电动发电机组并列运行时无功功率分配不平衡分析

陈以通 傅强

摘 要：电动发电机组并列运行时，由于电动机与发电机之间的飞轮影响，导致系统的有功功率与无功功率在不断波动，进而导致系统的无功功率分配不平衡。

关键词：飞轮;电动机：发电机

中图分类号：TM31      文献标志码：A

0 引言

为了满足下游负荷260 V交流电源的要求，某系统设计应用电动机拖动发电机为下游负荷供电，为了实现电源的冗余要求，使用2台电动发电机组并列运行，以防一列故障，继续为下游负荷供电。同时为了满足电动机上游电源短时失电1.2 s内，能继续保持输出电压不低于234 V，频率不低于44 Hz，所以在电动机与发电机之间增加一个飞轮，利用飞轮惯性实现上述1.2 s内电压与频率的需求，这种并列运行方式就导致系统带载时出现无功功率分配不平衡的现象。该文通过对电动机、飞轮惯性、发电机励磁等各个系统部件进行分析，得出系统无功分配不平衡的原因。

1 电动发电机组简介

电动发电机组主要由电动机、飞轮、发电机、励磁系统和基座等部分组成，详情如图1所示。

2 电动发电机组无功分配不平衡描述

目前本电站共有4套RAM電动发电机组系统，每套RAM电动发电机组中有2台电动发电机组并列运行，为下游负荷供电。系统带载过程中会出现无功和有功率波动的现象，有时甚至会出现单台电动发电机组无功为负，发电机吸收无功的现象。以现场第一套与第二套电动发电机组为例，具体数据见表1。

根据上述记录数据，第一套电动发电机组：电压在259 V～260 V波动，有功功率在8 kW～13 kW波动，无功功率在7 kvar～17 kvar波动，视在功率在22 kVA～28 kVA波动;第二套电动发电机组：电压在259 V～261 V波动，有功功率在9 kW～15 kW波动，无功功率在9 kvar～16 kvar波动，视在功率在25 kVA～26 kVA波动。

3 电动发电机组无功分配不平衡原因分析

3.1 发电机电压波动分析

由于电动发电机组在发电机与电动机之间增加了一个大飞轮，目的是为了满足电动机上游电源失电1.2s内，电动机不脱网，可以继续运行。

飞轮产生的飞轮惯性会使电动的转速在1 497 rpm～1 505 rpm波动，由于发电机的电压，随着转速的变化，发电机频率f也随之变化，进而导致发电机的输出电压在259 V～261 V波动。

由于发电机的有功功率，详情如图2所示。

当发电机绕组电压E在变化时，发电机的输出有功功率就会不断地变化，当发电机频率增加时，有功功率增加，当发电机频率降低时，有功功率降低。

根据现场跟踪数据可以看出，发电机的有功功率波动范围在9 kW～15 kW。

3.2 发电机无功功率波动分析

3.2.1 无功功率产生原理

在发电系统调节励磁电流时，如果不进行调速操作，发电机产生的有功功率保持恒定，这时增大励磁电流，磁通Φ增加，由于，所以发电机绕组输出电压E将增大，而 E·sinδ必须为恒值，因为有功功率不变，如图3所示，则向量E的尖端只能在一条与恒定有功功率对应的直线上移动。

由于励磁电流Iex的增加，引起发电机电枢电压E增加，引起E与UT之间的夹角δ（简称功角）减小，从而使E·sinδ保持不变，有功功率保持在恒定值。由于并网初期，发电机会从电网吸收一定的无功功率，（θ为UT与I的夹角），电流I超前系统电压UT，所以无功功率为负，随着励磁电流Iex的增加，发电机输出电流先减小后增加，使系统电压UT超前电流I运行，发电机将从电网吸收无功功率的过程，向电网发出无功功率的过程转变，同时发电机的输出电流与无功功率也将继续增加。因此增加发电机的励磁电流，就会使柴油发电机发出的无功功率增加。

3.2.2 带飞轮的电动发电机组无功功率调节

带飞轮的电动发电机组的无功功率调节与系统的励磁电流有关，励磁电流的变化取决于系统的无功需求以及系统电压的变化。受飞轮惯性的影响，电动机的转速时刻变化导致了发电机输出电压E在时刻变化，同时输出电压E变化，就会导致发电机的励磁调节系统响应，进行发电机输出电压调节。

3.3 并列运行的电动发电机组并列运行分析

电动发电机组并列运行的简图如图4所示。

由于电动发电机组没有调速机构，启动并列运行以后，有功功率是无法调节的，由于飞轮的影响，转速会有微小的变化，所以有功功率分配会在2台发电机上产生变化，原因在于电动机的频率特性曲线非常硬，接近于一条直线，当转速有微小的变化，都会引起有功的不确定变化，如图5所示。

由图5可知，当SET1由于上游电源的频率波动（可能性较小）或由于RAM电动机与发电机之间的飞轮的影响导致的频率者波动，会使下游负荷在2台发电机中重新进行分配，总的有功功率由P总=PG1+PG2变为P总=PG1+PG2，现场观察可以发现，SET1与SET2电动发电机组频率在不断的变化，输出电压在波动，进而导致有功功率分配不断在变化。

为了更清晰地了解发电机无功分配原理，如图6所示。

从图6可知，如果SET1与SET2运行在系统电压为曲线1的特性时，2台发电机组总共提供的无功为Q总=QG1+QG2，SET1发的无功较小，SET2发的无功较大，为了不改变系统运行电压，而改变系统的无功功率的分配，使SET1与SET2平分系统所需无功，需要将SET1的励磁电流增大，使输出电压向上移动到曲线2的电压，而降低SET2的励磁电流，使输出电压下降至曲线2的电压，即可实现，不改变系统电压而实现无功功率的平均分配。

而现场运行的实际工况与理想存在一定的差异，在RAM系统并列运行时，由于系统的频率在不断变化，发电机组的输出电压在不断地变化，致使2台电动发电机组的励磁系统不断地进行调节，所以，系统的无功功率在不断地变化，进而导致系统的无功功率时而分配平衡，时而分配不平衡，有时单台机组可能会吸收无功，而不是在发无功。

4 结论

综上所述，RAM系统无功功率分配不平衡主要是由于系统的频率受飞轮的影响不断波动，进而导致发电机的输出电压波动，励磁调节器根据该波动现象，对发电机电压进行调节，导致电动发电机组无功功率分配不平衡。

参考文献

[1]顾绳谷.电机及拖动基础4版[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]杜世俊，唐海源，张晓江.电机及拖动基础实验[M].北京：机械工业出版社，2007.

[3]杨渝钦.控制电机2版[M].北京：机械工业出版社，1998.