发电机功率频率调节装置及其特点

发电机在运行中为保证机端电压水平，都装设了自动励磁调整装置。为保证系统频率在合格范围内，装置有功功率必须随时处于平衡状态，注意到系统负载变化是随机的，故而必须随时调整发电机的有功功率出力，即增加或降低进入发电机组的动力元素。因此柴油发电机组型号及参数，运转发电机上必须装设根据频率（速度）变化自动调整动力元素进入量的自动装置。在柴发机组上，这种进汽量的自动调节是由调速系统实现的，简称调速板。发电机调速器通常分为机械液压调速板和电气液压调速板（简称电液调速板）两类，如按其控制规律来划分，又可分为比例一积分（PI）调速板和比例一积分-微分（PID）调速板等。

早期用的调速板是机械型的，用一只离心飞摆直接控制进汽阀，这种型式的调速器至今还用于柴油发电机上。机械液压型速度控制器是后来发展起来的，至20世纪30年代已相当完善。但机械液压型调速板死区较大，动态性能指标较差，难于综合其他信号参与调节。所以发展了电液型调速板，现代几乎全部采用电液型调速板。按控制部分电子器件的不一样，电液型速度控制器又分为模拟式电液调速器与数字式电液速度控制器。在大型柴油发电机组上，广泛采用.数字式容量一频率电液调速控制系统，简称DEH或数字电调。

发电机组在调节出力维持系统频率在合格范围内的同时，应使市电处在较经济的运行状态，即按经济原则在电厂和机组间分配有功负载。

图1示出了简化的容量一频率电液调速装置机理图，详细由速度测定、容量测定及其给定环节、频差放大器、PID环节、容量放大、电液转换器、高压和中压油动机等部件构成。速度检测元件的输出电压与柴油发电机组的转速nG（单位为r／s）成正比，在稳定状态下，电网频率f与速度nG成正比，f＝pn（p为极对数，p＝1），Un与f成正比。于是有

Un=mnnG(7-13)

Up=mpPG(7-14)

同样，为稳定发电机的输出容量，功率测量在功频电调装置中处负反馈作业状态。转速误差信号Δn、功率误差信号ΔP经PID（比例、积分、微分）运算后，再经容量放大，送入电液转换器。电液切换器将电控制信号转换为液压控制信号，通过油动机调节高压、中压进汽阀（主汽阀和调整汽阀），调整进汽量，实现发电机的功率频率调节。

装置负荷增加时，柴油发电机组转速下降，因此时发电机实发容量尚未变化，即功率测量元件输出变化量为零，故而正比于速度差Δn＝n－nN（nN为额定速度）的信号UΔn输入PID调节器，UΔn代表当时要求柴油发电机容量增大的数值。UΔn经PID、功率放大、电液切换器后，经油动机开大进汽量阀门，使柴油发电机实发容量增大，较终使发电机增加的容量与装置负载增加的容量相平衡。柴油发电机进汽量增加后，功率测量元件检测到这一容量的变化值，同样通过负反馈调节，直到功频电调装置处在新的平衡状态。可见，当功频电调装置处于新的平衡状态时，容量检测元件输出电压Up的变化完全抵消了速度测量元件输出电压Un的变化。

当装置负载减小时，柴油发电机组速度升高，功频电调装置的调节过程与上述相反。功频电调系统除转速控制、容量控制用途外，另外还有转速失去控制保护控制、过速110%以上跳闸、主蒸汽压力控制、发电机同期并网、柴油发电机自启功、汽阀管理等辅助功能，通过DEH装置的CRT还能显示运行状态有关参数。在大型发电厂中，普遍采用了分散控制装置（DCS系统）对整个电厂进行监控，DCS装置通过DEH装置供应的接口，可对柴油发电机组进行完全的控制，当然DCS系统同时实现对机组运转参数的监视。

功频电调系统的静态特点是在稳定状态下柴油发电机组速度nc（或f）与发电机有功容量P的关系曲线。

设电网处在频率f下运转，此时柴发机组的转速为nG，功率为PG，功率检测元件的输出电压为Up、转速测量元件的输出电压为Un，由式（7-13）、式（7-14）有

ΔUn=mn(nret－nG)=mnΔn(V)(7-15)

ΔUp=mp(Pret－PG)=mpΔP(V)(7-16)

