摘要：柴油发电机组的主要电气性能指标包括稳态指标和动态指标两类，在一定负载下稳定运行时的电气性能指标称作稳态指标，而电压和频率稳定时间、瞬态电压调整率和瞬态频率调整率、直接启动空载异步电动机的能力、发电机组并车性能以及无线电干扰允许值等则属于动态指标。本文按频率指标与电压指标两条线索，逐项说明频率降、稳态频率带、瞬态频率偏差、瞬态频率调整率、频率恢复时间、稳态电压调整率、瞬态电压偏差、电压恢复时间、电压调制、波形畸变率与不对称负载要求等指标的定义、表达式与限值依据，并分析结构型式、转动惯量、功率裕度与加载比例对机组动态性能的影响。
一、柴发主要电气性能指标
1. 频率降δfst
（1）定义
δf在整定频率确定的条件下，额定空载频率fir与标称功率时的额定频率fr之间的频率差用额定频率fr的某一百分数表示，称为频率降，用δfst表示，它等同于我国标准中的稳态频率调整率（fd）。
（2）表达式
（3）与稳态频率调整率的关系
该指标与我国标准中的稳态频率调整率在含义上一致，只是名称与符号不同，选型时可相互对照。
2. 稳态频率带βf和频率波动率δfB
（1）稳态频率带
稳态频率带βf是指在恒定功率时发电机组频率围绕某一平均值波动的包络线宽度，用额定频率的某一百分数表示之值。
（2）频率波动率
频率波动率δfB是指在恒定功率时发电机组频率波动的比值。
（3）两者的区别
稳态频率带反映的是频率波动的绝对宽度，频率波动率反映的是波动的相对比值，两者从不同角度描述同一现象。
3. 相对的频率容差带αf
（1）定义
由于稳态频率容差带Δf是人为规定的，所以αf也属约定值，而βf是实际值。
（2）作用
规定αf（Δf）的目的是为了计算频率恢复时间tf,in（tf,de）。
（3）约定值与实际值的关系
约定值用于统一评价标准，实际值用于反映机组的真实表现，两者不可混用。
4. 相对的频率整定下降范围δfs,do
（1）定义
用额定频率的某一百分数表示，可反映频率整定下降范围。
（2）表达式
5. 相对的频率整定上升范围δfs,up
（1）定义
用额定频率的某一百分数表示，可反映频率整定上升范围。
（2）表达式
6. 频率整定变化速率γf
（1）定义
频率整定变化速率γf是指在远距离控制条件下，用每秒相对的频率整定范围的某一百分数表示的频率整定变化速率。
（2）意义
该指标反映远控调频时频率整定的响应速度，对需要频繁调整频率的场合具有参考价值。
7. 对初始频率的瞬态频率偏差δfd
（1）定义
δfd是指在某一突变负载出现调速的过程中，其下冲（或上冲）频率与初始频率之间的频率差，用相对于额定频率的某一百分数表示。
（2）表达式
8. 对额定频率的瞬态频率偏差δfdyn
（1）定义
δfdyn是指在某一突变负载出现的调速过程中，其下冲（或上冲）频率与额定频率之间的频率差，用相对于额定频率的某一百分数表示。
（2）表达式
（3）与δfd的区别
δfd以负载变化前的初始频率为基准，δfdyn以额定频率为基准，两者在负载变化前频率已偏离额定时会有明显差别。
9. 瞬态频率调整率δfs
（1）定义
瞬态频率调整率是指发电机组在突加或突减负载时，瞬间变化频率与负载变化前频率的差值与额定频率的比值。
（2）表达式
10. 频率恢复时间和频率稳定时间tf
（1）频率恢复时间
频率恢复时间是指在规定的负载突变后，从频率离开稳态频率带至其永远地重新进入规定的稳态频率容差带的时间。
（2）频率稳定时间
频率稳定时间指从频率突变时起至开始稳定在频率波动范围内所需的时间。
（3）两者的区别
恢复时间强调的是频率重新进入容差带，稳定时间强调的是频率开始稳定，两者的判定标准不同。
11. 稳态电压偏差δUst和稳态电压调整率δU
（1）稳态电压偏差
稳态电压偏差δUst是指对空载与额定输出之间的所有功率和在规定的功率因数下，在额定功率时考虑温升影响的稳态条件下偏离整定电压的最大偏差。稳态电压偏差δUst用额定电压的某一百分数表示。
（2）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%。
（3）表达式
12. 电压不平衡度δU2,0
（1）定义
电压不平衡度δU2,0是指空载下的负序或零序电压分量对正序电压分量的比值，用额定电压的某一百分数表示。
（2）对称分量表达式
（3）算子α的含义
其中，α是模等于1而幅角等于2π/3的一个复数，以α乘以某量就等于将某向量逆时针旋转120°。
（4）不平衡度的计算
13. 相对的电压整定范围δUs
（1）定义
用额定电压的某一百分数表示的电压整定范围。
（2）电压整定下降范围
（3）电压整定上升范围
（4）相对的电压整定范围
14. 电压整定变化速率γu
（1）定义
与频率整定变化速率的情形类似，不再重复。
（2）意义
该指标反映远控调压时电压整定的响应速度，对需要远程调整电压的场合具有参考价值。
