CN103023199A - 依靠增加轴系飞轮提高同步发电机组带非线性负荷能力的方法 - Google Patents

Abstract

依靠增加轴系飞轮提高同步发电机组带非线性负荷能力的方法，将同步发电机组的原动机转轴延长，延长的转轴末端将轴的横截面加工成正六边形，用来安装飞轮片，飞轮片的中间设有孔，孔为正六边形并套在转轴上安装，飞轮片固定部件是由转轴的轴套并焊接垂直环构成，飞轮片与垂直环上设有螺孔，飞轮片通过螺栓与垂直环固定。本发明提高同步发电机组为非线性负荷供电的能力。在发电机组轴系加易于安装和拆解的飞轮，增大电源的惯性，提高供电系统的稳定性和供电质量。达到稳定频率的效果。

Description

依靠增加轴系飞轮提高同步发电机组带非线性负荷能力的方法

技术领域

本发明涉及一种提高小容量同步发电机组带非线性负荷能力的方法，主要应用于独立非线性小容量供电系统，可以有效提高发电机组为非线性负荷供电时的稳定性。 

技术背景：

独立小容量供电系统发电容量较小，一般布置在用户附近，供电方式灵活、方便，广泛存在于船舶、工矿企业、石油钻井平台等装备供电场所，同时也作为一些重要用户的备用或应急供电系统，如智能楼宇、医院、发电厂、通信站等。随着电力电子技术的发展，大量整流型、脉冲型负荷出现在小容量供电系统中，导致负荷的非线性成分增加，对小容量同步发电机组造成了严重影响。同步发电机组作为一种典型的线性电源，在为非线性负荷供电时，会产生转速波动大、机组振动严重、输出电压畸变等现象，供电质量和供电可靠性大大降低。在实际的工程设计中，我国仍然沿用上世纪60年代的标准规范，采取发电机组容量满足负荷功率简单叠加的方法，并根据发电效率和环境因素对容量进行修正，并未考虑非线性负荷的影响。这造成了新型小容量供电系统中线性电源和非线性负荷极度不匹配的现象。同步发电机组也未根据非线性负荷的特点进行针对性设计，这导致按照常规方法设计的同步发电机组为非线性负荷供电时，出力达不到设计要求，使装备电源的选择存在较高的盲目性和不确定性。 

发明内容：

本发明的目的是，提出一种给发电机组轴系加装飞轮的方法，提高同步发电机组为非线性负荷供电的能力。通过在发电机组轴系加易于安装和拆解的飞轮，增大电源的惯性，提高供电系统的稳定性和供电质量。主要是通过稳定机组轴系转速，达到稳定频率的效果。该发明改造成本低，产生效益高，且作用原理有严格的理论推导，具备可行性。小容量同步发电机组指5-120KW容量的同步发电机组。 

本发明的技术方案是：依靠增加轴系飞轮提高同步发电机组带非线性负荷能力的方法，将同步发电机组的原动机转轴延长，延长的转轴末端将轴的横截面加工成正六边形，用来安装飞轮片，飞轮片的中间设有孔，孔为正六边形并套在转轴上安装，飞轮片固定部件是由转轴的轴套并焊接垂直环构成，飞轮片与垂直环上设有螺孔，飞轮片通过螺栓与垂直环固定。 

设有1-8片飞轮片安装在所述转轴上。每片飞轮的重量为2-10KG，直径在15cm以上。一般不超过50cm。 

为限制轴系转速的高频脉动范围，应为轴系增加飞轮以增大其转动惯量，轴系转动惯量的标幺值（以轴系基本转动惯量为基准）应大致满足下表要求： 

表发电机输出电流谐波含量与轴系转动惯量对应表 

谐波含量/%	5	10	20	30	40	50	60	70	80
										转动惯量/pu	1	1.1	1.3	1.5	1.7	1.9	2.1	2.3	2.5

下面对该发明的原理加以证明。同步发电机为线性负载供电时，电机的输出端输出标准正弦波电流，该电流在电机定子绕组产生的旋转磁场对转子产生与柴油机输出转矩电磁转矩，在负荷一定时，该转矩与柴油机的输出转矩时时相等，机组运行比较稳定。但是若负荷中含有非线性成分，电机输出电流含有谐波成分，该电流在转子上产生的电磁转矩就不再为恒定值，而是一个随时间周期性变化的量。由于原动机的输出转矩为恒定值，所以机组轴系的受力处于时时不平衡状态，导致机组转速变化、震动增大、稳定裕量减小。同步发电机的输出电流为非正弦波时转子电磁转矩的计算有多种方法，下面以能量法为例，对该方法的原理进行证明。 

