电压调节器和发电机并联运行

电压调节器和并联运行

发电机组并联运行可以提高燃料的经济性和供电的可靠性。多机并联运行时，在特定的时间内只要选择一台足够功率的的发电机即可承担负荷要求，从而提高经济性。使每台发电机都在接近满负荷下运行，可以使燃料得到最充分的利用。

未运行的备用发电机增加了在线供电系统的可靠性。而且当故障发生时，保护系统可以检测到故障元件，并把它从正常部分隔离开来，以维持系统继续供电。多机为负载供电时，当一个发电机发生故障时可将其断开，让其余发电机继续供电。

由于并行运行的诸多优点，它在很多领域的应用都很广泛：备用电源和主电源、移动电源和固定电源、商业电源和军事电源，而且范围还会继续扩大。

发电机并联运行时要注意发电机的两个控制系统——电压调节器和调速器。本文主要讨论的是电压调节器的控制。

并联运行和电压调节器

发电机系统的电压调节器的作用可以图示为两节电池和一个负载。如图1所示，两节电池的电压完全相等（开路），平均分担负载。如果两个电压不完全相等，则负载分配不均匀，两个电池并联的优点就失去了。

图1：蓄电池并联-电压相同 进一步来说，负荷分配和电压不平衡有关。见图2，输出为102（B2）的电池决定了负载电压，相应的负载电流也升高了。因为B1端电压较低，B2以5A 的额定电流给B1充电。这个充电电流显然与电压等级不成比例，导致B2的负载电流超过6A 。

图2：蓄电池并联-电压不相同

图3中，B1的电压比B2高2V ，这样B1为负载供电并为B2充电，B1的总负载电流为6A 。

请注意，这里图中的电压指的是开路电压，电池一旦并联，端电压就相等了。

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图3：蓄电池并联-电压不相同

两台发电机并联运行为一个公共负载供电的运行情况与此相似。

如果两台发电机的电压（开路）完全相等，则平均分担负载，见图4。两台发电机之间的哪怕是一点点的电压差别，都会造成负载分配不均，或者更严重，造成环流（见图6）。

图4：发电机并联-电压平衡

图5：发电机并联-电压不平衡

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实际上，电压精确地匹配是不可能的。必须设法使并联运行的发电机间的负荷分配控制容易些。

综上所述，环流或者负荷不平衡都是由于电压不匹配造成的，因此我们还得向电压调节器求助。电压调节器可通过称做“调差补偿”或“横流补偿”的并联补偿电路实现这个功能。这两种类型在下文都有详细描述。

无功调差电路的工作原理是最简单的，也是最常用的电路，可用图7的曲线说明。

图7：无功调差曲线 要设计一个能够精确调整电压的电压调节器，需要增加一个能够接受发电机输出电流信号的电路。这个电流信号和发电机的检测电压信号构成一个正比于无功负荷的叠加矢量电压。 例如，从空载到额定无功（kV AR ）负载时，电压从480V 降到458V ，电压下降-4.3%。如果两台发电机并联运行，把他们的调差系数设置成相同，发电机将会调整其给定值，按比例分配无功负荷。如果出现任何不平衡导致一台负载增加、另一台负载减轻的话，调差电路都会改变电压给定值，使负荷恢复平衡。采用调差补偿，母线电压会因负载变化而变化。

图8：带有调差的A VR

把所有并联运行的发电机的调节器都设置成这种特性，负荷的分配变得简单可控。 两台发电机并联时，在合上断路器之前，两台发电机的电压必须匹配，以尽量减小断路河南德众电气有限公司版

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图9：发电机并联-电压平衡

在电压平衡，负载100A 时，两台发电机平均分担负荷。如果G2的电压上升，则输出电流也要上升，这会增大调差，中和电压上升。G1的输出电流降低，将会导致调差电路动作，升高电压。结果是两个或多个发电机并联运行时，通过平衡负载的动作来控制发电机负载的平衡匹配。

为什么要控制两个变量？KW ，KVAR ，KVA

在电池并联的直流模型中，只需要控制电压即可均分负荷。在机械的交流模型中，则只需要控制转矩。交流发电机并联时，必须正确地控制两个变量。控制加到发电机的转矩可以分配有功功率（KW ），控制加到发电机的励磁可以分配无功功率（KV AR ）。

有功功率通过发电机的电能输出，这种功率由原动机以转矩的方式提供。发电机把机械转矩转换成电能。电能提供给负载，转化为不同形式的能量，例如热能、光能、机械能（电动机）等。

无功功率是具有感性或容性的负荷所需的功率，在每半个周期时储存能量。在图10所示的例子中，负荷是一个纯阻性的，例如加热设备。因为在正弦波的任一点上都不需要无功功率，在每一点上电流都与电压成正比。使用欧姆定律即可算出有功功率。

图10：阻性负载

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图12：电流滞后于电压

如果发电机的输出接入电感（图11），电压和电流的关系就不同了。电感在它的磁路中的磁力线建立起来之前不允许电流通过。因此，流过电感的电流虽与电压成正比例，但是电流滞后电压90°电角度（图12）。

另一方面，在电容两极充电之前不允许建立电压（图13）。由于这个原因，在电压建立之前必须先有电流流过，电流超前电压90°电角度（图14）。

图13：容性负载

图14：电流超前于电压

对于包含这三种元件并联的负荷电路（图15）来说，分别计算每个元件的有功功率和无功功率是很方便的，采用叠加原理（图16）计算三个元件的矢量和，确定总负荷量。

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图16：叠加定律 可以看到，I 1和I 2的极性总是相反，如果电流值相等，叠加后值为0。因此，电感消耗无功功率，电容产生无功功率。功率因数补偿电路利用这个原理补偿电感负载。图17所示为无功功率的流向。

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