船舶電力系統(tǒng)頻率及有功功率自動調整精選課件

1、第四章 船舶電力系統(tǒng)頻率及 有功功率自動調整一 概述1 頻率變化的原因發(fā)電機電壓的頻率和原動機轉速的關系：f = P n / 60發(fā)電機功率平衡方程式：Pg* = PF* +P* + Tc dn* / dt （標么值） Pg* - 機械功率標么值PF*-發(fā)電機負載功率標么值P*-機電損耗功率標么值Tc-機組慣性時間常數當 dn* / dt =0 頻率恒定，說明功率平衡；若負載增加，油門尚未變化，Pg*不變，功率平衡被破壞，dn* / dt 0，頻率下降可見，負載變化時，要保持頻率恒定，應相應地調整原動機的油門，保持功率平衡。這部分工作由調速器完成。第1頁，共49頁。2 （離心式）調速器基本原理

2、及特性A 結構：主要由飛鐵3、套筒5、彈簧6、杠桿7、拉桿8組成B 原理：按實際轉速與給定轉速（彈簧予緊力）之差，自動調節(jié)油門，維持原動機接近定速運行。（有差調節(jié)系統(tǒng)）傳動軸1將轉速傳給軸2，飛鐵3繞2旋轉，離心力作用下，力圖張開，通過拔爪4將套筒5上頂，壓縮6直到平衡，5固定在某一位置，7、8將油門拉到一定開度，使機組在一定的轉速下運行。 若某原因使轉速下降（如負載增加），以上平衡被破壞， 轉速下降-離心力減小-5 下降-油門加大，阻止轉速進一步下降，出現了新的平衡，使機組在一定的轉速下運行。（此時轉速比原轉速下降了）（5位置下降，換取了油門增加，維持功率平衡，阻止轉速更大下降）上述調速器自

3、動調速過程，又叫一次調節(jié)； 改變彈簧予緊力的調節(jié)稱二次調節(jié)。第2頁，共49頁。第3頁，共49頁。C 靜態(tài)調速特性-在調速器的自動調節(jié)下，機組的轉速（ f ）隨有功功率變化的關系，稱發(fā)電機組的調速特性（下傾特性） 定義：n* = f *= G ( P* ) 調差系數：Knc = - f * / P* = tg - 通常調差系數在3-5%規(guī)范規(guī)定： Knc 5%二 單機運行頻率調整（二次調節(jié)使調速特性曲線平移） ffP第4頁，共49頁。 三 并聯運行機組間有功功率的轉移和分配方法：增加新并入網機的彈簧予緊力， 同時相應地減小在網機的彈簧予緊力， 保持頻率不變，均分負荷。第5頁，共49頁。第6頁，共

4、49頁。有差調節(jié)法借助帶有差調速特性機組的并聯，實現自動調頻、調載的方法稱有差調節(jié)法（最簡單的一種自動調頻、調載方法）設特性曲線1、2為兩臺發(fā)電機組的特性曲線，調差系數分別為Knc1、 Knc2 開始，系統(tǒng)運行于A點：P1=P2=1/2PfZ，f=fe負荷增加P，電網頻率降至f1,系統(tǒng)達到新的平衡1號機組工作在A1點，2號機組工作在A2點1號機的功率增量P1= - f / Knc1 （1）2號機的功率增量P2= - f / Knc2 （2）第7頁，共49頁。P= P1 + P2 (功率平衡） P= -（ f / Knc1+ f / Knc2 ） - f = = - f / KP 1 1/ Kn

5、c1 + 1/ Knc2 其中 1 KP = 1/ Knc1 + 1/ Knc2 稱其為并聯系統(tǒng)的平均調差系數第8頁，共49頁。 f = - P KP （3） 代入（1）、（2）得 P1= P KP / Knc1 P2= P KP / Knc2結論：1）有差調節(jié)法中，負荷變化時，頻 率將變化，頻差正比于負荷增量 2）各機組功率分配關系也將變化， 與P 成正比,與各自的調差系數成 反比3）若 Knc1= Knc2 = - =Kncn = Kc 則 KP = Kc / n P1 =P2= - = Pn = P / n 能夠均分有功分量第9頁，共49頁。四 自動調頻調載裝置的組成和 調頻調載的方法1

