船舶不同容量柴油发电机组并联运行分析

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(武昌船舶重工有限责任公司 海工装备设计公司，武汉 430060)

船舶在进出港、靠离码头、装卸货等工况下，使用的辅助动力设备比较多，一台发电机承受的负载往往会接近或者超过发电机额定负载。在这种情况下，就需要用两台或两台以上发电机同时工作。同样，在船舶长时间的航行过程中，发电机因轮流工作而作转换时，不可能突然停止，需要通过并联运行，将一台发电机的负载转移到另一台发电机上。所以，当船上装有两台以上发电机需要做并联运行试验。

不同容量发电机的并联运行试验涉及面广，技术难度大。而船东出于使发电机经常处于最佳运行状态，提高燃油的经济性，以及合理使用电能的考虑，要求不同容量发电机组能够长期并联运行。但并联后假设电网的负载突变，即使调整设备特性相似，可能大容量的机组增长了几分之一的功率，而容量小的机组就已经过载，如果该发电机主开关跳闸，将会引起电网的崩溃，后果不堪想象。而且长期的电流过载会使发电机过热引起绝缘老化和损坏，长期的功率过载会导致原动机的寿命缩短和部件损坏。因此，应研究并联运行的技术方案来保证船舶电网的安全和稳定。

1 分配原则和要求

并联运行时负荷的分配方案有:比例分配法、溢流分配法和最佳负载分配法。对于仅有柴油发电机组的船舶电站而言，主要是按比例负荷分配法，规范中的技术要求也是比例分配法，故本文讨论的负载分配方法采用比例分配法。

并联运行的同步发电机，各机组所承担的无功功率应按机组额定容量成比例分配。这一要求是基于下述两条理由而提出来的。

1)无功电流不按比例分配，会造成部分机组电流偏大，部分机组电流偏小。会使总的定子铜损增加，使效率降低。设两台机组并联，负载为纯电感性质，负载总电流I=I1+I2为常数，则两机定子铜损之和为

若令d ∑Pa/dI1=m(2I1-2I+2I1)ra=0,则得I1=I/2， 此时两机定子铜损之和∑Pa最小。

式中:∑Pa——定子铜损之和;

I——负载总电流;

I1、I2——两台机组负载电流;

ra——负载阻抗

2)并联机组所承担的无功电流不按比例分配，会造成某些机组电流过载，另一些机组可能转化为输入滞后无功电流的运行状态。电流过载将导致保护电器动作，发生不应有的断电事故。

CCS《钢质海船入级规范》对交流发电机并联时负载分配及保护的要求如下[1]，美国ABS船级社和挪威DNV船级社对负载分配与CCS船级社类似。

1.1 负载分配要求

并联运行的各交流发电机组均应能稳定运行，且当负载在总额定负载的20%～100%范围内变化时，其负载分配应符合下列规定。

①各机组所承担的有功负载与总负载按机组定额比例分配值之差应不超过最大机组额定有功功率的±15%或各机组额定有功功率的±25%两个数值中的较小者。

②各机组所承担的无功负载与总无功负载按机组定额比例分配值之差，应不超过最大机组额定无功功率的±10%或各个机组额定无功功率的±25%两个数值中的较小者。

1.2 发电机的保护要求

船舶同步发电机是船舶电站中最重要的设备，各种不正常运行和故障会造成发电机的损坏，针对船舶同步发电机可能出现的不正常运行状态和故障，各船级社均设有欠电压保护、过载和短路保护和逆功率保护。因此需要设置主配电板保护装置，即安装在主配电板上用来控制主开关的装置。主开关一般采用的是框架式自动空气断路器。见表1。

表1 发电机的保护

注：Ue，Ie，Pe分别是额定电压，额定电流和额定功率

2 实例分析

“科学号”船是武昌船舶重工有限公司为中国科学院建造的一艘承担我国深海远洋科学调查任务的现代化海洋科学综合考察船，是目前国际最先进的海洋科学综合考察船之一。采用电力推进系统，AC690 V，50 Hz，共设置了3台相同型号相同容量的主发电机组(1～3号机组)，每台2 610 kW, 1台758 kW停泊发电机组(4号机组)，总功率为8 588 kW，见图1。

冬季全速航行时需要2台主发电机组和停泊发电机组并联运行，走航测量，拖曳/拖网的工况下1台主发电机组和停泊发电机组并联运行。

2.1 功率分配

以下分析均以1台主柴油发电机为1号，停泊发电机组为2号。

并联同步发电机组无功电流的分配与各发电机的电势及同步电抗的数值有关，也与有功功率的分配有关。在以下的讨论中，不考虑有功分配不均而引起的无功分配不均的情况。

并联运行发电机的2台发电机之间，尽管承担的有功功率相同，若无功功率分配不等，1台发电机有可能出现提前过载，因此对于不同功率的发电机并联运行，则要求按比例分配无功功率。因此，电势不等，无功分配不均匀；电势相等，无功均匀分配[2]。因此要使无功功率均匀分配必须调整电势，保证电网电压始终为额定电压，而调整电势的方法是调整励磁电流。

