船舶电气设备及系统大连海事大学第15章电力系统频率及有功功率自动调整.ppt
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1、船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室第第15章章 电力系统频率及有功功率自动调整电力系统频率及有功功率自动调整15.1 15.1 电力系统有功功率自动调整基础知识电力系统有功功率自动调整基础知识 15.2 15.2 自动调频调载原理自动调频调载原理 船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室15.1 15.1 电力系统有功功率自动调整基础知识电力系统有功功率自动调整基础知识 1)1)电力系统频率波动的原因及其影响电力系统频率波动的原因及其影响 原动机输入功率为原动机输入
2、功率为PT,发电机负荷功率为发电机负荷功率为PF(1)(1)当当 ,时时,静止静止或或恒转速恒转速运行,即稳态。运行,即稳态。(2)(2)当当 ,时时,系统处于系统处于加速加速运行,即动态。运行,即动态。(3)(3)当当 ,时时,系统处于系统处于减速减速运行,即动态。运行,即动态。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船级社规定:船用电器设备在电源频率波船级社规定:船用电器设备在电源频率波动稳态值达动稳态值达5 5额定频率时应能正常运用。额定频率时应能正常运用。因此要求船舶电网频率的变化最好保持在因此要求船舶电网频率的变化最好保持
3、在0.2Hz0.2Hz以内。以内。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2)2)电力系统的负荷调节效应电力系统的负荷调节效应 负荷功率负荷功率随随频率频率而而改变改变的特性称为负荷的功率的特性称为负荷的功率频率特性,属于负荷的静态频率特性。频率特性,属于负荷的静态频率特性。船舶电力系统中各种有功负荷与频率的关系,可分为船舶电力系统中各种有功负荷与频率的关系,可分为如下几种类型如下几种类型:(1)(1)功率与频率无直接关系的负荷。功率与频率无直接关系的负荷。如如:白炽照明,电热,整流器等。白炽照明,电热,整流器等。(2)(2)功率与
4、频率成正比的负荷。功率与频率成正比的负荷。如如:机床,压缩机,卷扬机等,其转矩基本恒定。机床,压缩机,卷扬机等,其转矩基本恒定。(3)(3)功率与频率的三次方成正比的负荷。功率与频率的三次方成正比的负荷。如如:吸风机,通风机,水泵等。吸风机,通风机,水泵等。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室在电力系统中功率平衡被破坏引起频率变化在电力系统中功率平衡被破坏引起频率变化时,负载吸收功率的变化起着补偿的作用,时,负载吸收功率的变化起着补偿的作用,使系统能在另一个频率值下得到新的平衡,使系统能在另一个频率值下得到新的平衡,这种现象称为
5、电力系统的负荷调节效应。这种现象称为电力系统的负荷调节效应。负荷调节效应负荷调节效应为了保证系统的频率变化在一定的允许范围为了保证系统的频率变化在一定的允许范围内,发电机组必需配置调速器。内,发电机组必需配置调速器。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室15.1.1 15.1.1 调速器及其调速特性调速器及其调速特性 发电机转速的调整是由原动机的调速器来实现的,因发电机转速的调整是由原动机的调速器来实现的,因此发电机组的功率频率特性取决于调速器的特性。此发电机组的功率频率特性取决于调速器的特性。由于电力系统要求频率能维持在一定范围
6、之内,由于电力系统要求频率能维持在一定范围之内,因此调速器应是一种因此调速器应是一种“定速调速器定速调速器”。即通过调速器。即通过调速器调节维持原动机转速不变。调速器种类有调节维持原动机转速不变。调速器种类有机械式、液机械式、液压式和电子式压式和电子式等。但无论哪种型式,其工作原理都是等。但无论哪种型式,其工作原理都是测出偏差后,根据偏差的大小和极性去调节原动机,测出偏差后,根据偏差的大小和极性去调节原动机,使原动机在负载从零到额定值范围内变化时,维持转使原动机在负载从零到额定值范围内变化时,维持转速在允许的范围内。速在允许的范围内。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电