6、 自動調頻調載所謂自動調頻調載，就是能：自動維持電網頻率恒定，保證有功功率按比例分配，接受解列指令時，能自動控制負荷轉移。實質是能：自動地調節(jié)調速器的伺服馬達，改變彈簧予緊力（二次調節(jié)）（調速器的靜態(tài)校正器）第10頁，共49頁。2 自動調頻調載裝置的基本組成（四部分）1） 頻率變換器（一臺/ 每船）又叫頻率檢測器，自動檢測出頻差，并將此偏差變換成相應大小和極性的直流電壓信號。特性關系：U f =K f f =Kf (fsh- fe)K f - 頻率變換系數框圖：實際線路舉例：諧振式頻率變換器第11頁，共49頁。第12頁，共49頁。2）有功功率變換器（1臺/ 機） 它將每臺發(fā)電機輸出的有功功率變

7、換成 與之成正比的直流電壓信號。特性關系：Up = Kp P (K f -功率變換系數)框圖：實際線路舉例：up = u1 - u2 u1 = k( uu + ui cos ) u2 = k( uu - ui cos )up = 2k ui cos 由于 uikiI up =2kki I cos = Kp P第13頁，共49頁。第14頁，共49頁。3） 有功功率分配器有功功率分配器應得到功差信號U p = Kp Pi = Kp (Pi - Pi /n)得到功差信號及實現有功功率按比例分配，方法很多，虛有差調整法實際線路中討論。第15頁，共49頁。4） 調整器根據頻差和功差的綜合信號，按其極性和

8、大小，變換成相應的脈沖信號，進行加減速控制，實現調頻調載。特性關系：usr =kf f +kp Pi = u f + u p usr 0 輸出減速脈沖 usr fe則 usri 0，各調節(jié)器均發(fā)出減速信號，調速特性向下平移，系統(tǒng)頻率減小，直到f = fe， usri = 0，調整完畢。第18頁，共49頁。功率分配的調整假設條件：均功分配過程中頻率保持為額定值。這樣，頻率變換器輸出為零，“2、3”點等電位，功率變換器可視為一個電壓源，并忽略其內阻，見等效電路。各調節(jié)器的輸入信號就是各自的均功電阻上的電壓信號。設有n臺并聯運行，“3”到“1”端的電壓為U各均功電阻R上的電壓、電流分別為Uri、Ii

9、U=I1 R - UP1 = I2 R - UP2 = In R - Upn = Ii R - UPi Ii =( U+ Upi) / R Ii = 0 ( U+ Upi) / R = 0U= -Upi /n第19頁，共49頁。各均功電阻R上的電壓為URi= Ii R =U+Upi=U+Kp Pi (Upi= Kp Pi ) = Kp Pi -Upi /n = Kp Pi - Kp Pi /n = Kp(Pi -Pi /n) URi = Kp Pi即：各均功電阻R上的電壓就是功差信號設有一機組實際功率Pi 平均功率則加于調節(jié)器的信號0該機組發(fā)出減速信號，減負荷；同時，必有另一機組實際功率Pi

10、平均功率，則加于調節(jié)器的信號0，使1號機組發(fā)出減速信號，卸載；此時，2號機組還未加大油門，系統(tǒng)頻率下降，頻率變換器輸出不在為零，加在調節(jié)器T2上，使2號機組發(fā)出加速信號，加載，力圖維持恒頻；另一方面，頻率變換器的輸出與解列回路產生的信號反向串聯加在T1，使其綜合信號不致太大，降低了卸載速度，使頻差不致太大。（有利于電網的穩(wěn)定）這樣，能自動控制負荷轉移，維持電網頻率不變。第22頁，共49頁。2） 主調發(fā)電機法在并聯發(fā)電機中選一臺作主調發(fā)電機，任務是當電網負荷變化出現頻差時，只改變主調發(fā)電機的油門，調節(jié)電網頻率維持額定值，并承擔負荷的變化量，其余機組為機載發(fā)電機，總保持運行于接近額定負載（油門經一

