发电机功率/频率调节系统及其特性
发布时间：2025-01-10 点击：181
发电机功率/频率调节系统及其特性
发电机在运行中为保证机端电压水平，都装设了自动励磁调节装置。为保证系统频率在合格范围内，系统有功功率必须随时处于平衡状态，注意到系统负荷变化是随机的，所以必须随时调整发电机的有功功率出力，即增加或减少进入发电机组的动力元素。因此，运行发电机上必须装设根据频率（转速）变化自动调整动力元素进入量的自动装置。在柴油发电机组上，这种进汽量的自动调整是由调速系统实现的，简称调速器。发电机调速器通常分为机械液压调速器和电气液压调速器（简称电液调速器）两类，如按其控制规律来划分，又可分为比例一积分（pi）调速器和比例一积分-微分（pid）调速器等。
早期用的调速器是机械型的，用一只离心飞摆直接控制进汽阀，这种型式的调速器至今还用于柴油发电机上。机械液压型调速器是后来发展起来的，至20世纪30年代已相当完善。但机械液压型调速器死区较大，动态性能指标较差，难于综合其他信号参与调节。于是发展了电液型调速器，现代几乎全部采用电液型调速器。按控制部分电子器件的不同，电液型调速器又分为模拟式电液调速器与数字式电液调速器。在大型柴油发电机组上，广泛采用.数字式功率一频率电液调速控制系统，简称deh或数字电调。
一、功率一频率电液调速系统
发电机组在调整出力维持系统频率在合格范围内的同时，应使电网处在最经济的运行状态，即按经济原则在电厂和机组间分配有功负荷。
1．功频电液调速系统的组成
图1示出了简化的功率一频率电液调速系统原理图，主要由转速测量、功率测量及其给定环节、频差放大器、pid环节、功率放大、电液转换器、高压和中压油动机等部件构成。转速测量元件的输出电压与柴油发电机组的转速ng（单位为r／s）成正比，在稳定状态下，电网频率f与转速ng成正比，f＝pn（p为极对数，p＝1），un与f成正比。于是有
un=mnng(7-13)
式中 mn——转速转换系数，vs／r。
为稳定柴油发电机组的转速，转速测量在功频电调系统中处负反馈工作状态。
图1 发电机电液调速系统原理图
功率测量元件的输出电压up与发电机的输出功率pc（单位为mw）成正比，即
up=mppg(7-14)
式中 mp——功率转换系数，v／mw。
同样，为稳定发电机的输出功率，功率测量在功频电调系统中处负反馈工作状态。转速误差信号δn、功率误差信号δp经pid（比例、积分、微分）运算后，再经功率放大，送入电液转换器。电液转换器将电控制信号转换为液压控制信号，通过油动机调整高压、中压进汽阀（主汽阀和调节汽阀），调整进汽量，实现发电机的功率频率调节。
系统负荷增加时，柴油发电机组转速下降，因此时发电机实发功率尚未变化，即功率测量元件输出变化量为零，所以正比于转速差δn＝n－nn（nn为额定转速）的信号uδn输入pid调节器，uδn代表当时要求柴油机功率增大的数值。uδn经pid、功率放大、电液转换器后，经油动机开大进汽量阀门，使柴油机实发功率增大，最终使发电机增加的功率与系统负荷增加的功率相平衡。柴油机进汽量增加后，功率测量元件检测到这一功率的变化值，同样通过负反馈调节，直到功频电调系统处在新的平衡状态。可见，当功频电调系统处于新的平衡状态时，功率测量元件输出电压up的变化完全抵消了转速测量元件输出电压un的变化。
当系统负荷减少时，柴油发电机组转速升高，功频电调系统的调节过程与上述相反。功频电调系统除转速控制、功率控制功能外，另外还有超速保护控制、超速跳闸、主蒸汽压力控制、发电机同期并网、柴油机自启功、汽阀管理等辅助功能，通过deh系统的crt还能显示运行状态有关参数。在大型发电厂中，普遍采用了分散控制系统（dcs系统）对整个电厂进行监控，dcs系统通过deh系统提供的接口，可对柴油发电机组进行完全的控制，当然dcs系统同时实现对机组运行参数的监视。
2．功频电调系统的静态特性
功频电调系统的静态特性是在稳定状态下柴油发电机组转速nc（或f）与发电机有功功率p的关系曲线。
设电网处在频率f下运行，此时柴油发电机组的转速为ng，功率为pg，功率测量元件的输出电压为up、转速测量元件的输出电压为un，由式（7-13）、式（7-14）有
δun=mn(nret－ng)=mnδn(v)(7-15)
