并联运行发电机组之间有功功率能否自动、稳定地按容量比例合理分配,与并联机组的调速器的调速特性(或发电机的频率-功率特性)有关。要保证并联运行的稳定必须功率分配稳定。要使功率分配稳定,两并联机组的调速特性必须是有差特性。要使并联机组在任意负载下都能稳定地按容量比例自动分配功率,则不仅是有差特性,而且特性曲线的下降斜率(调差系数Kn)要一致。
当n台发电机组并联运行时,各机组具有相同的频率。有功功率的分配取决于各机组的调速特性。如图1所示,假设两台发电机并联运行的频率为f1,11号机和2号机分别承担的功率为 P1和P2,当系统总功率增加时,系统频率下降至f2,1号机和2号机分别承担的功率为 P'1和P'2。依有斜线的两三角形可以得到
(1-1)
式中,Kn1、Kn2分别为1号发电机和2号发电机调速特性的调差系数;Δf为频率的变化量。
图1 有差调速特性与并联机组的功率分配关系
由式(1-1)得1号、2号机组的功率增量为
(1-2)
将式(1-2)的左边和右边分别相加后得总功率增量为
或
(1-3)
将式(1-3)代入式(1-2)后,得
(1-4)
根据上述分析,可得出以下结论:发电机之间的有功负载分配与调速特性的斜率 Kn呈反比关系。同时,原动机的转速或发电机的频率随系统负载的变化而变化。
由于地下工程多采用同型号、同容量的机组并联运行,希望调速器的型号亦相同,即调速特性的斜率相同,Kn1=Kn2=Kn,则由式(1-4)可得
(1-5)
可见,同型号、同容量的机组并联运行,在相同斜率的调速特性下,两机组能均分系统的负载增量。
实际上,当调速器的调差系数不可调时,很难满足Kn完全一致。另外,由于调速器结构中的间隙,使调速器存在失灵区,其调速特性并不是一条理想的直线,而是一条宽带,此时功率分配仍可能不均匀。所以,两台具有相同调速特性的发电机组并联运行,功率分配不可能做到完全均匀,因此功率分配也就存在一定的偏差。例如,图2为调差率不同的并联机组,并联转移负载后两机组的功率分配相等,P1=P2,频率为额定fN。但当电网功率增加后,电网频率下降为f1,这时两机组的功率分配不再相等。由频率f1与两特性曲线的交点可以看出,特性曲线斜率小的比斜率大的增加的功率大,即ΔP1>ΔP2。如果是电网功率减少,频率上升,则斜率小的比斜率大的减少的功率更多。如果两曲线的斜率都稍大些,这种分配偏差就小一些。
图2 调速特性对有功功率分配的影响
从功率分配的角度来看,调速特性的斜率(调差系数)Kn越大,其分配的误差越小,但当系统负载波动时,频率的波动越大。而从频率稳定的角度来看,要求调速特性的斜率Kn,越小越好,两者存在着矛盾。一般调速器的调差系数为3%~5%为宜。而采用自动调频调载装置能比较理想地解决这一矛盾,既能使系统频率稳定在给定的范围内,又能使功率分配误差尽量缩小。
一般来说,若调速器选配恰当,在调速器自动调节(一次调节)下,功率分配的静态误差和频率的静态误差不会太大,否则就应加装自动调频调载装置进行二次调节。即使加装自动调频调载装置后,一般只要求功率分配之差在各发电机额定容量的10%~15%以内,频差在±0.5Hz之内。否则,静态指标要求过高,调节变得过分频繁,对伺服机构不利。