11、次整定后不再調節(jié)）。第23頁，共49頁。第24頁，共49頁。3） 二次調頻調栽系統(tǒng)的穩(wěn)定問題A 不靈敏區(qū)（） 即：相應調節(jié)器的啟動值功能：（1）防止調節(jié)過于頻繁（以免磨損過度） 規(guī)范允許： f %的絕對值 2.5% ， P%的絕對值 15% （2）提高二次調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性B 二次調節(jié)系統(tǒng)的振蕩現象及消振措施1 調頻的振蕩現象 （設調節(jié)器輸出為脈沖調節(jié)信號）設每一個調節(jié)脈沖產生的單機頻率變化量為f （與脈沖寬度相關）與調節(jié)器的對應的頻率變化量為f 則當 f 2 f時系統(tǒng)可能產生不衰減振蕩（與初始條件有關）第25頁，共49頁。2） 功率分配調節(jié)時的振蕩現象設每一個調節(jié)脈沖產生機組的功率變化量為P

12、（與脈沖寬度相關）與調節(jié)器的對應的功率變化量為 P則當P 2 P 時系統(tǒng)可能產生功率調節(jié)振蕩（與初始條件有關）（3） 消振措施減小脈寬 - 但調節(jié)時間拉長加大不靈敏區(qū)-但靜態(tài)誤差加大以上兩條應權衡處理避免產生振蕩的最好方式是設計調節(jié)器時，使其輸出的調節(jié)脈寬受誤差信號大小的調節(jié)：即當系統(tǒng)的頻差、功率分配差信號大時，調節(jié)脈寬隨之加大，在調節(jié)過程中，當誤差信號變小時，調節(jié)脈寬也隨之減小。第26頁，共49頁。第27頁，共49頁。五 EEA22船舶電站自動控制系統(tǒng)簡介EEA22船舶電站自動控制系統(tǒng)由SGA23發(fā)電機自動控制子系統(tǒng)和SDA22柴油機自動控制子系統(tǒng)組成。 主要功能：1 手動、自動起、停柴油機

13、組2 自動起動柴油機組時，允許三次起動3 自動頻率予調，當發(fā)電機與電網同步時，根據主開關的動 作時間，提前發(fā)出合閘脈沖，使發(fā)電機自動并網4 自動調頻調載5 滿足增機條件，經延時自動啟動備用機組投入電網6 輕載自動減機7 如果電網失電，自動啟動備用機組，并且只要發(fā)電機電壓大 于85%額定電壓時就自動合閘，使發(fā)電機迅速投入電網8 根據運行機組故障的性質，發(fā)出相應的指令：自動啟動備 用機組；故障機組分斷，退出電網；停止故障機組；發(fā)出報 警信號等第28頁，共49頁。SGA23發(fā)電機自動控制子系統(tǒng)包括自動頻率予調功能、自動并車功能和自動調頻調載功能三部分。共有7塊印刷電路版組成（每臺發(fā)電機組）。分別為：

14、WMG23 有功功率檢測單元FRG23 頻率控制器LAG23 負荷分配調節(jié)器RAG23 繼電器出口單元EVG23 合閘脈沖發(fā)生器FAG23 頻率予調單元SNT23 電源單元自動調頻調載部分由WMG23、 FRG23、 LAG23、 RAG23以及SNT23單元實現自動頻率予調部分由FAG23以及SNT23單元實現自動并車部分由EVG23 以及SNT23單元實現第29頁，共49頁。七 船舶軸帶發(fā)電機控制系統(tǒng)及裝置 船舶軸帶發(fā)電機裝置是由船舶主機 驅動發(fā)電機供電的裝置 1 主要優(yōu)點：經濟節(jié)能：主機效率高，耗油量少，使用低價的重柴油改善機艙環(huán)境， 航行時船舶機艙只有主機運行，噪聲和熱源減少2 分類：

