船舶電站及其自動(dòng)化裝置 課件 2 船舶同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行

第二章船舶同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行

主要內(nèi)容1同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的條件2同步發(fā)電機(jī)并車的操作方法

船舶發(fā)電機(jī)至少設(shè)置2臺(tái)，最多不超過4臺(tái)。至少設(shè)置2臺(tái)是為了備用，保證供電的安全；同時(shí)也是考慮發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)最高效率發(fā)生在2/3額定負(fù)載，而船舶在不同工況下用電負(fù)荷變化很大，因此應(yīng)及時(shí)增減機(jī)組以滿足負(fù)載需要和提高運(yùn)行效率。為了滿足船舶供電的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，船舶電站均配置了兩臺(tái)以上的同步發(fā)電機(jī)組做為主電源，且可以通過公用母線向全船負(fù)荷供電，這就是通常所說的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。索引第一節(jié)概述

（1）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功功率和無功功率總是等于負(fù)載的有功功率

和無功功率Q（2）當(dāng)電網(wǎng)的用電負(fù)荷保持不變時(shí)，若單獨(dú)增加一臺(tái)發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率時(shí)，可使該發(fā)電機(jī)輸出的有功功率增加。（3）單獨(dú)增加一臺(tái)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流時(shí)，該發(fā)電機(jī)輸出的無功功率增加，而另一臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的無功功率將自動(dòng)減少。索引一、同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的特點(diǎn)準(zhǔn)確同步并車方式是目前船舶上普遍采用的一種并車方式，要求待并機(jī)組和運(yùn)行機(jī)組兩者的電壓、頻率和相位都調(diào)整到十分接近的時(shí)候，才允許合上待并發(fā)電機(jī)主開關(guān)。采用這一方式進(jìn)行并車引起的沖擊電流，沖擊轉(zhuǎn)矩和母線電壓的下降都很小，對(duì)電力系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生什么不利的影響，但是如果由于某種原因造成非同步并列時(shí)，則沖擊電流很大。最嚴(yán)重時(shí)可與機(jī)端三相短路電流相同，所以它要求嚴(yán)格而細(xì)心地操作，這是準(zhǔn)確同步并車方式的缺點(diǎn)。索引1、準(zhǔn)確同步并車?yán)貌④囯娍蛊?，即使并車條件相差很大，也不會(huì)形成較大的沖擊電流，使得并車操作簡單，但相應(yīng)地增加了設(shè)備。2、粗同步并車

自同步并車較準(zhǔn)同步并車簡單，它的操作過程是這樣的：原動(dòng)機(jī)將未經(jīng)勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速帶到接近同步轉(zhuǎn)速，即將發(fā)電機(jī)主開關(guān)合閘，并立即給發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，依靠機(jī)組間自整步作用而拉入同步，使發(fā)電機(jī)與電力系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行。由于船舶電站容量的限制，船舶電力系統(tǒng)不采用自同步并車方式，這種方式僅在陸電中使用。索引3、自同步并車

第二節(jié)同步發(fā)電機(jī)并車的條件交流三相同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)運(yùn)行，是指三相輸出連接線對(duì)應(yīng)連接，同時(shí)向負(fù)載供電。交流三相同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的理想條件為：①.并聯(lián)發(fā)電機(jī)的相序一致；②.三相對(duì)稱交流電壓的幅值分別相等；③.三相對(duì)稱交流電壓的頻率相等；④.三相對(duì)稱交流電壓的相位相等(相位差為零)。

同步發(fā)電機(jī)并車的條件1、電壓幅值條件當(dāng)頻率相等、初相位一致、電壓不相等時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車瞬間將在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車瞬間將在兩機(jī)組間產(chǎn)生一個(gè)無功性質(zhì)的環(huán)流、對(duì)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)起到均壓作用。電壓幅值不等時(shí)產(chǎn)生環(huán)流為無功環(huán)流。無功環(huán)流的作用結(jié)果是使電壓偏高的發(fā)電機(jī)去磁，同時(shí)使電壓偏低的發(fā)電機(jī)增磁，最終兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的端電壓相等，共同向負(fù)載供電。一般并車操作時(shí)，電壓差不得超過額定電壓的10%。

同步發(fā)電機(jī)并車的條件2、相位條件

與同方向，輸出有功電流，使G2轉(zhuǎn)速下降，使δ減小。無功分量滯后于90°，增加G2的感性負(fù)載，產(chǎn)生去磁效應(yīng)的電樞反應(yīng)，使端電壓有所下降。而環(huán)流對(duì)于運(yùn)行機(jī)組G1而言，是，為一個(gè)超前的輸出電流。當(dāng)