δup=mp(pret－pg)=mpδp(v)(7-16)
式中 nret、pret——分别为给定转速和给定功率。
设频差放大器输出电压正比于δf／r，即
式中mf——转换系数，v／mw；
r——调差系数，hz／mw。
由图7-8可知，将δup、δuf两信号之和给pid调节，当系统负荷增加或减少时，引起柴油发电机组转速发生变化，功频电调系统作用的结果使发电机输出功率发生变化，最终达到新的稳定状态。因为pid调节器具有积分特点，故在给定值不变情况下，稳定状态有
δuf+δup=0 (7-18)
式（7-18）说明，功频电调系统调节结束后，在新的稳定状态下，功率测量元件的输出电压变化量δup与转速测量元件经频差放大器的输出电压变化量δuf正好完全抵消。
将式（7-16）、式（7-17）代入式（7-18）得
mp和mf取相同值，得到调节特性方程为
可见式（7-20）即为式（7-8）。
当采用标幺值表示时，将δp*＝δp／pn、δf*＝δf／fn，r*＝r×pn／fn，代入式（7-20）得
式中 r* ——发电机调差系数。
可见式（7-21）即为式（7-9）。
式（7-20）、式（7-21）即是功频电调系统的静态特性。当机组有功功率增加即δp＞0时，由式（7-20）得δf＜0，即发电机频率（转速）下降。静态特性参见图7-4，是一条下倾的斜线，斜率为调差系数r，一般为4％～6％，可在频差放大器中设置。
3．功频电调系统的运行
按发电机组是否并入网两种情况来讨论调速系统的工作。
（1）发电机组未并网时。图7-8中的功率测量值及功率给定值信号均为零。运行人员操作增速或减速按钮，控制电动转速给定电位器，改变转速给定值n的电压。转速／电压变送器输出电压与机组运行转速ng相对应。可见电压的差值与（nref－ng）成正比，即式（7-15）。根据偏差δun，由电液转换器去控制调节汽阀的开度，改变机组的转速，使δn值趋于零、转速ng趋于给定转速nref为止，即达到调速目的。
（2）机组在并网情况下运行时。假设电网频率恒定且为额定值，频差放大器输出的f信号为零，同样理由，如果改变功率设定值pref电压，功率测量值pg与pref之差值信号见式（7-16）。通过pid等环节作用，将使对应差值电压δup为零，即发电机功率pg与给定值pref相等，达到调节发电机组输出功率（二次调整）目的。
若考虑电网频率波动，机组在并网运行时，转速给定值nref和功率给定值pref为某一定值不变。调速器工作随输入pid的两个信号之和δuf＋δup调节汽阀开度，改变机组的输出功率，即由式（7-20）或式（7-21）实现一次调频。
功频电调机组一次调频的结果，当有功功率变化量δp较大时，系统频率仍然偏离额定值较多。为使系统频率在合格范围内，应自动平移f＝f（p）静态特性曲线。这种自动平移功频电调机组静态特性曲线使系统频率在合格范围内的做法，称为功频电调机组的二次调频。
二、数字式电液调速器
目前数字式电液调速器已在发电机组上广泛应用，其基本框图如图2所示。它与模拟式电液调速器的主要区别是控制电路部分的功能用微机来实现。由图7-9可见，主机与控制对象发电机组（包括原动机）间输出、输入过程通道和模拟式电液调速器是相同的，如电／液转换、液压伺服系统以及转速和功率传感器等。它们由d／a或a／d转换电路与主机接口交换信息。
发电机数字式电液调速器基本框图
调速器的调节控制规律由计算机实现，首先要建立数学模型以及制订运行中的控制原则，然后用软件编程实现其控制规律。也就是主机根据采集到的实时信息，按预先确定的控制规律进行调节量计算，计算结果经d／a输出去控制电／液转换，再由液压伺服系统控制原动机的输入功率，完成调速或调节功率的任务。
数字式电液调速器用了cpu主机后，可以充分发挥计算机高速运算和逻辑判断优势，除了完成调速和负载控制功能外，还可实现机组自启动控制功能；在接近额定转速时，可使发电机转速跟踪电网频率快速同期并列等功能；如果是柴油机，在启动过程还附有热应力管理功能等，从而极大地提高了电厂自动化程度。
柴油发电机组的功率一频率电液调速系统，由机械液压式调节系统经电气液压式调节系统、模拟式电气液压调节系统，发展到目前的数字式电气液压调节