15、變螺距軸帶發(fā)電機裝置和定螺距軸帶發(fā)電機裝置變螺距軸帶發(fā)電機裝置，主機轉速恒定，發(fā)電裝置頻率基本恒定，此裝置只能在切換發(fā)電機時作短暫并聯運行定螺距軸帶發(fā)電機裝置應用最廣，可以和其它柴油發(fā)電機長期并聯運行第30頁，共49頁。3 可控硅軸帶發(fā)電機裝置的組成和作用（1）軸帶發(fā)電機：一般為無刷同步發(fā)電機，無阻尼繞組（2）可控硅變流器：包括整流器和逆變器 軸帶發(fā)電機產生的三相交流電經整流器變?yōu)橹绷麟?，再由?變器變?yōu)楹泐l、恒壓的三相交流電向電網供電（3）同步補償機： 提供無功功率，維持電網恒壓（4）交流電抗器： 限制諧波電流，改善輸出電壓波形（5）勵磁用可控硅整流裝置： 改變其控制角，改變軸帶發(fā)電機勵磁電

16、流，調節(jié)軸帶發(fā)電機 輸出功率（6）控制系統(tǒng)： 實現對軸發(fā)裝置的自動控制第31頁，共49頁。西門子可控硅軸帶發(fā)電機控制系統(tǒng)基本原理電壓與無功功率自動控制原理同步補償器的電壓調節(jié)器保證電壓恒定，它產生的無功功率滿足全船負荷的要求。頻率與有功功率自動控制原理當主機轉速變化時，根據軸帶發(fā)電機功率輸出特性的不同狀態(tài)，采用兩種控制方式：1）勵磁電流自動調節(jié)系統(tǒng)軸帶發(fā)電機運行在I 區(qū)，逆變器的逆變角為最小并保持恒定（30）當主機轉速下降，增大勵磁電流，維持輸出功率恒定并保證頻率不變2）逆變角自動調節(jié)系統(tǒng)軸帶發(fā)電機運行在II 區(qū)，此時軸帶發(fā)電機的勵磁電壓和勵磁電流為最大（恒定），當主機轉速下降，只有增加逆變角

17、，使整流電壓與逆變電壓隨轉速下降而減少，輸出功率線性遞減，自動卸去電網的次要負載，保證頻率恒定不變第32頁，共49頁。一 可靠性的基本概念 1 可靠性 一般常用的可靠性定義是：“產品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內，完成規(guī)定功能的能力”。從可靠性定義可知：研究可靠性應掌握以下四個方面的內容： 11 對象。研究系統(tǒng)可靠性時，一般把研究對象區(qū)分為元件和系統(tǒng)。元件（Component）是構成系統(tǒng)的基本單位，在一個具體的系統(tǒng)中，元件不能再分割。系統(tǒng)（）是由元件組成的，它可看成是元件組成的總體。有時，系統(tǒng)包容的范圍太大，又可分為若干子系統(tǒng)（）。12 功能。所謂“功能”是指設備的主要性能和技術指標（如調速系統(tǒng)的平

18、滑變速、正反向運行、調速范圍、調速精度、穩(wěn)速精度等性能和技術指標）。第33頁，共49頁?！爱a品喪失規(guī)定功能” 就是失效或故障。如船舶電站自動化系統(tǒng)，因某一元件失效而使系統(tǒng)停止運行，無法向船舶電網供電，這就是完全喪失了規(guī)定的功能，即發(fā)生一次故障。又如有一穩(wěn)速系統(tǒng)，在某工作環(huán)境下，在一規(guī)定的運行期間內，由于系統(tǒng)元件的參數偏移了標稱值，使系統(tǒng)性能發(fā)生了變化，其穩(wěn)速精度由0.1變化到了0.5，若系統(tǒng)性能規(guī)范要求穩(wěn)速性能必須小于0.5，這表明系統(tǒng)性能已不符合規(guī)范要求，那么就認為系統(tǒng)已發(fā)生漂移性故障。若系統(tǒng)性能規(guī)范要求穩(wěn)速精度為1，則可以認為該系統(tǒng)有較高的可靠性。13 時間。設備或系統(tǒng)工作的可靠性一定要和