由图7-8可知，将ΔUp、ΔUf两信号之和给PID调整，当装置负荷增加或减少时，致使柴发机组速度出现变化，功频电调系统用途的结果使发电机输出容量发生变化，较终达到新的稳定状态发电机厂家排行榜前十名。因为PID调节器具有积分特征，故在给定值不变情况下，稳定状态有

ΔUf+ΔUp=0 (7-18)

式（7-18）说明，功频电调装置调整结束后，在新的稳定状态下，功率检测元件的输出电压变化量ΔUp与转速检测元件经频差放大器的输出电压变化量ΔUf正好完全抵消。

当采用标幺值表示时，将ΔP*＝ΔP／PN、Δf*＝Δf／fN，R*＝R×PN／fN，代入式（7-20）得

式（7-20）、式（7-21）即是功频电调装置的静态特性。当机组有功功率增加即ΔP＞0时，由式（7-20）得Δf＜0，即发电机频率（转速）下降。静态特性参见图7-4，是一条下倾的斜线，斜率为调差系数R，一般为4％～6％，可在频差放大器中设置。

（1）发电机组未并网时。图7-8中的功率测定值及功率给定值信号均为零。运转人员使用增速或减速按钮，控制电动速度给定电位器，改变速度给定值n的电压。转速／电压变送器输出电压与机组运行速度nG相对应。可见电压的差值与（nref－nG）成正比，即式（7-15）。根据偏差ΔUn，由电液转换器去控制调节汽阀的开度，改变机组的转速，使Δn值趋于零、转速nG趋于给定速度nref为止，即达到调速目的。

（2）机组在并网情况下运行时。假设市电频率恒定且为额定值，频差放大器输出的f信号为零，同样理由，如果改变容量设定值Pref电压，容量测定值PG与Pref之差值信号见式（7-16）。通过PID等环节功能，将使对应差值电压ΔUp为零，即发电机功率PG与给定值Pref相等，达到调整发电机组输出容量（二次调整）目的。

若考虑市电频率波动，机组在并网运转时，速度给定值nref和容量给定值Pref为某一定值不变。调速器作业随输入PID的两个信号之和ΔUf＋ΔUp调整汽阀开度，改变机组的输出功率，即由式（7-20）或式（7-21）实现一次调频。

功频电调机组一次调频的结果，当有功功率变化量ΔP较大时，系统频率仍然偏离额定值较多。为使系统频率在合格范围内，应自动平移f＝f（P）静态特性曲线。这种自动平移功频电调机组静态特点曲线使装置频率在合格范围内的做法，称为功频电调机组的二次调频。

目前数字式电液调速器已在发电机组上广泛运用康明斯柴油发电机组各型号，其基本框图如图2所示。它与模拟式电液速度控制器的具体区别是控制电路部分的作用用微机来实现。由图7-9可见，主机与控制对象发电机组（包括柴油发动机）间输出、输入步骤通道和模拟式电液调速器是相同的，如电／液转换、液压伺服装置以及速度和容量感应器等。它们由D／a或a／D转换电路与主机接口交换信息。

调速板的调节控制规律由计算机实现，首先要建立数学模型以及制订运行中的控制原则，然后用软件编程实现其控制规律。也就是主机根据采集到的实时信息，按预先确定的控制规律进行调节量计算，计算结果经D／a输出去控制电／液切换，再由液压伺服系统控制柴油发动机的输入功率，完成调速或调整功率的任务。

数字式电液速度控制器用了CPU主机后，可以充分发挥计算机高速运算和逻辑判断优点，除了完成调速和负荷控制功用外，还可实现机组自启动控制功用；在接近额定转速时，可使发电机速度跟踪大电频率快速同期并机等作用；如果是柴油发电机，在启动流程还附有热应力管理功用等，从而极大地提升了电厂自动化程度。

柴油发电机组的容量一频率电液调速系统，由机械液压式调整系统经电气液压式调整装置、模拟式电气液压调整系统，发展到目前的数字式电气液压调整装置，其性能不断提升，功能也不断强大，可靠性和灵敏性也不断提升。数字式电气液压调节系统在大型柴发机组上运用相当普遍，不过其他调节装置因仍能满足运行机组初步要求，于是并未完全退役。