发电机组非线性负载理论分析及应对措施

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摘 要：随着互联网的日益普及和移动网络无缝覆盖，UPS和开关电源已经成为发电机组的常态负载；工业生产设备中大量使用SCR可控硅（或IGBT）及变频电动机。这样类型的非线性负载无疑对发电机组的设计者、标准制定者和工程师提出了新的挑战，全世界的发电机组制造商按照纯电阻电抗平衡的正弦波负载测试发电机组，而多数用户的实际负载却是谐波畸变的非线性负载。所以对于制造商和用户来说，了解非线性负载对发电机组工况的影响非常必要。本文将分析这类典型的非线性负载及其产生的原因、影响和问题，最后提出可行的解决方案。

关键词：同步发电机；非线性负载；波形畸变率；超瞬态电抗

1 负载分析

最常见的非线性负载类型是UPS、开关电源以及SCR（可控硅）电动机驱动机构。而纯电阻负载被定义为线性负载，其电压和电流都是完全的正弦波形。UPS和开关电源系统包括整流器、充电器、电池和转换开关组成，当电网供电时，整流器、充电器将电网电源转换成直流电源，供电给负载和电池。电池在全时间内并联在电网。如果电网失效，电池将维持负载的电源不间断，同时备用发电机组启动用于维持这个系统，这时发电机组的负载是一个整流电池充电器。SCR可控硅电动机驱动装置有多种运用场合，一些最经常的应用范围如下：交流变频负载、各种泵、风扇直流马达、电梯、吊机、印刷机等。以上这些负载中重要的功率器件：可控硅和功率管，均工作在非线性的开关状态下（通、断），这就是负载回路产生大量谐波的主要原因。可控硅电动机负载既有偶尔启动的备用负载，也有一直运行的常用负载，发电机组必须适应这些应用。因为SCR可控硅负载本身固有特性会产生谐波电流，这将导致电压的谐波和畸变，直接导致发电机、调压器（AVR）系统的问题。包括SCR可控硅的控制及启动回路、仪器，电调和其他连接的负载，都可能产生问题。这些问题会导致发电机组到负载的供电回路因为严重谐波产生振荡，这时发电机组的供电将会失效。

同电网比较，发电机组是一个高电抗源。发电机组的电抗和供电线路的寄生电抗，抑制了大功率开关器件导通时需要的大电流。这些结果能导致电压波形的急剧下降，随着电压的下降，会产生回路共振频率引起的振荡。这些将产生电压波形的严重畸变并导致发电机组无法正常供电。

功率开关器件组成的变换器（AC/DC、DC/DC、DC/AC）被设计成许多应用，有许多的类型的功率变换器参考指导文献。根据大多数功率转换器的原理，其谐波电流的量级与谐波次数成反比。

整流器可能是3相、6相和12相回路。6相和12相回路更普及，但电池充电器通常采用3相整流。3相回路理论上的总谐波畸变率是66%，6相回路是30%，12相是15%。实际的谐波畸变率因为线路阻抗而减少。功率变换器的电压谐波会导致发电机组的多种问题。功率器件关断瞬变电压会非常高，并形成前半波陡降。如果没有有效的吸收电路，在SCR可控硅负载端的瞬态峰值电压能超过两倍发电机组额定电压的峰值。这些峰值电压加大了发电机定子绝缘要求，并可能导致绝缘失效。如果表面电气间距正好在临界值，电压的峰值还可能在铜排和其他部件间造成电弧。

任何接在发电机端的非线性负载可能与供电回路内的瞬变电压产生相互干扰，这些瞬变电压能导致非线性负载中功率器件启动回路变得不稳定。如果还有有并联的非线性设备，没有隔离，这些瞬态变量可能传输到并联着的另一台非线性设备。精密仪表设备及其保护装置也会被瞬态电压干扰。有可能造成：过电压，过频率，失步，设备关断等等，在这样的情况下，设备电源输入端必须有电源滤波器。电压谐波还可能影响功率器件的控制端。无论是PWM控制还是SCR可控硅控制端，它们对谐波都很敏感。

而对整个系统影响最大的，莫过于谐波对发电机调压器（AVR）的影响。如果有调压器（AVR）问题，对发电机的影响通常是欠励或过励，表现的结果是欠电压或过电压。过励磁导致发电机转子过热，欠励导致发电机保护机构动作。在这样的情况下，发电机组根本无法正常供电，所以发电机里必须有另外一个永磁机给调压器（AVR）提供与主供电回路隔离的电源（如图1所示）。

发电机定子绕组内的谐波电流将导致发电机定子或转子过热。真有效值电流会因谐波电流而增加，定子绕组铜损耗将增加，由谐波电流在定转子和气隙产生的磁通将增加磁拉力，定子里的谐波磁通产生附加的铁损。在稳定状态下，发电机转子同步于定子磁场，转子内不会产生感应电压和涡流。谐波磁通以N倍的基波速度旋转，但他们中的部分向后转。谐波磁通在转子中产生脉振磁通，因为2次谐波是以反方向旋转的。由于存在脉振磁通，涡轮驱动旋转的发电机可能在部分区域出现涡流。涡流能产生严重的局部过热，并导致整个转子温升过高。凸极发电机使用冲片转子，带有阻尼绕组。脉振磁通能在阻尼绕组中感应出电流，阻尼绕组有助于在转子极表面形成防护，片状的转子能减少涡流损耗，有助于防止转子过热。阻尼绕组必须具备消除脉振磁通产生的损耗的能力。