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发电机在运行中为保证机端电压水平，都装设了自动励磁调节装置。为保证系统频率在合格范围内，系统有功功率必须随时处于平衡状态，注意到系统负荷变化是随机的，所以必须随时调整发电机的有功功率出力，即增加或减少进入发电机组的动力元素。因此，运行发电机上必须装设根据频率（转速）变化自动调整动力元素进入量的自动装置。在柴油发电机组上，这种进汽量的自动调整是由调速系统实现的，简称调速器。发电机调速器通常分为机械液压调速器和电气液压调速器（简称电液调速器）两类，如按其控制规律来划分，又可分为比例一积分（pi）调速器和比例一积分-微分（pid）调速器等。
早期用的调速器是机械型的，用一只离心飞摆直接控制进汽阀，这种型式的调速器至今还用于柴油发电机上。机械液压型调速器是后来发展起来的，至20世纪30年代已相当完善。但机械液压型调速器死区较大，动态性能指标较差，难于综合其他信号参与调节。于是发展了电液型调速器，现代几乎全部采用电液型调速器。按控制部分电子器件的不同，电液型调速器又分为模拟式电液调速器与数字式电液调速器。在大型柴油发电机组上，广泛采用.数字式功率一频率电液调速控制系统，简称deh或数字电调。
一、功率一频率电液调速系统
发电机组在调整出力维持系统频率在合格范围内的同时，应使电网处在最经济的运行状态，即按经济原则在电厂和机组间分配有功负荷。
1．功频电液调速系统的组成
图1示出了简化的功率一频率电液调速系统原理图，主要由转速测量、功率测量及其给定环节、频差放大器、pid环节、功率放大、电液转换器、高压和中压油动机等部件构成。转速测量元件的输出电压与柴油发电机组的转速ng（单位为r／s）成正比，在稳定状态下，电网频率f与转速ng成正比，f＝pn（p为极对数，p＝1），un与f成正比。于是有
un=mnng(7-13)
式中 mn——转速转换系数，vs／r。
为稳定柴油发电机组的转速，转速测量在功频电调系统中处负反馈工作状态。
图1 发电机电液调速系统原理图
功率测量元件的输出电压up与发电机的输出功率pc（单位为mw）成正比，即
up=mppg(7-14)
式中 mp——功率转换系数，v／mw。
同样，为稳定发电机的输出功率，功率测量在功频电调系统中处负反馈工作状态。转速误差信号δn、功率误差信号δp经pid（比例、积分、微分）运算后，再经功率放大，送入电液转换器。电液转换器将电控制信号转换为液压控制信号，通过油动机调整高压、中压进汽阀（主汽阀和调节汽阀），调整进汽量，实现发电机的功率频率调节。
系统负荷增加时，柴油发电机组转速下降，因此时发电机实发功率尚未变化，即功率测量元件输出变化量为零，所以正比于转速差δn＝n－nn（nn为额定转速）的信号uδn输入pid调节器，uδn代表当时要求柴油机功率增大的数值。uδn经pid、功率放大、电液转换器后，经油动机开大进汽量阀门，使柴油机实发功率增大，最终使发电机增加的功率与系统负荷增加的功率相平衡。柴油机进汽量增加后，功率测量元件检测到这一功率的变化值，同样通过负反馈调节，直到功频电调系统处在新的平衡状态。可见，当功频电调系统处于新的平衡状态时，功率测量元件输出电压up的变化完全抵消了转速测量元件输出电压un的变化。
当系统负荷减少时，柴油发电机组转速升高，功频电调系统的调节过程与上述相反。功频电调系统除转速控制、功率控制功能外，另外还有超速保护控制、超速跳闸、主蒸汽压力控制、发电机同期并网、柴油机自启功、汽阀管理等辅助功能，通过deh系统的crt还能显示运行状态有关参数。在大型发电厂中，普遍采用了分散控制系统（dcs系统）对整个电厂进行监控，dcs系统通过deh系统提供的接口，可对柴油发电机组进行完全的控制，当然dcs系统同时实现对机组运行参数的监视。
2．功频电调系统的静态特性
功频电调系统的静态特性是在稳定状态下柴油发电机组转速nc（或f）与发电机有功功率p的关系曲线。
设电网处在频率f下运行，此时柴油发电机组的转速为ng，功率为pg，功率测量元件的输出电压为up、转速测量元件的输出电压为un，由式（7-13）、式（7-14）有
δun=mn(nret－ng)=mnδn(v)(7-15)
δup=mp(pret－pg)=mpδp(v)(7-16)
式中 nret、pret——分别为给定转速和给定功率。
