發(fā)電機(jī)組非線性負(fù)載理論分析及應(yīng)對措施

周偉強(qiáng)

摘 要：隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及和移動網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋，UPS和開關(guān)電源已經(jīng)成為發(fā)電機(jī)組的常態(tài)負(fù)載；工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中大量使用SCR可控硅（或IGBT）及變頻電動機(jī)。這樣類型的非線性負(fù)載無疑對發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)者、標(biāo)準(zhǔn)制定者和工程師提出了新的挑戰(zhàn)，全世界的發(fā)電機(jī)組制造商按照純電阻電抗平衡的正弦波負(fù)載測試發(fā)電機(jī)組，而多數(shù)用戶的實(shí)際負(fù)載卻是諧波畸變的非線性負(fù)載。所以對于制造商和用戶來說，了解非線性負(fù)載對發(fā)電機(jī)組工況的影響非常必要。本文將分析這類典型的非線性負(fù)載及其產(chǎn)生的原因、影響和問題，最后提出可行的解決方案。

關(guān)鍵詞：同步發(fā)電機(jī)；非線性負(fù)載；波形畸變率；超瞬態(tài)電抗

1 負(fù)載分析

最常見的非線性負(fù)載類型是UPS、開關(guān)電源以及SCR（可控硅）電動機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)。而純電阻負(fù)載被定義為線性負(fù)載，其電壓和電流都是完全的正弦波形。UPS和開關(guān)電源系統(tǒng)包括整流器、充電器、電池和轉(zhuǎn)換開關(guān)組成，當(dāng)電網(wǎng)供電時(shí)，整流器、充電器將電網(wǎng)電源轉(zhuǎn)換成直流電源，供電給負(fù)載和電池。電池在全時(shí)間內(nèi)并聯(lián)在電網(wǎng)。如果電網(wǎng)失效，電池將維持負(fù)載的電源不間斷，同時(shí)備用發(fā)電機(jī)組啟動用于維持這個(gè)系統(tǒng)，這時(shí)發(fā)電機(jī)組的負(fù)載是一個(gè)整流電池充電器。SCR可控硅電動機(jī)驅(qū)動裝置有多種運(yùn)用場合，一些最經(jīng)常的應(yīng)用范圍如下：交流變頻負(fù)載、各種泵、風(fēng)扇直流馬達(dá)、電梯、吊機(jī)、印刷機(jī)等。以上這些負(fù)載中重要的功率器件：可控硅和功率管，均工作在非線性的開關(guān)狀態(tài)下（通、斷），這就是負(fù)載回路產(chǎn)生大量諧波的主要原因?？煽毓桦妱訖C(jī)負(fù)載既有偶爾啟動的備用負(fù)載，也有一直運(yùn)行的常用負(fù)載，發(fā)電機(jī)組必須適應(yīng)這些應(yīng)用。因?yàn)镾CR可控硅負(fù)載本身固有特性會產(chǎn)生諧波電流，這將導(dǎo)致電壓的諧波和畸變，直接導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、調(diào)壓器（AVR）系統(tǒng)的問題。包括SCR可控硅的控制及啟動回路、儀器，電調(diào)和其他連接的負(fù)載，都可能產(chǎn)生問題。這些問題會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組到負(fù)載的供電回路因?yàn)閲?yán)重諧波產(chǎn)生振蕩，這時(shí)發(fā)電機(jī)組的供電將會失效。

同電網(wǎng)比較，發(fā)電機(jī)組是一個(gè)高電抗源。發(fā)電機(jī)組的電抗和供電線路的寄生電抗，抑制了大功率開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)需要的大電流。這些結(jié)果能導(dǎo)致電壓波形的急劇下降，隨著電壓的下降，會產(chǎn)生回路共振頻率引起的振蕩。這些將產(chǎn)生電壓波形的嚴(yán)重畸變并導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無法正常供電。

功率開關(guān)器件組成的變換器（AC/DC、DC/DC、DC/AC）被設(shè)計(jì)成許多應(yīng)用，有許多的類型的功率變換器參考指導(dǎo)文獻(xiàn)。根據(jù)大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器的原理，其諧波電流的量級與諧波次數(shù)成反比。