计算假设：（1）不考虑电机磁饱和；（2）忽略电机气隙偏心，认为定子和转子之间的气隙是均匀的；（3）不考虑谐波电流对励磁系统的影响，认为励磁系统可以稳定输出电压；（4）电机极对数为1。 

发电机带线性负载运行时，其气隙磁动势可以看作两个行波方程的合成，即 

$f(\mathrm{\α},t)=F_s\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\α})+F_r\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\α}+\mathrm{\ψ}+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(1\right)$

F_s——定子绕组合成磁动势基波分量幅值 

F_r——转子绕组磁动势基波分量幅值 

₀——电角频率 

——定子机械角度 

——，其中为功率角，为功率因数角电机气隙磁场能量为： 

$W=\frac{\mathrm{RL}{\mathrm{\Λ}}_0}{2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{[F_s(\mathrm{\α},t)+F_r(\mathrm{\α},t)]}^2\mathrm{d\α}---\left(2\right)$

R——定子内圆半径 

L——电机轴向有效长度 

～——均匀气隙磁导 

定子和转子电流不变时，转子作虚位移，可得电磁转矩为： 

$T_e=\frac{\∂W}{\∂\mathrm{\ψ}}=\mathrm{\πRL}{F}_r{F}_s\cos \mathrm{\ψ}---\left(3\right)$

当电枢电流中含有谐波时： 

$W^{\′}=\frac{\mathrm{RL}{\mathrm{\Λ}}_0}{2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{[F_s(\mathrm{\α},t)+F_r(\mathrm{\α},t)+\underset{n=2}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n(\mathrm{\α},t)]}^2\mathrm{d\α}---\left(4\right)$

其中，F_n(α,t)＝F_n cos(nω₀t±α+θ_n)（当n＝6k+1时取负号，n＝6k-1时取正号），可得： 

$T_e^{\′}=\frac{\∂W^{\′}}{\∂\mathrm{\ψ}}=\mathrm{\π}{\mathrm{RL\Λ}}_0{F}_r{F}_s\cos \mathrm{\ψ}+\underset{n=2}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\π}{\mathrm{RL\Λ}}_0{F}_r{F}_n\cos [(\stackrel{-}{+}n-1){\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\ψ}\stackrel{-}{+}{\mathrm{\θ}}_n]---\left(5\right)$

当n＝6k+1时取正号，n＝6k-1时取负号。其中，前半部分是转矩的恒定分量，后半部分是转矩的脉动分量。假设原动机的输出转矩在轴系的平衡作用下是没有脉动的。在一段较短的时间内，认为输出转矩为恒定值。而同步发电机的电磁转矩在谐波电流的影响下含有脉动分量。 

分析结果显示，在非线性负荷的影响下，转子转速发生较为明显的脉动，轴系转速的高频脉动会影响机组的正常运行，增大机组的震动和噪声，降低同步发电机的稳定裕度，使发电机输出的电压波形发生畸变。为使机组的平稳运行，应保证机组轴系转速的脉动在一定范围之内。因此对于不同谐波含量的负荷，应该为发电机组匹配相应转动惯量的飞轮，以使机组轴系转速脉动可以控制在该范围之内，也可以在谐波含量相同的情况下换取不同的飞轮系，获得不同标准的频率稳定能力。 

本发明有益效果是，提出一种给发电机组轴系加装飞轮的方法，提高同步发电机组为非线性负荷供电的能力。在发电机组轴系加易于安装和拆解的飞轮，增大电源的惯性，提高供电系统的稳定性和供电质量。达到稳定频率的效果，尤其是可以对系列发电机匹配不同的飞轮系，也可以换取不同的飞轮系获得不同标准的稳定频率的能力。 