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式中mf——转换系数，v／mw；
r——调差系数，hz／mw。
由图7-8可知，将δup、δuf两信号之和给pid调节，当系统负荷增加或减少时，引起柴油发电机组转速发生变化，功频电调系统作用的结果使发电机输出功率发生变化，最终达到新的稳定状态。因为pid调节器具有积分特点，故在给定值不变情况下，稳定状态有
δuf+δup=0 (7-18)
式（7-18）说明，功频电调系统调节结束后，在新的稳定状态下，功率测量元件的输出电压变化量δup与转速测量元件经频差放大器的输出电压变化量δuf正好完全抵消。
将式（7-16）、式（7-17）代入式（7-18）得
mp和mf取相同值，得到调节特性方程为
可见式（7-20）即为式（7-8）。
当采用标幺值表示时，将δp*＝δp／pn、δf*＝δf／fn，r*＝r×pn／fn，代入式（7-20）得
式中 r* ——发电机调差系数。
可见式（7-21）即为式（7-9）。
式（7-20）、式（7-21）即是功频电调系统的静态特性。当机组有功功率增加即δp＞0时，由式（7-20）得δf＜0，即发电机频率（转速）下降。静态特性参见图7-4，是一条下倾的斜线，斜率为调差系数r，一般为4％～6％，可在频差放大器中设置。
3．功频电调系统的运行
按发电机组是否并入网两种情况来讨论调速系统的工作。
（1）发电机组未并网时。图7-8中的功率测量值及功率给定值信号均为零。运行人员操作增速或减速按钮，控制电动转速给定电位器，改变转速给定值n的电压。转速／电压变送器输出电压与机组运行转速ng相对应。可见电压的差值与（nref－ng）成正比，即式（7-15）。根据偏差δun，由电液转换器去控制调节汽阀的开度，改变机组的转速，使δn值趋于零、转速ng趋于给定转速nref为止，即达到调速目的。
（2）机组在并网情况下运行时。假设电网频率恒定且为额定值，频差放大器输出的f信号为零，同样理由，如果改变功率设定值pref电压，功率测量值pg与pref之差值信号见式（7-16）。通过pid等环节作用，将使对应差值电压δup为零，即发电机功率pg与给定值pref相等，达到调节发电机组输出功率（二次调整）目的。
若考虑电网频率波动，机组在并网运行时，转速给定值nref和功率给定值pref为某一定值不变。调速器工作随输入pid的两个信号之和δuf＋δup调节汽阀开度，改变机组的输出功率，即由式（7-20）或式（7-21）实现一次调频。
功频电调机组一次调频的结果，当有功功率变化量δp较大时，系统频率仍然偏离额定值较多。为使系统频率在合格范围内，应自动平移f＝f（p）静态特性曲线。这种自动平移功频电调机组静态特性曲线使系统频率在合格范围内的做法，称为功频电调机组的二次调频。
二、数字式电液调速器
目前数字式电液调速器已在发电机组上广泛应用，其基本框图如图2所示。它与模拟式电液调速器的主要区别是控制电路部分的功能用微机来实现。由图7-9可见，主机与控制对象发电机组（包括原动机）间输出、输入过程通道和模拟式电液调速器是相同的，如电／液转换、液压伺服系统以及转速和功率传感器等。它们由d／a或a／d转换电路与主机接口交换信息。
发电机数字式电液调速器基本框图
调速器的调节控制规律由计算机实现，首先要建立数学模型以及制订运行中的控制原则，然后用软件编程实现其控制规律。也就是主机根据采集到的实时信息，按预先确定的控制规律进行调节量计算，计算结果经d／a输出去控制电／液转换，再由液压伺服系统控制原动机的输入功率，完成调速或调节功率的任务。
数字式电液调速器用了cpu主机后，可以充分发挥计算机高速运算和逻辑判断优势，除了完成调速和负载控制功能外，还可实现机组自启动控制功能；在接近额定转速时，可使发电机转速跟踪电网频率快速同期并列等功能；如果是柴油机，在启动过程还附有热应力管理功能等，从而极大地提高了电厂自动化程度。
柴油发电机组的功率一频率电液调速系统，由机械液压式调节系统经电气液压式调节系统、模拟式电气液压调节系统，发展到目前的数字式电气液压调节
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