导
读
某船电站柴油发电机组在系泊试验中，出现两台机组并联运行时无功功率分配精度不满足要求的故障现象。
通过对其励磁系统工作原理进行分析，找出该型发电机组无功功率分配不平衡的原因，采用无功环流交叉补偿措施，实现了该型发电机组并联运行功能。
一、前言
船舶电站的发电机组并联运行试验，是电站调试试验的关键环节，更是后续电力系统试验的前提。
发电机稳定并联运行试验的重要考核指标之一，是发电机组间的无功功率分配差度，该船要求并联机组间无功功率分配差度不大于 10%。
在实船系泊试验阶段，两台发电机组的并联试验中出现无功功率分配差度超过 20%，甚至因超差过大导致发电机解列的现象。
针对这一故障现象 , 先对机组单机特性进行分析研究 , 根据该型发电机的励磁系统的工作原理，找出发电机组无功功率分配差度过大的原因在于发电机外特性的有差特性较小 , 并且通过调差装置无法调节其外特性。
下面重点分析故障原因和解决方案。
二、故障原因分析
1、故障现象
该船低压电站由 4 台AC390V 640kW 的发电机组成，系泊试验时发电机组的单机负荷试验、单机稳态、动态性能调试试验结果表明，4 台发电机组单机工作正常，均满足技术要求中的单机性能指标。
但在后续任意两台发电机并联运行试验中，在手动并联和自动并联工况下，均出现无功功率分配差度超过 20%，甚至偶发性出现发电机电流过大主开关安全跳闸的现象，而试验中发电机有功功率分配差度均在指标范围内。
经过排查，发电机控制系统接线、发电机组保障系统、试验工装工具、试验程序及方法均符合试验要求。
以 1 号和 3 号发电机组并联试验现象为例：
2 台发电机并联运行时，发电机频率、相位均大致相等，但输出电压不相等；
从电站监控系统显示的两台机组的无功功率数值可以看出，两台发电机之间出现了较大的无功环流，电压较高的发电机承担的无功功率较大，电压较低的发电机承担的无功功率较小。
无功环流过大会导致两台发电机无功功率分配不平衡，严重时会引起其中 1 台发电机电流过载甚至烧毁 [1]。
同型号发电机并联运行是通过发电机有差外特性实现的，发电机间无功功率的分配取决于发电机的外特性及励磁系统工作情况，故针对上述故障现象，需要进一步研究该型发电机的励磁系统原理。
2、发电机励磁系统原理
该船发电机是典型船用无刷交流励磁发电机，其励磁系统由滤波器、自动调压器、交流励磁机、旋转整流器等组成。
自动调压器电源由定子辅助绕组励磁电源提供，图1是励磁系统的功能原理框图 [2]。
▲图 1 发电机励磁系统原理图
（1）励磁系统以发电机机端三相电压作为电压检测取样信号，经滤波器处理后作为调压器的电网实时电压输入信号，同时也用于调差回路电流相位比较；
（2）调差回路通过电流互感器引入发电机负载的无功电流成分，输入自动调压器实现固定的电压调节偏差；
（3）励磁系统另设有外部手动调压、灭磁、复位以及备用的发电机间无功环流补偿线路接口。
通过图1分析可知：
该励磁系统采用的是典型带自动调压器可控励磁方式，其励磁过程可以简述为：
发电机无初始电压时，由定子辅助绕组励磁提供自动调压器电源，励磁调节环节通过自动调压器调节直流励磁电流提供给励磁机定子绕组，形成固定磁场，励磁机的转子绕组和发电机转子同轴旋转通过回路产生三相交流电，再由旋转整流器转换为发电机转子提供直流电，使发电机转子绕组形成旋转磁场；
发电机的定子绕组在旋转磁场中产生三相交流电动势；
发电机定子绕组 v 相中的电流互感器，通过电阻 R1 实现所需的无功负载有差下降特性。
值得注意的是：
该发电机调压器中仅有无功环流补偿线路接口，无自动无功环流补偿线路。
3、故障原因分析
经过前期试验现象及数据分析，励磁系统在发电机单机运行时可以实现稳定调压功能，稳态调压率均在 2% 以内；
船舶电网中的无功负载一般为电动机型负载，负载呈感性，电网中无功负载的增加会起到发电机电枢去磁作用，导致发电机电压下降。
因此，在发电机单机运行时，自动调压器通过对比电网电压和额定电压，自动调整输出的励磁电流来调节发电机电压，达到单机的调压特性指标。
同容量的发电机并联运行时，必须满足两点要求：
发电机外特性均为有差特性；
外特性曲线斜率基本相同。
这样才能保证发电机间的无功功率分配平衡，确保电网电压稳定。
引入调差电路是实现发电机有差外特性方法之一，虽然会降低发电机单机运行的稳态调压率，但能够实现发电机并联运行稳定，因此广泛应用于船舶电站。
但在该船应用中，由于励磁系统的非线性、机械制造、台架调试误差等因素，导致同型号的 2 台发电机特性仍会存在差异，其外特性不能在误差范围内满足上述两点要求。
通过对 4 台发电机进行单机试验，发现其调差系数仅能在 0.26~0.51 之间调整，调差系数过小，即通常所说的发电机外特性较硬，且1 号机和 3 号机由于特性差异其调差系数相差两倍，因此导致仅靠调差装置无法实现发电机的正常并联运行。