附图说明

图1原动机输出转矩与电磁阻力矩比较图。 

图2是1/T_J与Δω关系图。 

图3为本发明应用飞轮的结构示意图。 

具体实施方式

同步发电机组的原动机和同步发电机共用同一轴系，只需在原动机上按照常规方法加装飞轮即可。设计时要保证原动机的转轴比无飞轮原动机长，有足够的长度裕量以供安装飞轮。在MATLAB中建立三相电源带不控整流电路的仿真模型，根据仿真结果得到发电机组输出电流的波形及其频谱。由式（5）得到同步发电机电磁转矩的解析式，并绘制其变化曲线。如图1所示： 

图1中，M表示柴油机的最大输出转矩，T_e表示同步发电机的电磁阻力矩。从0时刻开始到t₁之间，T_e<M，转轴加速转动，在t₁到t₂之间，T_e>M，转轴减速转动。这时，转轴的频率不再为恒定的50Hz，而是上下摆动，并由此产生机械振动，使设备疲劳，轴承磨损，机械寿命降低。在假设条件下，转轴角速度的变化满足下式： 

$\mathrm{\&Delta;\&omega;}\left(t\right)=\frac{1}{2H}{\&Integral;}_0^t(T_M-T_e)\mathrm{dt}-K_d\mathrm{\&Delta;\&omega;}\left(t\right)---\left(6\right)$

ω(t)＝△ω(t)+ω₀          (7) 

——转速变量 

T_J——惯性时间常数 

T_m——机械转矩 

T_e——电磁转矩 

K_d——阻尼系数 

其中，T_M＝M，T_e同式（5）中的T_e＇，H为轴系的转动惯量。T_e脉动越大，频率越不稳定，引起的震动就越大，但是当负荷一定时，T_e是一个无法控制的量，要保证机组的稳定，尽量减小Δω的值，只能增大轴系的转动惯量H。因而在轴系增加飞轮是解决同步发电机组带非线性负荷能力差的简单易行的方法，其成本比在机组出线端加滤波装置要低得多。老式柴油发电机组由于转速低，需要在轴系加装很大的飞轮，其作用是平抑原动机的输出转矩，随着高速柴油发电机组的推广应用，原动机的输出转矩不再需要飞轮的平抑作用就能实现较好的输出性能，多数柴油发电机组已经取消了飞轮。但当前非线性负荷越来越多，谐波问题日益严重，人们还没有意识到飞轮在抗谐波干扰中的作用。该方法简单可靠，成本低廉，其对轴系转速的稳定作用不仅体现在抗谐波干扰上，对于负载突变、脉冲型负载等情况也有类似的作用。 

对该方法的效果进行仿真分析。在MATLAB中构建柴油发电机组带非线性负荷的仿真模型仿真参数设置如下：三相电源线电压为400V，滤波电容1000F，负载电阻50，转子阻尼系数0.001，（在图2中横坐标）1/T_J分别为1、2、3、4、5、6、7、8的情况下进行仿真，得到转子的转速进入稳态之后的变化情况。 

仿真分析结果显示，在非线性负荷的影响下，转子转速发生较为明显的脉动，频率为300Hz。随着轴系转动惯量的减小（即随之惯性时间常数倒数的增加），转子转速的摆动范围明显增大。这证明了增加轴系飞轮的方法对于平抑转子转速、稳定机组运行是有效可行的。为研究惯性时间常数与转子转速摆动范围的关系，将图2的数据进行统计，如下表所示： 

表1惯性时间常数与转子转速摆动范围关系 

1/TJ	转速摆动范围/弧度	/弧度
			1	157.070~157.088	0.018
2	157.060~157.097	0.037
			3	157.050~157.106	0.056

[0048] 

4	157.035~157.116	0.081
			5	157.030~157.124	0.094
6	157.020~157.132	0.112
			7	157.010~157.142	0.132
8	157.000~157.150	0.150

在MATLAB中描点（参见图2） 

由图2可以看出是1/T_J的正比例函数。在为柴油发电机组配飞轮的时候，该结论可以为选择合适转动惯量的飞轮提供理论依据。 

轴系转速的高频脉动会影响机组的正常运行，增大机组的震动和噪声，降低同步发电机的稳定裕度，使发电机输出的电压波形发生畸变。为使机组的平稳运行，应保证机组轴系转速的脉动在一定范围之内。目前还没有标准对谐波引起的机组转速高频脉动做出限制，为保证机组的平稳运行，应该限制轴系的高频脉动。对机组运行情况作以下假设：1、转速高频脉动的范围在0.05rad/s以内时，谐波对机组运行状况的影响可以基本忽略不计；2、在对称三相系统中，非线性用电负荷产生的谐波电流次数以5、7为主，认为7次以上的谐波含量为零；3、非线性负荷的平均功率等于机组的最大输出功率；4、机组的轴系的转动惯量满足发电机输出电流谐波含量为5%时，转速高频脉动的范围为0.05rad/s。逐渐增大电机输出电流的谐波含量，为限制轴系转速的高频脉动范围，应为轴系增加飞轮以增大其转动惯量。根据仿真与计算综合分析，轴系转动惯量的标幺值应大致满足下表要求。 