如果采用PMG永磁发电机给AVR供电后仍然存在问题，就需要了解超瞬态电抗和最差条件下的电压降。电抗值能够很容易的被确定，电抗是关于容量、电压和频率的函数，并根据负载要求，根据厂家的数据调整。瞬态电压下降是难以精确计算的，以目前的能力，我们的行业目前还没有很好的定义方法。只有两种美国标准的方法定义电压降，即NEMA MG1和MIL-STD-705B 619.2B，这两种方法是完全相同的，都是用来测量峰峰值。两种方法都针对正弦波，不测量畸变波形。电压的畸变波形和瞬态时间将产生电压下降量的变化。标准的测试程序是用3次瞬态负载测量的平均值确定电压下降量。当确定电压下降量时，采用真有效值检测方法的仪器能够提高测量精度。所以发电机应采用使用3相真有效值检测的调压器（AVR）。

2 选型要求

为获得满意的运行效果，同步发电机带非线性负载时建议按以下要求选型：

（1）12相UPS备用负载： 当非线性负载相对于发电机组备用功率较小（小于等于25%）可以选择标准的发电机和电压调节器（AVR）。当非线性负载相对于发电机组备用功率较大（25%～100%），选用发电机的F级温升功率，并升级电压调节器（AVR）。如果是全部UPS负载，应确定超瞬态电抗值，联系UPS供应商，建议选用合适的电抗值，并获得供应商的核准。

（2）6相UPS备用负载：选用80度温升（B级）发电机并升级电压调节器（AVR）。确定合适的超瞬态电抗值，比较规格书和UPS供应商要求，如果超瞬态电抗不满足要求，选用12%的电抗值的发电机。

（3）变频负载：选用超瞬态电抗小于12%的发电机，升级调节器系统。

（4）持续运行的非线性负载：吊机、电感应加热器、整流系统等等。选用80度温升的发电机，根据负载的功率因数要求，选择合适的发电机容量。按要求选用合适超瞬态电抗值的发电机，该超瞬态电抗值尽可能在8%～15%内。根据规格书确定合适的电压下降量的发电机，通常在最坏条件下电压下降量可能在8%～10%。加强定子绕组的绝缘强度，满足持续瞬变的要求。增加主定子绕组的机械支撑以加强绕组强度。增大带电部分与壳体间的距离，防止电压瞬变时拉弧应升级电压调节器（AVR）。

（5）电压调节器（AVR）：使用PMG作为电源，使用非SCR的调节器，如果有有隔离变压器效果会更好。

（6）和非线性设备供应商协商，按他们的推荐和要求放大发电机的容量。他们会提供负载的功率因数、最大电压降，超瞬态电压值的要求及负载情况等。

总的来说，当整流电路开关通路时，整流设备的启动电路必须设计成能承受较大的输出电压下降。还取决于供电回路的阻抗，这些回路应能承受过零电压。由于这些存在的不稳定负载，应该在启动回路中装一个合适的电源滤波器。整流回路还与发电机控制系统有关，如果AVR的电源隔绝于主定子绕组回路，将会获得最好的电品质。这将防止AVR控制系统中的可控硅和负载整流系统的相互影响。由主轴驱动提供恒定功率的永磁机能够作为电源输出给合适阻抗的励磁机并保持稳定。并且采用真平均值或真有效值检测的AVR，被外部负载的影响最小，从而保持发电机电压调节能力。整个发电机组系统由三个不同的闭环回路组成：电压控制，速度控制和负载控制。如果在回路之间发生了相互影响和干扰就不能保证系统的稳定。而非线性负载最容易引起这样的干扰。系统稳定性最好的体现，就是不能太严格的规定电压、速度和负载控制的性能，但是这样做似乎又和一些严格的行业标准矛盾。设置更宽的范围，整个系统就能获得更稳定的效果。

3 发电机端电压的波形畸变量计算

通常情况下，也可以按以下公式，根据实际负载电流的波形畸变率和发电机超瞬态电抗的标幺值来计算发电机端电压的波形畸变量。

超瞬态电抗与谐波电流及电压波形畸变率的关系：

其中，THVDL=总的线电压波形畸变率

X”d = 超瞬态电抗

Vn =额定电压

Vl =实际电压

Sl = 实际容量

Sn= 额定容量

n=谐波次数

Ihn = 对应次数的电流百分比

当负载确定后，总的谐波电流畸变率能由整流负载制造商提供。他们通常有不同阶的总谐波电流畸变率（THCD）。按照定义，电抗值与频率相关（XL=2πfL）。由于X”d的值是基于工频的，而谐波电流必须通过不同的频率计算。已知谐波电流和相对应的电抗，可以通过欧姆定律估算电压的畸变量。

有多种方法可以减少发电机的超瞬态电抗，最简单的方法是增大发电机的容量。如果要将超瞬态电抗值减半，就意味着将发电机的容量增大为原来的两倍。另外一个方法是增大阻尼绕组。使用改变节距的方法无助于降低Xd”， 只能改善发电机的饱和程度。在发电机选型时，必须明确负载的性质，让负载设备供应商给出畸变负载电流的谐波频谱和对应的畸变量。给定设备的电压畸变可承受程度，如果招标人或用户没有明确的电压畸变率规定，通常按10%的最大电压畸变量考核。

发电机容量的放大，将导致工程和设计成本的增加，从而增加客户的采购成本。但是跟直接增加整个发电机组的容量比较，在原动机功率不变的情况下增大发电机容量成本还是很低的。通常发电机在整个发电机组成本里面占20%，因此单独放大发电机成本并不高。但是如果要求发电机供应商增大发电机阻尼绕组几乎是不太可能的，发电机制造商单独生产这样特殊非标的产品成本会非常高昂。如果供应商和客户有良好的沟通，在供应商工厂通过实际带载实验来确定发电机容量的放大程度是比较有效的方法。