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柴油发电机组瞬时和稳态频率（转速）调整率 |
摘要：柴油发电机组是一种常见的发电设备，可提供稳定的电力供应。在发电过程中，频率的稳定性是至关重要的，而瞬态频率调整率则是评估发电机组频率稳定性的重要指标之一。瞬态频率调整率是指发电机组在负荷变化时，频率从新负荷状态向稳定状态过渡的速度。它反映了发电机组在负荷变化时的频率调节能力，也直接影响到电网的稳定性和用户的用电质量。
一、频率调整率
频率调整，又称转速控制，是柴油发电机组中维持有功功率供需平衡的主要措施，其根本目的是保证柴油发电机组的转速稳定。柴油发电机组频率调整的主要方法是调整发电功率和进行负荷干预。按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次调频（系统如图1所示）、二次调频和三次调频，其特性如图2所示。调速控制也是柴油发电机组控制系统的重要组成部分。
1、瞬态频率调整率的计算
瞬态频率调整率，也叫瞬时调速率（δfs），是指柴油发电机组在突加或突减负载时，瞬间变化频率与负载变化前频率的差值与额定频率的比值。其数学表达式为
式中：f为额定频率；
f0为突加或突减负载前的稳定频率；
f1为突加或突减负载时的最大或最小频率值。
自负载突变瞬间开始到频率开始稳定（稳定的定义在被试机组的技术条件中有规定）为止所经过的时间即为瞬态频率恢复时间，取三次试验中最长的一次作为试验最终结果。
2、稳态频率调整率的计算
稳态频率调整率，也可称为稳态调速率，通常I、II、Ⅲ类电站要求δf=0.5%～3%，Ⅳ类电站δf≤5%。
稳态频率调整率能够比较长时间以某一速率稳定变化之数值。如调整柴油发电机的转速能够以10转/分增加，则其稳态调速率为10转/分。它是相对于瞬间调速率而言的。由此可知道调速的性能。
可用发电机控制屏上的频率表或F41B表测试频率，测得交流电频率经计算得稳态频率调整率（δf）应符合要求。其数学表达式为
式中，f —满载时的额定频率；
f1—负载渐变后的稳定频率，取各读数中的最大值和最小值；
f2—额定负载的频率。
当检测中所加负载为满载时，f1用空载时频率值代替，f=f2为满载时频率值代替。
3、转速波动率的计算公式
转速波动率也称为频率波动率，是指发电机组在负载不变时的频率波动程度，其用数学公式表达为：
式中：FBmax一为负载不变时的最高频率；
FBmin为负载不变时的最低频率。
FBmax和FBmin要取同一负载下、同一次观测时间内的最大频率值和最小频率值。
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图1 发电机组一次调频辅助系统图 |
图2 发电机组频率调整特性 |
二、频率的影响因素和试验
交流柴油发电机组并联运行及并入电网运行时，各发电机组的总负载不变，但由于各发电机组的制造工艺和供油的不均，会引起一台发电机组的功率增加和另一台发电机组的功率减少。通常把这种现象称为功率交互振荡，俗称“游车”。功率的变化会导致系统输出频率的波动，频率能否快速恢复稳定，对电气设备的安全运行至关重要。柴油发电机的应用环境一般容量小，频率波动大。对并联运行的发电机，改变发电机间的有功功率分配，是通过改变各台柴油机的油门大小，即单位时间内进入气缸的燃油量来实现的。发电机输出的有功功率是由柴油机的机械功率转化来的，随着负荷的变化需要经常调整柴油机的转速，以保持电网频率的恒定，其频率与柴油机调速控制系统密切相关。
1、频率的影响因素
柴油发电机组的瞬态频率调整率受到多种因素的影响。
（1）发电机组的机械质量和转子惯量会影响频率调整的速度。质量越大、转子惯量越大的发电机组，在负荷变化时，其频率调整的速度会相对较慢。
（2）发电机组的调速系统对瞬态频率调整率也有重要影响。调速系统负责控制发电机组的输出功率，通过调整燃油供给量来实现频率的调节。调速系统的响应速度越快，发电机组的瞬态频率调整率就越高。
（3）柴油发电机组的负载特性也会对瞬态频率调整率产生影响。负载特性指的是发电机组在负载变化时，输出电压和频率的变化情况。如果发电机组的负载特性不稳定，频率的调整速度就会受到限制。
（4）通信状态对频率调整的影响主要表现为：
① 延迟对频率跌落深度的影响。
② 丢包率对实际调整容量的误差影响。
假设某一区域内可控容量一定，柴油发电机在供电时刻频率达到60HZ，控制中心和用户之间的通信链接存在
f′smart=f0−Δf∞(1−e−(t0+τ)/Tf)
P′actual=(1−ζ)Pgoal
