)磁方式主要有端電壓勵(lì)磁、相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁等，均為模擬式勵(lì)磁。模擬式勵(lì)磁能夠滿足線性負(fù)載的正常使用，具有高可靠性，高保障性等優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)壓模塊失效的情況下其他部分仍然能夠正常運(yùn)行，保證發(fā)電機(jī)非精細(xì)化持續(xù)供電。但是模擬式勵(lì)磁方式已不能滿足海工裝備的使用條件，主要表現(xiàn)為不能適應(yīng)非線性負(fù)載，在發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載時(shí)發(fā)生電壓采集信號(hào)失真和不穩(wěn)定等現(xiàn)象。而高實(shí)時(shí)性的數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)極大地提高了勵(lì)磁控制系統(tǒng)的靈活性，還能根據(jù)非線性負(fù)載的變化作出很快的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

2 非線性負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)的影響

非線性負(fù)載在實(shí)際使用中會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生影響，例如某船廠生產(chǎn)的系列自卸船，由于該船型使用了皮帶廊等大功率需要變速的設(shè)備，故船上有大量的變頻負(fù)載。

2.1 主要設(shè)備情況

柴油發(fā)電機(jī)組及變頻器主要參數(shù)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 柴油發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

表2 變頻器主要參數(shù)

2.2 貨船存在的問(wèn)題

在實(shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中，該系列卸貨船存在的問(wèn)題有：

(1)由于1號(hào)船已經(jīng)交付運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在卸貨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組之間有功功率分配穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)要求；而無(wú)功功率分配不穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)組功率因數(shù)表在全刻度范圍內(nèi)波動(dòng)，表明發(fā)電機(jī)組無(wú)功功率在全感性到全容性之間劇烈變化，極端情況下會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組跳閘。

經(jīng)實(shí)船檢查，柴油發(fā)電機(jī)組DG1和DG2的 AVR電壓下垂特性設(shè)置低于0.5%，DG3的大于4.8%，且DG3的很難調(diào)整，不符合關(guān)于柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)調(diào)壓率小于2.5%的要求(在額定功率因數(shù)0.8和額定負(fù)載下)。

(2)在卸貨工況下，DG1和DG2在網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行且卸貨系統(tǒng)總負(fù)載1 200 kW時(shí)，此時(shí)所測(cè)得的主配電板匯流排電壓THD(諧波畸變率)最大為6.7%；當(dāng)2臺(tái)壓載泵投入運(yùn)行時(shí)，主配電板匯流排電壓THD最大為5.8%，該THD值符合LR(勞氏船級(jí)社)要求。但船東認(rèn)為，該電壓THD值過(guò)高，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)AVR在采樣畸變電壓時(shí)出現(xiàn)采樣和計(jì)算錯(cuò)誤，因此要求將THD控制到5%(GB/T 14549-93要求)以下，以保證船上所有電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

(3)根據(jù)1號(hào)船出現(xiàn)的問(wèn)題，船廠對(duì)2號(hào)船進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，單臺(tái)柴油機(jī)組在網(wǎng)時(shí)，隨著變頻驅(qū)動(dòng)負(fù)載逐步增加，DG1和DG2端電壓出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，而DG3端電壓則下降。

3 分析問(wèn)題及解決方案

自卸貨系統(tǒng)接帶大量非線性負(fù)載時(shí)，自卸貨系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波對(duì)AVR影響比較明顯，從而擾亂了AVR電壓下垂特性，使發(fā)電機(jī)無(wú)功補(bǔ)償線不一致產(chǎn)生較大偏差。可見(jiàn)傳統(tǒng)的模擬勵(lì)磁方式在供電系統(tǒng)中有大量非線性負(fù)載時(shí)，由于系統(tǒng)中高次諧波含量大，導(dǎo)致模擬式勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)法捕捉正?；鶞?zhǔn)值，引起電路工作不穩(wěn)定，無(wú)法維持發(fā)電機(jī)電壓正常工作。因現(xiàn)場(chǎng)條件決定該船無(wú)法改裝變頻器等設(shè)備,同時(shí)也沒(méi)有條件立刻采用多脈沖整流技術(shù)增加移相變壓器等設(shè)備來(lái)抑制諧波,所以在2號(hào)船使用數(shù)字式勵(lì)磁模塊替換原有的模擬式勵(lì)磁系統(tǒng)，以保證在沒(méi)有增加其他降低諧波的設(shè)備下發(fā)電機(jī)能夠正常工作。經(jīng)調(diào)查分析對(duì)比, UN1000系列產(chǎn)品THD在20%以下時(shí)可以正常工作滿足調(diào)壓精度及并網(wǎng)并車(chē)的穩(wěn)定工作，因此最終選用UN1010數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)。該勵(lì)磁系統(tǒng)具有以下系統(tǒng)功能 ：

(1)提供具備短時(shí)過(guò)載能力的可變直流電流。

(2)控制發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓在一定的精度內(nèi) (±0.2%)。

(3)確保并網(wǎng)或并車(chē)的穩(wěn)定工作。

(4)保證機(jī)器在允許的操作范圍內(nèi)瞬態(tài)能力。

(5)與控制系統(tǒng)建立通訊。

該船在沒(méi)有增加其他設(shè)備的情況下完成了改造，主要是在發(fā)電機(jī)內(nèi)增加了數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行所需要的電氣元件，以及相關(guān)的勵(lì)磁系統(tǒng)模塊UN1010的系統(tǒng)安裝板。

4 測(cè)試結(jié)果

數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)更換完成后，船廠對(duì)該船重新進(jìn)行了試驗(yàn)。本次諧波測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 諧波測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述測(cè)試結(jié)果分析，可以得出結(jié)論與建議如下：

(1)在本次測(cè)試中，各測(cè)試項(xiàng)目的系統(tǒng)電壓THD均小于8%。

(2)柴油發(fā)電機(jī)組在拆除原有模擬式勵(lì)磁系統(tǒng)并更換為另一種ABB UNITROL 1010數(shù)字勵(lì)磁系統(tǒng)后，大幅降低了諧波對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的干擾，使得柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)壓性能及并聯(lián)機(jī)組無(wú)功功率分配更加穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期目的。

(3)數(shù)字式勵(lì)磁系統(tǒng)無(wú)論是在比較極端的THD20%的情況下還是在相對(duì)較小的THD 6%的情況下，UN1000系列產(chǎn)品都可以正常工作。

由此可見(jiàn)在船用供電系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)的諧波較大(THD大于5%)時(shí)，對(duì)于發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要慎重選擇，實(shí)時(shí)采集運(yùn)行的數(shù)字化勵(lì)磁系統(tǒng)極大地提高勵(lì)磁系統(tǒng)的控制靈活性。解決非線性負(fù)載、容性負(fù)載等非普通對(duì)稱(chēng)負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)的反饋影響，更容易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

[1] 林海雪.從IEC電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)看電網(wǎng)諧波國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[J].電網(wǎng)技術(shù)，1999，(5)：60-61.

[2] 張凱.變頻器運(yùn)行中諧波的危害及治理方法[J].黃金科學(xué)技術(shù)，2008,(16)：58-59.

2013-09-10

李逸(1981-)，男，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹白詣?dòng)控制；張茂玲(1967-)，女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹白詣?dòng)控制；姚立元(1964-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹白詣?dòng)控制；甘佐軍(1960-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹白詣?dòng)控制。

U665.11

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