7、气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1)1)调速器的结构和动作原理调速器的结构和动作原理 1:传动轴:传动轴2:轴:轴3:飞铁飞铁4:拨爪:拨爪5:滑套筒:滑套筒6:弹簧:弹簧7:杠杆:杠杆8:拉杆:拉杆9:涡轮涡杆:涡轮涡杆10:调速器电机:调速器电机11:柴油机油门柴油机油门船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室柴油机运行时,柴油机运行时,通过齿轮传动通过齿轮传动机构带动调速器的传动轴机构带动调速器的传动轴1 1将转将转速传到轴速传到轴2 2,使飞铁,使飞铁3 3绕轴绕轴2 2旋转,旋转,飞铁在离心力作用下,力图张飞铁在
8、离心力作用下,力图张开,并将滑套开,并将滑套5 5向上顶,向上顶,压缩压缩弹簧弹簧6 6,直到与弹簧直到与弹簧6 6产生的反产生的反作用力相平衡,作用力相平衡,这时滑套这时滑套5 5将将处于某一平衡位置,通过杠杆处于某一平衡位置,通过杠杆7 7、拉杆拉杆8 8,将油门拉到一定的开将油门拉到一定的开度,使柴油机有一定大小的喷度,使柴油机有一定大小的喷油量,机组在一定转速下运行,油量,机组在一定转速下运行,此时的调速器处于一种平衡状此时的调速器处于一种平衡状态。态。平衡状态平衡状态船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室若由于某种原因破
9、坏了调速器若由于某种原因破坏了调速器的平衡,譬如负载减少、机组的平衡,譬如负载减少、机组转速升高,则飞铁的离心力增转速升高,则飞铁的离心力增大、张开的角度将更大,引起大、张开的角度将更大,引起滑套滑套5上移。在滑套上移的过程上移。在滑套上移的过程中,通过杠杆、拉杆、使油门中,通过杠杆、拉杆、使油门减小,转速就被阻止进一步增减小,转速就被阻止进一步增加。同时,因为滑套的上移压加。同时,因为滑套的上移压缩了弹簧缩了弹簧6,其反作用力也将增,其反作用力也将增加,直到与离心力的作用平衡,加,直到与离心力的作用平衡,滑套滑套5就停止上移。到此,调速就停止上移。到此,调速器达到了一个新的平衡状态,器达到了
10、一个新的平衡状态,机组在另一个转速下稳定运行。机组在另一个转速下稳定运行。负载减少负载减少船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室相反若由于某种原因使转速降相反若由于某种原因使转速降低,则飞铁的离心力变小、平低,则飞铁的离心力变小、平衡又被打破,衡又被打破,此时弹簧此时弹簧6的压的压力大于离心力的作用,滑套下力大于离心力的作用,滑套下移,于是油门加大,阻止了转移,于是油门加大,阻止了转速进一步下降,又达到了一个速进一步下降,又达到了一个新的平衡。这种自动调整作用,新的平衡。这种自动调整作用,使柴油机能稳定运行于一定的使柴油机能稳定运
11、行于一定的转速范围内。转速范围内。负载增加负载增加船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室通过伺服电动机,经蜗轮通过伺服电动机,经蜗轮蜗杆传动,可以将弹簧蜗杆传动,可以将弹簧6事事先压紧到一定的程度;弹先压紧到一定的程度;弹簧簧“预紧预紧”是通过配电盘是通过配电盘上的手动调速开关接通伺上的手动调速开关接通伺服电动机进行的操作。预服电动机进行的操作。预紧力越大,滑套越被压向紧力越大,滑套越被压向下移,对应的油门开度越下移,对应的油门开度越大,大,反之油门开度越小。反之油门开度越小。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机
12、学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2)2)调速器的特性调速器的特性 倾斜度可用调差系数倾斜度可用调差系数K K来表来表示示 稳态特性稳态特性船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室(1)(1)瞬时调速率瞬时调速率J J 船舶要求船舶要求:J:J1010(2)(2)转速恢复到稳定值所需时转速恢复到稳定值所需时间间T T要求要求;转速恢复过程,转速恢复过程,应当没有振荡。应当没有振荡。T T5 5秒秒 动态特性动态特性n n1 1n n2 2(3)(3)调速特性的失灵区调速特性的失灵区(灵敏度灵敏度):由于调速机构的间隙,
13、:由于调速机构的间隙,对微小转速变化不能反映。即调速期存在一定的失灵区。对微小转速变化不能反映。即调速期存在一定的失灵区。失灵区太大功率分配产生误差,太小频繁调节。失灵区太大功率分配产生误差,太小频繁调节。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室3 3)单机运行时频率的调整)单机运行时频率的调整调速特性的平移调速特性的平移 在同一负载下欲使频率升高,则应加大弹簧预紧力,在同一负载下欲使频率升高,则应加大弹簧预紧力,将油门加大,整个曲线将油门加大,整个曲线1 1将向上平移到曲线将向上平移到曲线2 2。若减。若减小弹簧预紧力,则特性向下