＝180°，

，環(huán)流達(dá)到最大，而整步功率為零。為了減少?zèng)_擊電流，一般并車操作時(shí)要求相位差

小于15°。

同步發(fā)電機(jī)并車的條件3、頻率條件：

若兩機(jī)相序一致、電壓幅值相等，且在相位差為零時(shí)合閘，但頻率不等。合閘瞬間雖不會(huì)造成環(huán)流，但合閘后頻率快的發(fā)電機(jī)相量前移，頻率慢的發(fā)電機(jī)相量將后移，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)電樞繞組之間也將出現(xiàn)有功環(huán)流。通過分析可以得到：有功環(huán)流將使頻率快的發(fā)電機(jī)受到阻力矩，使其頻率降低，使頻率慢的發(fā)電機(jī)受到驅(qū)動(dòng)力矩，使其頻率增加。最終使兩機(jī)的頻率也將達(dá)到一致(即“拉入同步”)。通常在并車操作時(shí)要求頻差小于0.5Hz，通常以0.25Hz最好。

同步發(fā)電機(jī)并車的條件

相序條件同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的相序條件是一定要滿足的條件。如果相序不一致，則任何時(shí)刻至少有兩相的相位不等，兩相之間將存在很大的電位差。不過，由于船舶發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向不變，在接線未改變時(shí)（比如航行時(shí)），相序?qū)⒉粫?huì)改變。因此相序條件變不是每次合閘必須檢查的條件——屬于理想并聯(lián)運(yùn)行條件之一，但不屬于合閘條件。相序不一致船舶同步發(fā)電機(jī)組在以下三種情況需要進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行：

（1）交換機(jī)組時(shí)的短期并聯(lián)運(yùn)行；

（2）滿足電網(wǎng)負(fù)載需求時(shí)的長期并聯(lián)運(yùn)行；

（3）滿足航行安全（例如進(jìn)出港）需求時(shí)的長期并聯(lián)運(yùn)行。

發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行有兩個(gè)主要內(nèi)容：投入并聯(lián)時(shí)的同步操作和投入并聯(lián)后的功率分配操作。索引2.3實(shí)際并車在船舶電站中通常采用準(zhǔn)同步方式。所謂準(zhǔn)同步是指滿足待并機(jī)組與運(yùn)行機(jī)組之間的電壓差等于零、頻率差等于零和相角差等于零三個(gè)同步條件時(shí)把待并發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)（即合上主開關(guān)）運(yùn)行。理想的準(zhǔn)同步合閘瞬間，發(fā)電機(jī)定子電流等于零。

準(zhǔn)同步的優(yōu)點(diǎn)是沖擊電流小，缺點(diǎn)是操作過程較長，特別是在電網(wǎng)頻率波動(dòng)較大的情況下并車操作困難。目前，中、大型船舶的電站特別是在采用自動(dòng)控制的電站中，幾乎都采用準(zhǔn)同步方式。索引早期的船舶電站中也有采用粗同步方式粗進(jìn)行并車的。粗同步的定義是：“在使同步發(fā)電機(jī)與另一同步發(fā)電機(jī)或電源進(jìn)入同步時(shí)，僅調(diào)節(jié)電壓使之與對(duì)方相接近而沒有精確地調(diào)節(jié)頻率與相位的同步過程?！奔窗汛l(fā)電機(jī)的電壓和頻率調(diào)到大致與電網(wǎng)接近時(shí)，將待并機(jī)通過電抗器并入電網(wǎng)，待發(fā)電機(jī)拉入同步后合上發(fā)電機(jī)主開關(guān)，切除電抗器。進(jìn)行粗同步合閘時(shí)，要求電抗器限制沖擊電流在2.5倍額定電流之內(nèi)。粗同步的優(yōu)點(diǎn)是操作過程短，不會(huì)產(chǎn)生危及機(jī)組安全的沖擊電流，缺點(diǎn)是有較大的沖擊電流，頻率差較大時(shí)有可能拉不進(jìn)同步。手動(dòng)同步并車操作步驟是；起動(dòng)待并發(fā)電機(jī)組，在待并發(fā)電建立了電壓之后，通過發(fā)電機(jī)控制屏上的電壓表檢測(cè)電壓是否與運(yùn)行機(jī)的電壓相等，應(yīng)使電壓差在±10%以內(nèi)。只要發(fā)電機(jī)調(diào)壓器工作正常，一般都能滿足這個(gè)要求，無需特別調(diào)整。之后檢測(cè)和調(diào)整待并機(jī)的頻率和初相位，使之滿足準(zhǔn)同步并車要求。通過“調(diào)速開關(guān)”來調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使待并機(jī)的頻率接近運(yùn)行機(jī)的頻率。然后再進(jìn)一步通過“同步檢測(cè)和指示裝置”檢測(cè)待并機(jī)組與原運(yùn)行機(jī)組的頻率差是否小于0.5Hz，初相位是否一致。