19、工作的時間聯系起來，這個時間可以是連續(xù)的，也可以是斷續(xù)的。14 條件。通?！耙?guī)定條件”是指包括環(huán)境條件（戶內外、溫度、濕度、氣壓、震動、沖擊輻射等）、工作條件（如功能模式、操作方式、負載條件、工作電源、維修條件等）、使用方法及運行、管理人員的技術水平等。第34頁，共49頁。2 不可維修系統(tǒng)與可維修系統(tǒng) 從可靠性觀點來看，元件可分為可修復元件(Repairable Component)和不可修復元件(Non-repairable Component)兩大類。如果元件使用一段時間后發(fā)生故障，經過修理就能再次恢復到原來的工作狀態(tài)，這種元件稱為可修復元件，如果元件工作一段時間后發(fā)生故障，不能修復或雖能

20、修復，但很不經濟，這種元件便稱為不可修復元件。 電力元件大部分是可修復元件。由元件組成的系統(tǒng)也可以分為兩大類，即可修復系統(tǒng)（Repairable System）和不可修復系統(tǒng)（Non-repairable System）。如果系統(tǒng)使用一段時間以后發(fā)生故障，經過修復能再次恢復到原來的工作狀態(tài)，這種系統(tǒng)稱為可修復系統(tǒng)；如果系統(tǒng)發(fā)生故障后，無法修復或無法恢復到原來的工作狀態(tài)或這種修復很不經濟，就稱這種系統(tǒng)為不可修復系統(tǒng)。電力系統(tǒng)屬于可修復系統(tǒng)。第35頁，共49頁?，F在我們可以明確易于混淆的兩個概念故障與失效。一般來講，對于不可修復的產品如其喪失了規(guī)定的功能則稱為“失效”（ f a i l u r e

21、）對于可修復的產品雖然暫時喪失了規(guī)定的功能但可以通過維修恢復其規(guī)定的功能則稱為“故障”（f a u l t ）。另外，不論可修復的產品或不可修復的產品，如果由于其它因素的影響而非產品本身的原因引起該產品喪失了規(guī)定的功能，也稱為故障。這樣，一般來講，所有的失效都是故障，但不是所有的故障都是失效。例如：考慮一個繼電器，如果在它的線圈兩端加上電壓時它的常開觸點能正確地閉合，我們稱這個繼電器工作正常，反之，在此條件下，若此繼電器的常開觸點沒能閉合，（比如繼電器線圈已燒斷，無法修復），我們稱這個繼電器失效；如果繼電器的常開觸點沒能閉合的原因是由于繼電器線圈開路，經修復后可以恢復其功能，我們稱這個繼電器故

22、障；還有一種可能是由于其它部件不適當的作用而使繼電器得電錯誤地閉合，顯然這不是繼電器失效，然而，繼電器錯誤地工作使電路進入了一個錯誤的狀態(tài)，我們則稱這個繼電器故障。第36頁，共49頁。二 可靠性的主要指標 可靠度與不可靠度 11 可靠度（）可靠度的定義是：“產品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內，完成規(guī)定功能的概率”用數學形式表達，它是一個時間的函數，又稱可靠度函數，記作（），12不可靠度（）不可靠度定義為：產品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內，完不成規(guī)定功能的概率，用（）表示。2 失效率入（）失效率又稱故障率，它是產品可靠性的重要指標，不少產品如電子元器件就是依據其失效率的大小確定其可靠性等級的。

