摘要： 电压调整率是表征柴油发电机组性能优劣的重要性能指标，是指在负载和温度恒定的条件下，输出电压的相对变化量与输入变化量的百分比。在实际应用过程中，应用不同的公式会得到不同的计算值。本文系统阐述柴油发电机组的电压整定范围（空载时95%～105%额定电压）、稳态电压调整率（≤±0.5%～±5.0%）、瞬态电压调整率（≤-10%/+15%）、三相不对称负载下电压稳定度（线电压不平衡度≤5%）、电压波动率（≤0.5%）及电压稳定时间（0.5～1s或3s）等性能指标的定义与计算公式，并详细说明电压整定测试、稳态电压调整率测试的试验方法与步骤，为发电机组的电压性能评估与调试提供技术参考。
一、柴发机组电压的性能指标
1. 电压整定范围
在柴油发电机组的电压监测点或各电压等级的用户受电端的电压监测点装设的电压监测仪，其整定电压值即为按GB/T 12325和SD 325规定的电压允许偏差的上限电压标准值与下限电压标准值。简单来说，整定电压就是发电机经过处理稳定以后的一个持续不变的输出电压。
电压整定范围是指在柴油发电机以额定转速空载运行时，调整控制面板上的手动或自动电压调节器，电压能够达到的最大值和最小值的范围。在一般情况下，空载电压整定范围为额定值的95%～105%。
例如：额定电压为400伏的康明斯柴油发电机组，其空载电压可以在380～420伏之间调整，在康明斯发电机出厂时一般都整定在400伏。
2. 发电机电压调整率
电压调整率定义：（首端电压不变的前提下）撤掉在特定功率因数条件下的全部负载，引起的末端电压升高值与满载时末端电压的百分比。电压调整率来源于柴油发电机组在满载时，其输出电压因该电源的供电电压波动引起的变化。
电压调整率又称电压变化率。当同步电机励磁电流及转速为一定值，在给定功率因数条件下，同步电机从额定功率转变到空载时的电压变化量，用额定电压的百分率表示。电压变化率主要取决于饱和程度和电枢反应的大小，饱和程度越高，电枢反应越小，电压变化率就越小。
（1）稳态电压调整率。稳态电压调整率（δu）是指同步发电机在从空载到额定负载的所有负载条件下稳态电压的变化率，通常为≤±0.5%（高性能机组）或≤±1.0%～±5.0%（不同励磁方式），用公式表示为：
式中，U为空载时输出的整定电压；U1为负载渐变后的稳定输出电压，取最大值和最小值，若三相电取平均值。
（2）瞬态电压调整率。柴油发电机组的国际标准瞬态电压调整率为：≤-10%/+15%，瞬态电压调整率（δPs）是指发电机在空载且转速和电压达到额定值时，在突加或突减负载的过程中瞬时电压的变化率，其数学表达公式为：
式中，U为额定电压；Us为负载突变时瞬时电压的最大值或最小值，在一般情况下，取三相线电压的平均值。突加负载时Us取最小值，突减负载时Us取最大值。
3. 三相不对称负载下运行电压的稳定度
三相不对称负载在机组运行中有可能会出现，特别是负载中有较多的单相负载时，由于接线不合理，也会造成三相负载不对称（相量图如图1所示，接线如图2所示）。不对称负载将导致发动机三相绕组所供给的电流不平衡，使发动机线电压间产生偏差，同时使发动机发热和振动，对用电设备也是不利的。因此规定机组在一定的三相对称负载下，在其中任一相上再加25%标定相功率的电阻性负载，但该相的总负载电流不超过额定值时，应能正常工作。
在不对称负载条件下，如果每一相的电流都不超过额定值，且各相负载的电流之差不超过25%，那么，各线电压与三相电压平均值之差应不超过三相线电压平均值的5%。其线电压不平衡度（δUL）计算公式表达为：
式中，UL为在不对称负载下，线电压中的最大值或最小值；ULave为在不对称负载下，三个线电压的平均值。
4. 电压波动率
发电机组的电压在负载不变时由于机组内部的原因产生波动，电压波动率（δuB）通常设为：≤0.5%。
发动机励磁系统不稳定和柴油机转速的波动，使发动机的端电压在其负载不变时出现波动；因此，相应提高励磁调节器，可以减小机组电压的波动。电压波动率计算公式：
式中，UBmax和UBmin为同一次观测时间内电压的最大值和最小值，UB为观测期间的平均电压。
5. 电压稳定时间