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图3 发电机通信状态对频率响应的影响 |
图4 不同情况下的频率恢复情况 |
2、频率调整率试验方法
柴油发电机组的负载来源可以采用两种模式，其一为假性负载机来代替真实用电负荷，对柴油发电机组进行测试，试验电路图如图5所示；其二为客户真实的用电负载，当全厂对应的用电设备全部开启后对柴油发电机组进行测试，试验电路如图6所示。
（1）发电机加满载调整输出交流电频率为整定值（50Hz）。
（2）发电机去载（为空载）调整输出交流电压为整定值（400V）。
（3）待逐级加载25％、50％、75％、100％，待稳定后测得各次的频率和三相平均电压，计算稳态调整率，稳态频率调整率应符合要求≤-0.5％。
（4）待逐级减载75％、50％、25％至空载，待稳定后测得各次的频率和三相平均电压，计算稳态调整率，稳态频率调整率应符合要求≤0.5％。
为了提高柴油发电机组的瞬态频率调整率，可以采取以下措施。首先，选用质量较好、转子惯量较大的发电机组。这样可以增加发电机组的惯性，提高频率调整的速度。其次，对调速系统进行优化，提高其响应速度。可以采用先进的调速装置和控制算法，使调速系统的控制更加精确、灵敏。此外，还可以通过增加调速系统的增益和减小调速环节的延迟，来提高整个系统的频率响应速度。
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图5 柴油发电机组假性负载机试验电路图 |
图6 柴油发电机实际用电负载测试电路图 |
三、
频率稳定时间是指柴油发电机组从负载突变到频率开始稳定所需时间。I、II、III类电站性能等级为2~5s；IV类电站性能等级为≤7s。如果频率频率稳定时间超时，应当进行频率调整或装设自动调频调载装置。自动调频调载装置作用是维持电力系统频率恒定和有功功率按比例分配，实际是通过步进电机对原动机电子调速器的预紧弹簧压力作微调。方法有以下5种：
1、主调发电机法
这种方法是在并联运行的发电机组中选择一台作为“主调机”，当电网负荷变化而出现频差时，由主调机组进行频率的二次调节，改变油门的开度，使电网频率维持稳定，该主调机还承担电网负荷的变化量。而参与并联的其他机组则总是带固定的负荷，称为“基载机”。主调发电机法原理简单，但缺点是使主调机和基载机的功率因数不一致，且随负载的变化而变化，这样当负荷变化较大时，调频过程就会很慢，因为只有主调机组在起调整作用。
2、有差调节
利用具有有差调速特性且调差系数相近的发电机组并联运行来实现频率稳定及负载分配的频载调节方法。这种方法无自动调频调载装置，无法进行二次调节，各机组只由具有有差特性的调速器来控制，因此不能很好地维持频率恒定，负载分配一般也不均匀。此外，它不能自动转移负荷。
3、主从控制法
主从控制法是在并联运行的发电机组中选择一台作为主控机，主控机的主要作用维持电网频率的稳定。它不断地把系统频率与给定频率相比较，当系统频率高于给定频率时，其调节器输出减速信号，通过主控机的调速伺服马达调小原动机的油门；反之，则加大油门，力图维持系统频率的稳定，有时也称其为Master，相应地其余的机组称为slaver，专门负责负荷分配，对频率的变化则不过问。
4、积差法
积差调整法是按频差△f对时间的积分△F=K ʃAfdt来进行调频的，同时引入与各机组实际功率成正比的功率信号进行比较来校正负荷分配。它的特点是调整结束时总是保持恒频和按比例分配负荷。
5、虚有差法
虚有差法是在参与并联的每一台发电机上都装设按频差和功率分配差进行调整的控制系统。在它们的控制下能经常地保持电网的频率为额定值，电力系统的负荷则按给定比例进行分配。虽然每台发电机所装置的调速器仍为有差特性，且调差系数都不为零，也不会影响调整结果。这就是“虚有差”这一名称的含义。目前它在自动调频调载领域应用较为广泛。
总结：
除了以上调频措施外，合理设计发电机组的负载特性也是提高瞬态频率调整率的重要手段。可以通过控制发电机组的电压和频率反馈环节，使其负载特性更加稳定。此外，还可以采用先进的负载调节装置，实时监测和调整发电机组的负载，以保持频率的稳定性。柴油发电机组的瞬态频率调整率是评估发电机组频率稳定性的重要指标。通过优化发电机组的机械质量、调速系统和负载特性，可以提高瞬态频率调整率，保证电网的稳定性和用户的用电质量。在未来的发电机组设计和运行中，瞬态频率调整率应被更加重视，以满足不断增长的电力需求。
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