23、失效率入（）定義是：已工作到時刻尚未失效的產品在時刻后單位時間內發(fā)生失效的概率稱為該產品在時刻的失效率，它是一個時間的函數，又稱失效率函數，記作入（）。 第37頁，共49頁。對一般元器件或系統(tǒng)而言，失效率入(t)隨時間t的變化如圖所示，一般稱可靠性特性曲線。由于其圖形有些象浴盆，所以又叫浴盆曲線。它反映了元器件或系統(tǒng)的可靠性水平，失效率越高，既單位時間內元器件或系統(tǒng)的失效次數越多，其可靠性水平就越低。 根據失效率的變化情況，一般元器件或系統(tǒng)在其壽命期要經過早期失效期、偶然失效期、耗損失效期三個階段。 早期失效期 早期失效期見圖的階段。 偶然失效期 偶然失效期見圖的階段。 耗損失效期 耗損失效期

24、見圖的階段。第38頁，共49頁。第39頁，共49頁。3 平均壽命 產品在規(guī)定的條件下壽命T的平均值則稱平均壽命，對不可修復產品其平均壽命即到失效前的平均時間，用MTTF(Mean time to failure)表示，對可修復產品來說常用MTBF(Mean time between failure)即平均無故障間隔時間表示其平均壽命。 三 可靠性模型及計算 1 可靠性模型的組成 可靠性模型包括可靠性框圖和可靠性數學模型兩項內容。評價系統(tǒng)的可靠性，首先可以將系統(tǒng)的工程原理圖轉變?yōu)橄到y(tǒng)的可靠性框圖（Reliability Block Diagram），用框圖去計算系統(tǒng)的可靠性稱之為框圖法。系統(tǒng)的工

25、程原理圖是表示組成系統(tǒng)的元件、單元之間的物理關系和工作關系，而可靠性框圖則是描述系統(tǒng)的功能與組成系統(tǒng)的元件之間的可靠性功能關系。它由許多方塊組成，每個方塊表示一個元件工作，將方塊移去，則表示該元件故障，如果移去一些方塊后就使系統(tǒng)的輸入和輸出節(jié)點斷開，則表示某些元件故障，亦即導致系統(tǒng)故障。下面舉例說明系統(tǒng)工程原理圖與可靠性框圖的區(qū)別：最簡單的振蕩電路，它由一個電感和一個電容并聯連接的。但根據振蕩電路的工作原理，電感和電容中任意一個故障都會引起振蕩電路故障，因此，振蕩電路的可靠性框圖為串聯連接。 第40頁，共49頁。 三臺并聯連接的發(fā)電機組組成冗余系統(tǒng)的原理圖，但隨著功能要求的不同，對應的可靠性框

26、圖也不同。當電站功能要求三臺發(fā)電機組組成全部完好，電站方滿足要求，這時可靠性框圖是三臺發(fā)電機組串聯連接，當電站功能要求三臺發(fā)電機組中至少兩臺完好才滿足要求，得到三中取二的可靠性框圖。顯然，若電站功能要求至少一臺發(fā)電機組完好即滿足要求，可靠性框圖和系統(tǒng)原理圖一致。2 常見系統(tǒng)的可靠性模型1） 串聯系統(tǒng)的可靠性模型 串聯系統(tǒng)是指組成系統(tǒng)的任一元件失效均導致系統(tǒng)失效。反之，系統(tǒng)正常工作的條件是系統(tǒng)中所有單元均須正常工作。 若以Es和Ei分別表示系統(tǒng)和單元的正常工作狀態(tài)，則其可靠性框圖和系統(tǒng)正常工作狀態(tài)的表達式可分別表示為：第41頁，共49頁。第42頁，共49頁。第43頁，共49頁。第44頁，共49頁。模型系統(tǒng)的失效率為單元失效率之和。系統(tǒng)平均無故障工作時間MTBFs=1/s =1/ i由以上分析計算可以得出串聯模型Es = E1 E2 E3