15. 瞬态电压偏差δUdyn
（1）按负载增加的瞬态电压偏差
按负载增加的瞬态电压偏差是指当发电机在正常励磁控制下被驱动在额定频率和额定电压时，接通额定负载，用额定电压的某一百分数表示的电压降。
（2）按负载减少的瞬态电压偏差
按负载减少的瞬态电压偏差是指当发电机在正常励磁控制下被驱动在额定频率和额定电压时，突然切除额定负载，用额定电压的某一百分数表示的电压升。
（3）表达式
16. 电压恢复时间与稳态电压容差带
（1）电压恢复时间
电压恢复时间tu（tu,in，tu,de）：从某一负载变化瞬时（t1）开始至当电压恢复并保持在规定的稳态电压容差带内瞬时（t2）止的时间。
（2）表达式
（3）稳态电压容差带
稳态电压容差带是判定电压是否恢复的基准，其宽度由标准或用户要求规定。
17. 相对的稳态电压容差带αu
（1）定义
该指标与αf一样同属约定值。
（2）与稳态频率容差带的对应关系
αu与αf在定义方式上一致，分别用于电压与频率恢复时间的计算。
18. 电压调制
（1）定义
在某一稳态电压下，在低于基本的发电频率的有代表性的频率下，用在额定频率和恒定转速时平均峰值电压的某一百分数表示的准周期电压变化（峰对峰），称为电压调制。
（2）表达式
19. 周期不均匀度
（1）与电压调制的关系
此概念与电压调制的概念是一致的。电压调制和周期不均匀度这两个概念与电压波动率的概念是类似的。
（2）与电压波动率的区别
电压调制与电压波动既有联系又有区别。一般对中频（400Hz）发电机组用电压调制考核。电压调制对用电设备的影响除了电压幅值变化外，还要考虑调制的频率。同时，各自试验仪器也不同。测量电压调制必须要示波器；测量波动率则用指针式仪表即可。
20. 负载电压整定范围Uz
（1）空载电压整定范围
发电机组的空载电压整定范围为额定电压的95%～105%，这是由于发电机组与用电设备之间有一定的电缆电压降，发电机组应保证在一定的负载下，输出电缆末端应具有正常的工作电压的规定值。
（2）表达式
21. 热态电压变化
（1）定义与限值
热态电压变化是发电机组在标定工况下从冷态到热态的电压变化。对于采用可控励磁装置的发电机组，应不超过±2%标定电压；对于采用不可控励磁装置的发电机组，应不超过±5%标定电压。
（2）表达式
22. 电压正弦波形畸变率
（1）畸变的来源
发电机组要求发电机的理想波形是正弦波，但实际上发电机的感应电势中含有三次及三次以上的高次谐波，励磁发电机的三次谐波尤为严重，使发电机的电压的正弦波形产生畸变。
（2）畸变过大的影响
电压的正弦波形畸变率过大，会使发动机发热严重，当温度升高时发动机的绝缘受到影响，同时也会对用电设备的正常工作有影响。
（3）限值要求
发电机组在空载标定电压时，线电压的正弦波形畸变率应不大于10%。
（4）表达式
23. 冷热态电压变化
（1）定义与限值
这是指发电机组在额定工况下从冷态到热态的电压变化。对于采用可控励磁装置发电机的发电机组，应不超过±2%额定电压；对于采用不可控励磁装置发电机的发电机组，应不超过±5%额定电压。
（2）与热态电压变化的关系
冷热态电压变化与热态电压变化在含义上相近，均反映温度变化对电压的影响，限值要求也一致。
24. 畸变率
（1）分档限值
发电机组在空载额定电压时，线电压的正弦波形畸变率应不大于下列规定值：单相发电机组和额定功率小于3kW的三相发电机组为15%；
① 额定功率为3～250kW的三相发电机组为10%；
② 额定功率大于250kW的三相发电机组为5%。
（2）分档的意义
机组容量越大，其供电对象往往对电能质量要求越高，因此畸变率限值随容量增大而收紧。
25. 不对称负载要求
（1）要求内容
对于额定功率不大于250kW的三相发电机组，在一定的三相对称负载下，在其中任一相（对可控硅励磁的则指接可控硅的一相）上再加25%额定相功率的电阻性负载，当该相的总负载电流不超过额定值时应能正常工作。
（2）电压偏差限值
线电压的最大（或最小）值与三相电压平均值之差应不超过三相电压平均值的±5%。
（3）表达式
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图1 康明斯柴油发电机组模型图 |
图2 柴油发电机组三维布局图 |
二、影响柴发动态性能的因素
动态性能是指柴油发电机组运行时各输入量和输出量之间的动态关系。为了保证柴油发电机组起动、运行的安全性和可靠性，本文中主要讲述了影响柴油发电机组动态响应机制几个主要因素，警示用户在设备选型之前针对这些问题作出正确的采购计划。
1. 结构型式
（1）自然吸气与涡轮增压的差异
除了选择自然吸气式柴油发电机还是涡轮增压柴油发电机；同时还取决于涡轮增压器、调速器和喷油泵的具体结构。对于自然吸气式柴油发电机，易于获得高的动态性能指标；对涡轮增压柴油发电机，则由于增压过程无法瞬间完成过渡，载荷变化时需要的加速（或减速）时间要长得多，动态性能较差。