电压稳定时间是指发电机处于空载状态且电压达到额定值时，从突加负载到电压稳定在规定的范围内所需的时间，用s表示。国家规定I、II、III类电站的电压稳定时间为0.5～1s，IV类电站为3s。电压稳定时间越短，表明AVR的动态响应性能越好，对冲击性负载的适应能力越强。
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图1 三相不对称负载下运行电压相量图 |
图2 发电机三相不对称负载连接图 |
二、电压测试方法
1. 电压整定测试方法
（1）试验前的准备与空载调整。试验前，应先调整内燃发电机组的有关装置，使发电机的空载电压整定范围在标准以内（例如95%～105%），步骤示例如图3所示。然后将输出电压调整到额定值，此时机组的频率应为额定值的103%～105%。
（2）满载验证与去载复验。再给柴油发电机组加负载到满载，并使转速和功率因数都达到额定值，满足上述条件后，去掉负载。此时电压还应等于或接近额定值，若与额定值相差较多，则应再次进行上述调整，直至达到上述要求为止。
（3）合格判定。电压整定范围测试的合格标准为空载电压可在95%UN～105%UN范围内连续调节，且满载去载后电压能恢复到整定值±1%以内。
2. 稳态电压调整率测试方法
（1）试验目的与原理。发电机稳态电压调整率试验是柴油发电机组中对发电机电压调整性能的一项重要测试。稳态电压调整率是指当发电机负载发生变化时，发电机输出电压从原来的稳定值迅速调整到新的稳定值所需的时间。稳态电压调整率的好坏直接影响着柴油发电机组的稳定性和供电质量。
（2）试验步骤与负载变化方式。稳态电压调整率试验通常在额定负载条件下进行。首先，将发电机额定负载接入，使其达到稳定状态，接线示例如图4所示。然后，通过改变负载大小，例如增加或减小负载电流，观察发电机输出电压的变化情况。记录发电机输出电压从原来的稳定值到新的稳定值所需的时间，并计算出稳态电压调整率。
（3）试验结果评价。稳态电压调整率的试验结果可以直观地反映发电机的电压调整能力。当负载突然变化时，发电机应能迅速调整输出电压，以保持柴油发电机组的稳定运行。因此，较小的稳态电压调整率表示发电机具有良好的电压调整能力，反之则表示调整能力较差。
（4）不同应用的指标要求。在实际应用中，稳态电压调整率的要求因系统类型和负载特性而异。对于大型柴油发电机组，一般要求稳态电压调整率在5%以内。而对于小型柴油发电机组或特殊负载，稳态电压调整率的要求可能更高。
（5）试验注意事项。为了保证稳态电压调整率试验的准确性和可靠性，需要注意以下几点。首先，确保试验环境的稳定和准确，避免外界因素对试验结果的干扰。其次，应选择合适的负载变化方式，使试验结果具有代表性。同时，还应注意记录试验数据的准确性和完整性，以便后续分析和评估。
（6）加载/减载顺序与重复性要求。试验过程与“同步发电机试验”基本相同，但在记录试验数据时，应同时记录各试验点的频率值。试验应反复进行3次。试验时，如果电压示值摆动，则应取其中间值。做功率因数为0.8（滞后）的试验时，在加载过程中，应先加阻性负载到需要的数值（例如75%的负载），再加感性负载使功率因数为0.8；在减载过程中，应先减感性负载，再减阻性负载，使功率因数为0.8。
3. 瞬态电压调整率测试方法
（1）试验条件。发电机在空载且转速和电压达到额定值时，分别进行突加50%～100%额定负载和突减50%～100%额定负载的操作，使用高速记录仪或波形记录装置测量电压瞬时变化曲线。
（2）数据记录。记录突加和突减负载瞬间的最低电压（Us_min）和最高电压（Us_max），以及电压恢复到稳定值（稳定在额定电压±3%以内）所需的时间。电压恢复过程中的超调量也应记录。
（3）计算公式与判定。按公式2计算瞬态电压调整率，要求突加负载时≤-10%，突减负载时≤+15%。电压稳定时间应满足I～III类电站0.5～1s，IV类电站3s的要求。
（4）注意事项。突加/突减负载的容量应准确控制在额定负载的50%～100%范围内，负载变化应在0.5s内完成，以保证试验结果的代表性。
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图3 发电机电压整定测试步骤框图 |
图4 发电机电压调整率测试接线图 |
三、电压调整率异常的诊断与优化