图1 科考船电力系统单线图

图2 两台发电机并联运行时无功功率调整向量

图3是两台发电机并联运行时有功功率转移的调整过程。调控前2号机组仅承担无功功率，1号机组承担的无功功率分量和2号机组相等，即无功功率已经均分，而有功功率只有1号机组承担，2号机组尚未承担。柴油发电机输出给负载的能量就仅仅由进油量(另外还包括进空气的量及燃烧的完全程度)的大小所决定，即由调速器进行自动调整。调控过程与无功调控类似。

图3 两台发电机并联运行时有功功率调整向量

2.2 试验步骤

3台主柴油发电机组(1号，2号，3号)分别与停泊发电机组(4号)并联运行负载试验。即做1、4号，2、4号，3、4号以及1、2、4号，1、3、4号，2、3、4号的并联运行试验。运行中发电机组在50%额定负载时，电压和频率调至额定状态，并入待并发电机组，每个负载点并联运行时间为5～10 min，测量各负载点时每台发电机的有功功率、电压、功率因数、电流和频率。

有功功率满足：各发电机实际承担的有功负载与总负载按机组定额比例分配值之差不超过停泊发电机额定有功功率758 kW的±25%，也就是±189.5 kW。

无功功率满足：各发电机实际承担的无功负载与总负载按机组定额比例分配值之差不超过停泊发电机额定无功功率568.5 kW的±25%，也就是±142.1 kW。

2.3 试验数据

调进油量能调整有功功率的分配比例，调励磁电流可调节无功功率的分配比例，实际调节功率分配的方法：调进油量可通过主配电板上的伺服电机来操纵，使主配电板上功率表读数之比值满足试验大纲的规定；在功率表读数已满足要求的前提下，调节发电机的励磁电流，使发电机电流表的读数之比值满足试验大纲的规定。

1、2、4号机组并联运行数据见表2，发电机保护试验数据见表3， 其它机组的系泊试验数据类似。

综上，该机组的并联运行试验的数据满足船级社规范的要求，其系泊试验结果合格。

为使不同容量发电机组并联运行稳定可靠，海洋科学综合考察船采用同一品牌的调速和调压装置，各调整特性尽可能相同，即调压调差系数和调频调差系数尽可能相等。为了满足并联运行时的负载分配要求，随着负载增加、柴油机转速相应下降即负载特性应为有差的下降特性。应尽量使并联机组的下降特性的斜率保持一致[4]。

3 结束语

船厂在建造或前期方案设计类似船舶时，应对并联运行的柴油发电机组作选型考核：并联运行的各个机组容量应尽可能相同或相近，并要求调整特性尽可能相同。即调压调差系数和调频调差系数尽可能相等，建议采用同一品牌的原动机、调速和调压装置。当实际机组的调差率不可能做得完全相等时，为减小无功环流，应使单机的调差率适当大一些。

表2 1、2、4号机组并联

表3 发电机保护试验

试验结论：合格(满足各机组承担的有功功率与总负载按机组定额比例分配之差不超过189.5 kW，各机组承担的无功功率与总负载按机组定额比例分配之差不超过142.1 kW)

在柴油发电机组的系泊试验调试中，有如下经验。

1)调节进油量能调整有功功率的分配比例，调励磁电流可调节无功功率的分配比例，实际调节功率分配，应先调进油量可通过主配电板上的伺服电机来操纵，使主配电板上功率表读数之比值满足规范要求；在功率表读数已满足要求的前提下，调节发电机的励磁电流，使发电机电流表的读数之比值满足规范要求。

2)在不同容量的交流发电机组并联运行时，有功功率的分配比例与无功功率的分配比例之间有相对独立性——可以在有功功率之比不变的条件下改变无功功率之比，也可以在无功功率不变的条件下改变有功功率之比。

3)无论并联运行的发电机组是否同型号，也无论采用何种型号的调压器和调速器，必须满足端电压相等及定子电流矢量和为总电流两个条件。

[1] 中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[2] 胡福保.船舶电气设备调试方法问答[M].北京：国防工业出版社，1990.

[3] 姜锦范.船舶电站及自动化[M].大连：大连海事大学出版社，2005.

[4] 冯茂岩.两台不同容量不同型号发电机组并车设计[J].中国修船，2001(5)：21-22.