1．手動(dòng)準(zhǔn)同步并車裝置起動(dòng)后，一般可自行建立電壓并自動(dòng)調(diào)節(jié)端電壓到接近UN，滿足電壓差在±10％UN以內(nèi)。

因此，實(shí)際手動(dòng)并車操作時(shí)，只要通過注配電板上的“調(diào)速開關(guān)”調(diào)整待并機(jī)組的油門，使待并機(jī)的頻率接近電網(wǎng)的頻率，然后觀察待并機(jī)與電網(wǎng)之間的相位差，在相位差滿足并車條件時(shí)進(jìn)行合閘操作。根據(jù)觀察所依據(jù)指示裝置的不同，手動(dòng)并車方法有：燈光明暗法、燈光旋轉(zhuǎn)法和同步表法。

第三節(jié)同步發(fā)電機(jī)的并車和解列查看主配電板查看并車屏

燈光明暗法

3個(gè)指示燈H1、H2、H3分別接在電網(wǎng)側(cè)和待并側(cè)的對(duì)應(yīng)相上。并車操作時(shí)，通過選擇開關(guān)選擇所要并聯(lián)的發(fā)電機(jī)，待并機(jī)起動(dòng)后，若與電網(wǎng)頻率不相等時(shí)，三個(gè)指示燈將明暗變化。燈光變暗(熄滅)瞬間，待并機(jī)與電網(wǎng)的相位差為零。明暗法的亮、暗閃爍速度只能表示頻率差的大、小，而無法指示頻率差的正、負(fù)。（1）同步指示燈燈泡最亮——1800中間的1個(gè)指示燈H1接在電網(wǎng)測(cè)和待并側(cè)的對(duì)應(yīng)相A1、A2上，下面2個(gè)指示燈H2、H3接在不同相C1

、B2、和B1和C2上,即采用交叉連接。3個(gè)燈的輪流熄滅方向，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)方向的視覺。操作員由此判斷出待并側(cè)相對(duì)電網(wǎng)側(cè)頻率的高或低，據(jù)此作出發(fā)電機(jī)是降速或是升速操作。中間的指示燈熄滅，表示相位一致（相角重合），可以合閘投入發(fā)電機(jī)。燈光旋轉(zhuǎn)法：

①電磁式同步指示器

當(dāng)待并發(fā)電機(jī)的頻率

超過電網(wǎng)頻率

時(shí)，則指針沿著“快”的方向旋轉(zhuǎn)，指針的旋轉(zhuǎn)速度為差頻

。同理，當(dāng)

時(shí)，指針沿著“慢”的方向旋轉(zhuǎn)，這就表示發(fā)電機(jī)的頻率比電網(wǎng)頻率“慢”了。（2）同步指示器圖：并車時(shí)刻沖擊最大時(shí)刻當(dāng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組與待并發(fā)電機(jī)組頻差小于0.2Hz，且相位差在350°～360°之間時(shí)，上方“SYNC”綠色指示燈亮，此時(shí)待并發(fā)電機(jī)組即可并車投入運(yùn)行。（2）帶指示燈的同步指示器

（1）起動(dòng)待并機(jī)的原動(dòng)機(jī)，使其加速到大致接近額定轉(zhuǎn)速。（2）通過主配電板上的電壓表觀察待并機(jī)的電壓，看是否接近額定電壓（一般可不必進(jìn)行調(diào)整，因有自動(dòng)調(diào)壓器的作用）。（3）接通同步表（同步表選擇開關(guān)置待并機(jī)位置），檢測(cè)電網(wǎng)和待并發(fā)電機(jī)的差頻大小和方向。并據(jù)此對(duì)待并發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，使差頻小于允許值。精確調(diào)節(jié)待并機(jī)的原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使待并發(fā)電機(jī)的頻率比電網(wǎng)頻率稍高（約0.3Hz），此時(shí)可看到同步表的指針沿順時(shí)針“快”方向緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，約3～5S轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。2．手動(dòng)并車操作過程查看粗同步并車