1. 稳态电压调整率偏大的原因与处理
（1）AVR参数设置不当。AVR的比例、积分、微分增益设置不合理会导致电压调整缓慢或超调。应参照AVR说明书重新整定PID参数，一般先调比例增益（P）至电压稳定，再逐步增加积分增益（I）消除静差，最后微调微分增益（D）抑制超调。
（2）励磁系统响应慢。励磁机励磁绕组时间常数过大或励磁电源容量不足，导致励磁电流变化跟不上电压变化。应检查励磁电源电压是否正常，测量励磁绕组电阻和电感，必要时更换响应速度更快的励磁系统。
（3）调差互感器接线错误。并列运行机组的调差互感器极性接反或变比不匹配，导致无功分配不均，引起电压波动。应核对调差互感器接线，确认极性正确，变比与AVR设定一致。
（4）发电机饱和特性变化。发电机长期运行后铁芯饱和特性发生变化，导致电压调整率偏离设计值。应通过空载特性试验重新测定饱和曲线，在AVR中更新相应的补偿参数。
2. 瞬态电压调整率偏大的原因与处理
（1）AVR响应速度不足。AVR的响应时间过长（>50ms），在负载突变时无法及时调整励磁。应检查AVR的带宽设置，必要时升级为具有更快响应速度的AVR（如数字式AVR，响应时间可<20ms）。
（2）励磁机时间常数过大。交流励磁机的时间常数过大导致励磁电压上升缓慢。可考虑增加永磁发电机（PMG）励磁系统，提高励磁电源的响应速度，使强励能力得到充分发挥。
（3）发电机次暂态电抗过大。发电机设计时次暂态电抗 较大，导致负载突变瞬间电压跌落深度增加。此问题属于设计层面，运行中可通过适当提高空载电压整定值（在允许范围内）来增加动态电压储备。
（4）负载冲击过大。突加负载容量超过发电机额定功率的80%，超出机组瞬态承受能力。应适当控制负载投入方式，采用分级加载或软启动方式减小冲击。
3. 电压波动率超标的原因与处理
（1）柴油机转速波动。调速器性能不良导致转速波动传递至发电机端电压。应检查调速器的增益和稳定性，调整调速器参数，必要时检修或更换调速器。
（2）励磁系统振荡。AVR增益过高导致励磁系统产生低频振荡。应适当降低AVR增益或调整电压稳定器电位器，使系统处于临界阻尼状态。
（3）负载周期性波动。负载本身存在周期性变化（如往复式压缩机）。应评估负载特性，必要时在负载侧增加无功补偿或滤波装置。
（4）电压波动率的允许值为≤0.5%，若超标应先检查柴油机转速波动率是否在合格范围内（≤±0.25%），再排查AVR和励磁系统。
4. 三相电压不平衡度超标的处理
（1）当线电压不平衡度超过5%时，首先检查各相负载分配是否均衡，将单相负载尽量均匀分配到三相上，使各相电流差值不超过25%。
（2）检查发电机三相绕组是否对称，测量各相绕组直流电阻是否一致（偏差不超过2%）。
（3）检查AVR的三相检测输入是否正常，确保检测回路无接触不良或断线。
（4）对于无法通过负载调整解决的不平衡问题，考虑增加相间补偿电容器或在负载端加装三相平衡装置。
总结： 柴油发电机组电压性能指标包括空载电压整定范围（95%～105%UN）、稳态电压调整率（≤±0.5%～±5.0%）、瞬态电压调整率（≤-10%/+15%）、三相不对称负载线电压不平衡度（≤5%）、电压波动率（≤0.5%）及电压稳定时间（I～III类0.5～1s，IV类3s）。电压调整率与电机饱和程度及电枢反应大小有关，饱和程度越高，电枢反应越小，电压变化率越小。测试方法包括电压整定测试（先调空载电压至95%～105%UN，加满载后再去载验证）、稳态电压调整率测试（逐级加载/减载并记录电压和频率，取三次平均值）和瞬态电压调整率测试（突加/突减50%～100%负载，记录瞬时电压）。瞬态测试时突加负载应≤-10%，突减负载应≤+15%。电压调整率异常时，稳态偏大主要因AVR参数不当或励磁响应慢，应重新整定PID参数或检查调差互感器；瞬态偏大主要因AVR响应速度不足或励磁机时间常数过大，可考虑升级数字式AVR或加装PMG系统；电压波动率超标应排查调速器或AVR振荡；电压不平衡超标应均衡单相负载分配或检查三相绕组。电压调整率试验是评估发电机电压调整性能的重要手段，为发电机组的运行和维护提供重要依据。
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