表2发电机输出电流谐波含量与轴系转动惯量对应表 

谐波含量/%	5	10	20	30	40	50	60	70	80
										转动惯量/pu	1	1.1	1.3	1.5	1.7	1.9	2.1	2.3	2.5

原动机（柴油发动机）7上（如康明斯120KW柴油发动机）制成引出轴6，引出轴采用横截面为六角形的轴，飞轮的轴孔为六角形孔，套进匹配的引出轴6上，设有飞轮固定件，固定件为带法兰的固定套3，固定套的内孔为六角形孔，将固定套套在引出轴6上，固定套设有固定螺钉5将固定套固定在引出轴上，法兰上设有螺孔，飞轮上亦设有螺孔，从而通过螺栓4套在法兰和飞轮上螺孔，设有与螺栓4匹配的螺母1将飞轮固定在引出轴6上。原动机原有转轴，该转轴需要在原来的基础上加长，在后端延伸出足够的长度，并在末端将轴加工成正六面体，用来安装飞轮。固定套设有固定螺钉5为四个螺孔螺钉，每个间隔90°。固定套3用于固定飞轮，防止飞轮沿轴向移动，固定套与法兰应该采用强度较高的钢材，用螺钉5（另外3个未画出）固定于转轴之上。飞轮2为片式飞轮，采用高密度、高强度金属或复合材料，中间打正六边形孔，可套在转轴上，用螺丝4（共3个，有一个未画出）固定在固定套3上，防止飞轮片沿轴向移动。在飞轮质量一定的情况下，其转动惯量和其质量分布有关系， 在不妨碍机组安装和使用的前提下，应该将飞轮片的面积做大。如果用电设备多数为线性设备，则不需要很多的飞轮片即可保证机组运行的稳定性。当用电设备中的非线性负荷或脉冲型负荷增加时，只需进行简单改装，加适当的飞轮片，就可以使机组适应负荷的用电需求。 

用飞轮储能的方法来保证同步发电机组为非线性负荷供电的稳定性方法简单易行，相对于在系统中加有源滤波器或无源滤波器的做法，该方法成本低廉，不需要额外投入。同时，将飞轮设计为多个可拆装的飞轮片，能够使机组适应不同的非线性负荷，通用性强，改造难度低。该发明具有较好的实用性和经济性。 

以上说明和实施例并不构成对本申请的限定，基于本申请的简单和非创造性改进并没有超出本申请权利要求保护的范围。 

Claims (3)

1.依靠增加轴系飞轮提高同步发电机组带非线性负荷能力的方法，其特征是将同步发电机组的原动机转轴延长，延长的转轴末端将轴的横截面加工成正六边形，用来安装飞轮片，飞轮片的中间设有孔，孔为正六边形并套在转轴上安装，飞轮片固定部件是由转轴的轴套并焊接垂直环构成，飞轮片与垂直环上设有螺孔，飞轮片通过螺栓与垂直环固定。

2.根据权利要求1所述的依靠增加轴系飞轮提高同步发电机组带非线性负荷能力的方法，其特征是设有1-8片飞轮片安装在所述转轴上；每片飞轮的重量为2-10KG，直径在15cm以上；一般不超过150cm。

3.根据权利要求1所述的依靠增加轴系飞轮提高同步发电机组带非线性负荷能力的方法，其特征是为限制轴系转速的高频脉动范围，应为轴系增加飞轮以增大其转动惯量，根据发电机输出电流的谐波含量，轴系转动惯量的标幺值（以轴系基本转动惯量为基准）应大致满足下表要求：

  谐波含量/%   5   10   20   30   40   50   60   70   80   转动惯量/pu   1   1.1   1.3   1.5   1.7   1.9   2.1   2.3   2.5

Images