整流器可能是3相、6相和12相回路。6相和12相回路更普及，但電池充電器通常采用3相整流。3相回路理論上的總諧波畸變率是66%，6相回路是30%，12相是15%。實(shí)際的諧波畸變率因?yàn)榫€路阻抗而減少。功率變換器的電壓諧波會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組的多種問題。功率器件關(guān)斷瞬變電壓會非常高，并形成前半波陡降。如果沒有有效的吸收電路，在SCR可控硅負(fù)載端的瞬態(tài)峰值電壓能超過兩倍發(fā)電機(jī)組額定電壓的峰值。這些峰值電壓加大了發(fā)電機(jī)定子絕緣要求，并可能導(dǎo)致絕緣失效。如果表面電氣間距正好在臨界值，電壓的峰值還可能在銅排和其他部件間造成電弧。

任何接在發(fā)電機(jī)端的非線性負(fù)載可能與供電回路內(nèi)的瞬變電壓產(chǎn)生相互干擾，這些瞬變電壓能導(dǎo)致非線性負(fù)載中功率器件啟動回路變得不穩(wěn)定。如果還有有并聯(lián)的非線性設(shè)備，沒有隔離，這些瞬態(tài)變量可能傳輸?shù)讲⒙?lián)著的另一臺非線性設(shè)備。精密儀表設(shè)備及其保護(hù)裝置也會被瞬態(tài)電壓干擾。有可能造成：過電壓，過頻率，失步，設(shè)備關(guān)斷等等，在這樣的情況下，設(shè)備電源輸入端必須有電源濾波器。電壓諧波還可能影響功率器件的控制端。無論是PWM控制還是SCR可控硅控制端，它們對諧波都很敏感。

而對整個(gè)系統(tǒng)影響最大的，莫過于諧波對發(fā)電機(jī)調(diào)壓器（AVR）的影響。如果有調(diào)壓器（AVR）問題，對發(fā)電機(jī)的影響通常是欠勵(lì)或過勵(lì)，表現(xiàn)的結(jié)果是欠電壓或過電壓。過勵(lì)磁導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子過熱，欠勵(lì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)保護(hù)機(jī)構(gòu)動作。在這樣的情況下，發(fā)電機(jī)組根本無法正常供電，所以發(fā)電機(jī)里必須有另外一個(gè)永磁機(jī)給調(diào)壓器（AVR）提供與主供電回路隔離的電源（如圖1所示）。

發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)的諧波電流將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定子或轉(zhuǎn)子過熱。真有效值電流會因諧波電流而增加，定子繞組銅損耗將增加，由諧波電流在定轉(zhuǎn)子和氣隙產(chǎn)生的磁通將增加磁拉力，定子里的諧波磁通產(chǎn)生附加的鐵損。在穩(wěn)定狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子同步于定子磁場，轉(zhuǎn)子內(nèi)不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓和渦流。諧波磁通以N倍的基波速度旋轉(zhuǎn)，但他們中的部分向后轉(zhuǎn)。諧波磁通在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生脈振磁通，因?yàn)?次諧波是以反方向旋轉(zhuǎn)的。由于存在脈振磁通，渦輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)可能在部分區(qū)域出現(xiàn)渦流。渦流能產(chǎn)生嚴(yán)重的局部過熱，并導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)子溫升過高。凸極發(fā)電機(jī)使用沖片轉(zhuǎn)子，帶有阻尼繞組。脈振磁通能在阻尼繞組中感應(yīng)出電流，阻尼繞組有助于在轉(zhuǎn)子極表面形成防護(hù)，片狀的轉(zhuǎn)子能減少渦流損耗，有助于防止轉(zhuǎn)子過熱。阻尼繞組必須具備消除脈振磁通產(chǎn)生的損耗的能力。