三、无功环流交叉补偿原理及应用
1、无功环流交叉补偿原理
发电机并联运行时，调差装置的功能是实现发电机在无功电流增加时自动降低电压，减少自身承担的无功负载，不会调节其它并联的发电机的电压。
而船舶电网负载的功率因数在常用工况下基本变化不大，所需无功功率一定，降低一台发电机承担的无功功率以抑制无功环流增大，被减少的这一部分无功功率必然由其它并联的发电机承担，这种分配的平衡全靠发电机有差外特性的一致性以及软硬程度来实现。
而本船电站发电机之间的有差特性差异和调节功能不足，导致这种常规方法无法实现发电机间的稳定并联，有必要采用额外的发电机间无功环流补偿措施。
无功环流交叉补偿的原理，是分别将各并联发电机调差装置的输出反向引入各发电机的自动调压器控制回路，当一台发电机因为调差装置正输入自动降低电压时，另一台并联发电机将因为调差装置反输入自
动升高电压，两台发电机的无功电流有增有减，电压有升有降，可以维持电网电压基本不变[3]，这与手动并车时通过手动上下调节各发电机转速维持电网频率基本不变的操作原理一样。
▲图 2 无功环流交叉补偿原理典型电路图
图2是无功环流交叉补偿的典型电路图，由端子1 和 2 分别引出 2 台发电机定子单相电流互感器输出的无功电流信号，当端子 1 和 2 不连接时，2 只电流互感器 T1 和 T21 各自发挥正常调差功能，2 台发电机无直接关系，输入自动调压器的稳态电压偏差信号分别是 I₁R₁ 和 I₂R₂。
当发电机并联运行时，通过发电机并网信号作为端子 1 和 2 交叉连接的判断条件，交叉连接后，输入自动调压器的稳态电压偏差信号分别为（I₁－I₂）R1 和（I₂－I₁）R₂，两者大小相近（R₁、R₂已调节近似相等）、正负相反；
当电网无功负载变化时，若 AVR1 输出使 1 号发电机电压上升，增大无功电流，AVR2 输出将使 2 号发电机电压下降，减小无功电流。
由此引入无功环流交叉补偿作用，基本可以实现两台并联发电机的电压升降互补，保持电网电压稳定。
无功环流交叉补偿不仅适用于图 2 中的 2 台发电机并联，也适用于 3 台发电机交叉补偿，如图 3 所示：
▲图3 3 台发电机无功环流交叉补偿原理图
无功电流信号通过各自的电流互感器的绕组输出后接入环流补偿回路，并通过继电器触点实现发电机单机和并联工况的投入切换。
2、解决方案
根据上述分析，利用自动调压器的无功环流补偿接口，增加无功环流交叉补偿及发电机工况判断回路，将各并联发电机的电流互感器通过控制线路连接起来，实现各发电机电压的补偿式升降，进而实现发电机并联运行时无功功率的平衡分配。
▲图4 4 台发电机无功环流交叉补偿设计线路图
设计线路图如图 4 所示，在前、后主配电板（1MSB、2MSB）内增加 4 台发电机 GEN1~4 的外部补偿线路，其中 K1~K4 为发电机主开关的合闸状态触点，K20、K21 为前、后主配电板各自母排隔离开关的合闸状态触点，K10 为前、后主配电板之间跨接开关的合闸状
态触点。
通过触点开闭的不同组合，实现发电机单机 /并联工况的逻辑判断，补偿线路自动投切，使无功环流交叉补偿措施仅在该发电机并联工况时才起作用。
四、试验验证
通过增设上述无功环流交叉补偿设计线路，再次进行发电机组并联试验，以 1 号、3 号发电机组并联试验为例，并联运行无功功率分配差度及稳定性，均满足试验要求。
五、结语
采用发电机无功环流交叉补偿措施后，发电机实现了并联运行的功能及运行稳定性，并联运行无功功率分配差度满足试验指标不大于 10% 的要求。
参考文献
[1] 韩利昆 , 徐巍 , 杨文军 . 浅谈某型艇同步交流发电机并车运行无功功率分配问题 [J]. 中国修船 ,2010（5）:53-54.
[2] Description and adjustment instructions“AVC125-10” voltage regulator[Z] .USA:Basler Electric, 2018.
[3] 林华峰，李华，赵克威 . 船舶电站及电力拖动 [M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2005.
[4] GJB4000-2000 舰船通用规范 3 组电力系统 302.6.3.2.3 [Z]. 北京：国防科学技术工业委员会，2000.
原创作者系：
1. 海装驻上海地区第二军事代表室 杜承东；
2. 沪东中华造船（集团）有限公司 杨亚男、董大朋
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