（4）觀察同步表指示的相位差，在將要到達(dá)“相位一致”時(shí)，即同步表指針轉(zhuǎn)到上方11點(diǎn)位置時(shí)，立即按下待并機(jī)的合閘按鈕，此時(shí)ACB立即自動(dòng)合閘，待并發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。合閘后，斷開同步表的開關(guān)。（5）此時(shí)待并機(jī)雖已并入電網(wǎng)，但從主配電板上的功率表可以看出，它尚未帶負(fù)載，為此，還要同時(shí)調(diào)節(jié)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)速控制旋鈕，使剛并入的發(fā)電機(jī)加速，原在網(wǎng)的發(fā)電機(jī)減速，在保持匯流排頻率為額定值的條件下，使兩臺(tái)機(jī)組均衡負(fù)荷。并車操作過程查看組成框圖粗同步并車的工作原理是在待并發(fā)電機(jī)的頻率、電壓調(diào)整到大致接近于網(wǎng)上的運(yùn)行發(fā)電機(jī)的頻率和電壓時(shí)，在不考慮相位差大小的情況下，將待并發(fā)電機(jī)經(jīng)一串聯(lián)電抗器接入電網(wǎng)，經(jīng)一段延時(shí)后待沖擊電流減小時(shí)，將ACB合閘，然后再將電抗器切除。這樣可避免由于電壓差、相位差而造成的巨大沖擊電流。這種裝置對(duì)電壓和頻率的調(diào)整要求沒有準(zhǔn)確同步那樣高，因此又稱為粗同步并車裝置。由于粗同步并車參數(shù)預(yù)調(diào)是手動(dòng)的，合閘是自動(dòng)的，所以又稱為半自動(dòng)粗同步并車裝置。其特點(diǎn)是操作簡便、可靠。3．粗同步并車粗同步并車的工作過程相角差

時(shí)均可合閘，這種裝置放寬了對(duì)準(zhǔn)同步并車的條件，提高了并車的成功率。粗同步并車采用的電抗器，是按時(shí)工作設(shè)計(jì)、制造的，連續(xù)通電十幾秒就會(huì)燒毀。3.4半自動(dòng)并車半自動(dòng)并車是介于手動(dòng)并車與自動(dòng)并車之間的一種并車方式，如采用F96-SM型帶并車指令的同步指示器進(jìn)行并車，一般當(dāng)并車條件滿足時(shí)，需手動(dòng)按下并車按鈕，F(xiàn)96-SM型帶并車指令的同步指示器會(huì)自動(dòng)發(fā)出同步合閘脈沖，實(shí)現(xiàn)并車。

發(fā)電機(jī)組退出并聯(lián)運(yùn)行的過程稱為解列，當(dāng)電網(wǎng)總負(fù)荷小于一臺(tái)機(jī)組的70％額定容量時(shí)，或機(jī)動(dòng)航行狀態(tài)結(jié)束時(shí)，或替換機(jī)組時(shí)，都要將并聯(lián)發(fā)電機(jī)組之一退出并聯(lián)運(yùn)行。解列操作程序一般為：①首先將全部負(fù)荷(大約保留5%Pe)轉(zhuǎn)移到留用的運(yùn)行機(jī)組。即同時(shí)向相反方向操作兩發(fā)電機(jī)組的調(diào)速開關(guān)，解列機(jī)“減速”，留用機(jī)“加速”，保持電網(wǎng)頻率基本不變；②當(dāng)待解列機(jī)承擔(dān)的有功功率接近于5%Pe之前按下其脫扣按鈕，使發(fā)電機(jī)跳閘；③然后停掉解列的機(jī)組。3.5并聯(lián)運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)的解列

早期采用分立元件或部分集成電路構(gòu)成的自動(dòng)并車裝置，形式上是一個(gè)獨(dú)立單元，只有調(diào)節(jié)頻差、監(jiān)視電壓差和相位差功能，實(shí)質(zhì)上仍屬于半自動(dòng)化范疇，稱為模擬式自動(dòng)并車裝置。隨著微電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)不斷成熟，大部分船舶電站都裝有功率管理系統(tǒng)（PMS，PowerManagementSystem）。在PMS中自動(dòng)并車不作為一個(gè)獨(dú)立裝置，而是PMS中的一個(gè)單元或一部分。第四節(jié)同步發(fā)電機(jī)自動(dòng)并車

典型的自動(dòng)同步裝置的原理框圖如圖8-5所示，自動(dòng)并車