14、平移,如图中的曲线小弹簧预紧力,则特性向下平移,如图中的曲线3 3。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1.1.两台发电机具有有差特性两台发电机具有有差特性,斜率不一致。斜率不一致。15.1.2 15.1.2 发电机并联运行的有功功率分配发电机并联运行的有功功率分配 在在两台机组均功后,两台机组均功后,当负荷变化时,功当负荷变化时,功率分配不均匀率分配不均匀船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2.2.两台发电机具有无差特性。两台发电机具有无差特性。两台机组间,有功
15、两台机组间,有功功率随机分配,可功率随机分配,可导致逆功率跳闸或导致逆功率跳闸或过载跳闸。在无功过载跳闸。在无功率分配控制系统作率分配控制系统作用下无法并联运行。用下无法并联运行。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室3.3.一台发电机具有有差特性,另一台具有无差特性。一台发电机具有有差特性,另一台具有无差特性。当负荷增加当负荷增加:增加的功:增加的功率全部由无误差特性机率全部由无误差特性机承担,若负荷超过该机承担,若负荷超过该机额定值可引起过载跳闸。额定值可引起过载跳闸。当负荷减小当负荷减小:无误差特:无误差特性机将减小输出功率
16、,性机将减小输出功率,有可能导致另一机过载有可能导致另一机过载跳闸。也无法并联运行。跳闸。也无法并联运行。负荷增加负荷增加负荷减小负荷减小船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室要使两机之间的功率能够按容量成比例要使两机之间的功率能够按容量成比例分配,只有两特性曲线的斜率分配,只有两特性曲线的斜率致。由致。由于调速器特性总是存在一定的差别,为于调速器特性总是存在一定的差别,为了使电网频率不致随负载变化过大,又了使电网频率不致随负载变化过大,又要使功率稳定的分配,特性曲线的下降要使功率稳定的分配,特性曲线的下降率应在率应在3 3左右,
17、不超过左右,不超过5 5,以保证有,以保证有功分配偏差在功分配偏差在1010以内。以内。船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室设一号发电机运行于设一号发电机运行于A A点,输出的有功功率为点,输出的有功功率为P P,二二号发电机为并入发电机,浮接在电网上,处于空载号发电机为并入发电机,浮接在电网上,处于空载状态,运行于状态,运行于B B点。点。CBAff0P/2 P P 12(1)(2)在转移负载时,在转移负载时,为保持电网的频为保持电网的频率不变,必须同率不变,必须同时向相反方向调时向相反方向调节两机组的调速节两机组的调速控制开
18、关控制开关操作步骤:操作步骤:15.1.3 15.1.3 有功功率的转移操作有功功率的转移操作船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室BAff0P2 P1 P P 12(2)f02 2号机单独加速,电网频率增加号机单独加速,电网频率增加f0 f0船舶电气设备及系统 2024/3/29 周五课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室转移过程转移过程:为保持电网的频率稳定为保持电网的频率稳定,在转移负,在转移负载时,载时,必须同时向相反方向调节两机组的调速必须同时向相反方向调节两机组的调速控制开关。对上述情况,需增大二号
19、发电机组控制开关。对上述情况,需增大二号发电机组的油门,使特性曲线的油门,使特性曲线2 2向上平移到特性曲线向上平移到特性曲线(2);(2);同时减少一号发电机组的油门,使特性曲线同时减少一号发电机组的油门,使特性曲线1 1向向下平移到特性曲线下平移到特性曲线(1)(1),并与曲线并与曲线2 2交于交于C C点。点。两特性曲线两特性曲线(1)(1)和和(2)(2)的交点的交点C C说明两台机组的频说明两台机组的频率均为率均为fefe,而两台机组各自分担的功率均为而两台机组各自分担的功率均为P1P1/2 2。以后在负荷变动时,由调速器自动稳定功以后在负荷变动时,由调速器自动稳定功率分配,并调节电
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