（2）增压器材料的改进
某些品牌的柴油机增压器叶轮采用了轻质、耐高温的材料制造，运转惯性大大减小，其动态性能会有所改善。
（3）调速器型式的影响
就调速器而言，电子调速器要优于机械式调速器，例如，采用Barber-Colman电子调速器，这一动态指标可比机械调速器提高一个等级。
2. 转动惯量
（1）定义
转动惯量（Moment of Inertia）是刚体绕轴转动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度，用字母I或J表示。在经典力学中，转动惯量（又称质量惯性矩，简称惯距）通常以I或J表示，SI单位为kg·m²。
（2）质点转动惯量
对于一个质点，
其中m是其质量，r是质点和转轴的垂直距离。
（3）物理意义
转动惯量在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量，可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性，用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。
（4）机组中的转动惯量
整个发电机组中包括柴油机、飞轮、联轴器、发电机转子等旋转质量的转动惯量。大的转动惯量可以降低载荷变化时转速波动的幅值，从而减小瞬态频率偏差。而对于恢复时间则可能有正反两方面的影响，需要具体分析。
（5）调整方式
因此调整惯量值时，必需要考虑到这两个指标的折衷。通常可以通过选择不同尺寸的飞轮，或不同型号的联轴器来调节转动惯量。
3. 柴油机的功率裕度
（1）定义
柴油机功率裕度指的是该机型的实际设计的最大功率与使用的最大功率的差。保证发电机组额定电功率所需的柴油机功率与该柴油机能发出的最大持续功率的比值就表示了该柴油机的功率裕度。
（2）表达式
（3）与动态性能的关系
此比值越小，表示柴油机配机的功率裕度越大，发电机组的动态性能要求就越易达到。
（4）举例说明
比如说：柴油机该机型的设计最大功率为2000kW，而实际的船型上设计的柴油机最大功率为1800kW，就是说有200kW的功率裕度。
（5）功率裕度的权衡
柴油机有功率裕度对机体的寿命和长期使用上都有很大的好处。但是不宜储备过大，功率储备过大在性价比上就不高了。
4. 对发电机组的加载比例
（1）不同机型的加载能力
对自然吸气式柴油发电机，突加和突卸100%负荷都是可以办到的。而对涡轮增压柴油发电机由于增压器的工作无法实现瞬间过渡，突加10%负荷通常无法做到。因此需要按一定比例分级加载。
（2）平均有效压力的影响
柴油机的平均有效压力取决于柴油机的许多结构因素和燃烧过程的组织，柴油机的增压程度对此有着重大影响。
（3）标准推荐的做法
因此在柴油机发电机组的国际标准ISO 8528-5和老的德国标准DIN6280中都推荐了根据平均有效压力值确定加载等级和载荷比例的做法。而在较早的ISO 36-1978中却规定了不同形式的加载等级—比例曲线。这种变化主要是由于柴油机增压技术的发展，增压度越来越高，陈旧的经验已经不再适用，而人们的认识也在技术发展的过程中不断提高，根据新的经验作出了这种改变。
（4）高载荷段的影响
经验证明，高载荷段对瞬态指标的影响要比低载荷段大得多。因此高载荷段的比例间隔要比低载荷段小得多。
（5）分级比例的相对性
分级比例也仅是作为参考的指导值。在实际运用中还必需考虑用电设备的工作要求，然后通过对系统配置的调整确定加载等级和比例。因此无论ISO或DIN标准都特别强调了用户和制造商进行协商的必要性。
（6）精度等级的相对性
这样可能会出现以下情况：相同配置的发电机组由于用电设施不同，加载的比例不同，达到的发电机组精度等级会不同。由此表明，发电机组的精度等级具有相对性，它对负载有很大的依从性。
总结
本文按频率指标与电压指标两条线索，逐项说明了柴油发电机组主要电气性能指标的定义、表达式与限值依据，并分析了结构型式、转动惯量、功率裕度与加载比例对动态性能的影响。其意义在于：稳态指标与动态指标共同构成机组电气性能的完整评价体系，稳态指标反映机组在恒定负载下的精度水平，动态指标反映机组在负载突变时的响应能力与恢复能力，两者不可偏废。理解各指标的物理含义与限值来源，有助于在采购选型时根据负载特性与用电设备要求提出恰当的精度等级，避免只看额定功率而忽视瞬态偏差、恢复时间与波形畸变率等关键参数。同时，结构型式、转动惯量、功率裕度与加载比例四项因素相互关联，调整其中一项往往会影响另一项指标，因此选型时应结合实际负载的加载方式与精度要求综合权衡，必要时通过模拟计算预先评估系统配置能否达到要求，从而保障柴油发电机组在实际运行中的可靠性与供电质量。
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