如果采用PMG永磁發(fā)電機(jī)給AVR供電后仍然存在問題，就需要了解超瞬態(tài)電抗和最差條件下的電壓降。電抗值能夠很容易的被確定，電抗是關(guān)于容量、電壓和頻率的函數(shù)，并根據(jù)負(fù)載要求，根據(jù)廠家發(fā)布的數(shù)據(jù)調(diào)整。瞬態(tài)電壓下降是難以精確計(jì)算的，以目前的能力，我們的行業(yè)目前還沒有很好的定義方法。只有兩種美國標(biāo)準(zhǔn)的方法定義電壓降，即NEMA MG1和MIL-STD-705B 619.2B，這兩種方法是完全相同的，都是用來測量峰峰值。兩種方法都針對正弦波，不測量畸變波形。電壓的畸變波形和瞬態(tài)時(shí)間將產(chǎn)生電壓下降量的變化。標(biāo)準(zhǔn)的測試程序是用3次瞬態(tài)負(fù)載測量的平均值確定電壓下降量。當(dāng)確定電壓下降量時(shí)，采用真有效值檢測方法的儀器能夠提高測量精度。所以發(fā)電機(jī)應(yīng)采用使用3相真有效值檢測的調(diào)壓器（AVR）。

2 選型要求

為獲得滿意的運(yùn)行效果，同步發(fā)電機(jī)帶非線性負(fù)載時(shí)建議按以下要求選型：

（1）12相UPS備用負(fù)載： 當(dāng)非線性負(fù)載相對于發(fā)電機(jī)組備用功率較?。ㄐ∮诘扔?5%）可以選擇標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)電機(jī)和電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。當(dāng)非線性負(fù)載相對于發(fā)電機(jī)組備用功率較大（25%～100%），選用發(fā)電機(jī)的F級溫升功率，并升級電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。如果是全部UPS負(fù)載，應(yīng)確定超瞬態(tài)電抗值，聯(lián)系UPS供應(yīng)商，建議選用合適的電抗值，并獲得供應(yīng)商的核準(zhǔn)。

（2）6相UPS備用負(fù)載：選用80度溫升（B級）發(fā)電機(jī)并升級電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。確定合適的超瞬態(tài)電抗值，比較規(guī)格書和UPS供應(yīng)商要求，如果超瞬態(tài)電抗不滿足要求，選用12%的電抗值的發(fā)電機(jī)。

（3）變頻負(fù)載：選用超瞬態(tài)電抗小于12%的發(fā)電機(jī)，升級調(diào)節(jié)器系統(tǒng)。

（4）持續(xù)運(yùn)行的非線性負(fù)載：吊機(jī)、電感應(yīng)加熱器、整流系統(tǒng)等等。選用80度溫升的發(fā)電機(jī)，根據(jù)負(fù)載的功率因數(shù)要求，選擇合適的發(fā)電機(jī)容量。按要求選用合適超瞬態(tài)電抗值的發(fā)電機(jī)，該超瞬態(tài)電抗值盡可能在8%～15%內(nèi)。根據(jù)規(guī)格書確定合適的電壓下降量的發(fā)電機(jī)，通常在最壞條件下電壓下降量可能在8%～10%。加強(qiáng)定子繞組的絕緣強(qiáng)度，滿足持續(xù)瞬變的要求。增加主定子繞組的機(jī)械支撐以加強(qiáng)繞組強(qiáng)度。增大帶電部分與殼體間的距離，防止電壓瞬變時(shí)拉弧應(yīng)升級電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。

（5）電壓調(diào)節(jié)器（AVR）：使用PMG作為電源，使用非SCR的調(diào)節(jié)器，如果有有隔離變壓器效果會更好。

（6）和非線性設(shè)備供應(yīng)商協(xié)商，按他們的推薦和要求放大發(fā)電機(jī)的容量。他們會提供負(fù)載的功率因數(shù)、最大電壓降，超瞬態(tài)電壓值的要求及負(fù)載情況等。

總的來說，當(dāng)整流電路開關(guān)通路時(shí)，整流設(shè)備的啟動電路必須設(shè)計(jì)成能承受較大的輸出電壓下降。還取決于供電回路的阻抗，這些回路應(yīng)能承受過零電壓。由于這些存在的不穩(wěn)定負(fù)載，應(yīng)該在啟動回路中裝一個(gè)合適的電源濾波器。整流回路還與發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)有關(guān)，如果AVR的電源隔絕于主定子繞組回路，將會獲得最好的電品質(zhì)。這將防止AVR控制系統(tǒng)中的可控硅和負(fù)載整流系統(tǒng)的相互影響。由主軸驅(qū)動提供恒定功率的永磁機(jī)能夠作為電源輸出給合適阻抗的勵(lì)磁機(jī)并保持穩(wěn)定。并且采用真平均值或真有效值檢測的AVR，被外部負(fù)載的影響最小，從而保持發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)能力。整個(gè)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)由三個(gè)不同的閉環(huán)回路組成：電壓控制，速度控制和負(fù)載控制。如果在回路之間發(fā)生了相互影響和干擾就不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。而非線性負(fù)載最容易引起這樣的干擾。系統(tǒng)穩(wěn)定性最好的體現(xiàn)，就是不能太嚴(yán)格的規(guī)定電壓、速度和負(fù)載控制的性能，但是這樣做似乎又和一些嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)矛盾。設(shè)置更寬的范圍，整個(gè)系統(tǒng)就能獲得更穩(wěn)定的效果。

3 發(fā)電機(jī)端電壓的波形畸變量計(jì)算

通常情況下，也可以按以下公式，根據(jù)實(shí)際負(fù)載電流的波形畸變率和發(fā)電機(jī)超瞬態(tài)電抗的標(biāo)幺值來計(jì)算發(fā)電機(jī)端電壓的波形畸變量。

超瞬態(tài)電抗與諧波電流及電壓波形畸變率的關(guān)系：

其中，THVDL=總的線電壓波形畸變率

X”d = 超瞬態(tài)電抗

Vn =額定電壓

Vl =實(shí)際電壓

Sl = 實(shí)際容量

Sn= 額定容量

n=諧波次數(shù)

Ihn = 對應(yīng)次數(shù)的電流百分比

當(dāng)負(fù)載確定后，總的諧波電流畸變率能由整流負(fù)載制造商提供。他們通常有不同階的總諧波電流畸變率（THCD）。按照定義，電抗值與頻率相關(guān)（XL=2πfL）。由于X”d的值是基于工頻的，而諧波電流必須通過不同的頻率計(jì)算。已知諧波電流和相對應(yīng)的電抗，可以通過歐姆定律估算電壓的畸變量。

有多種方法可以減少發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)電抗，最簡單的方法是增大發(fā)電機(jī)的容量。如果要將超瞬態(tài)電抗值減半，就意味著將發(fā)電機(jī)的容量增大為原來的兩倍。另外一個(gè)方法是增大阻尼繞組。使用改變節(jié)距的方法無助于降低Xd”， 只能改善發(fā)電機(jī)的飽和程度。在發(fā)電機(jī)選型時(shí)，必須明確負(fù)載的性質(zhì)，讓負(fù)載設(shè)備供應(yīng)商給出畸變負(fù)載電流的諧波頻譜和對應(yīng)的畸變量。給定設(shè)備的電壓畸變可承受程度，如果招標(biāo)人或用戶沒有明確的電壓畸變率規(guī)定，通常按10%的最大電壓畸變量考核。

發(fā)電機(jī)容量的放大，將導(dǎo)致工程和設(shè)計(jì)成本的增加，從而增加客戶的采購成本。但是跟直接增加整個(gè)發(fā)電機(jī)組的容量比較，在原動機(jī)功率不變的情況下增大發(fā)電機(jī)容量成本還是很低的。通常發(fā)電機(jī)在整個(gè)發(fā)電機(jī)組成本里面占20%，因此單獨(dú)放大發(fā)電機(jī)成本并不高。但是如果要求發(fā)電機(jī)供應(yīng)商增大發(fā)電機(jī)阻尼繞組幾乎是不太可能的，發(fā)電機(jī)制造商單獨(dú)生產(chǎn)這樣特殊非標(biāo)的產(chǎn)品成本會非常高昂。如果供應(yīng)商和客戶有良好的溝通，在供應(yīng)商工廠通過實(shí)際帶載實(shí)驗(yàn)來確定發(fā)電機(jī)容量的放大程度是比較有效的方法。