基于孤島電站多機組并列運行的控制策略

楊紅波，徐衛(wèi)忠，李東超

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

孤島電站單機組運行時，對于外部的負載波動，通常采用自身調(diào)節(jié)模式。然而，當(dāng)多機組并列運行時，由于各個機組的性能不同且無統(tǒng)一的分配機制，會造成負荷分配不均衡的問題；當(dāng)外部負載擾動較大時，甚至?xí)?dǎo)致個別機組保護跳機。為此，需引入控制系統(tǒng)來對各機組負荷進行分配管理，以達到使孤島電站平穩(wěn)運行的目的。

本文的討論是基于某礦山重油電站項目，該 項目共4 臺機組，采用孤島電網(wǎng)運行模式，為礦山皮帶機及港口碼頭等設(shè)施供電。文中對柴油發(fā)電機組的性能進行介紹，并對孤島電站的硬件和軟件進行針對性設(shè)計，用以解決多機組并列運行所產(chǎn)生的問題。

1 柴油發(fā)電機組調(diào)速調(diào)壓系統(tǒng)

柴油發(fā)電機組的調(diào)速調(diào)壓系統(tǒng)是孤島電站的核心系統(tǒng)，是由電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的評價標(biāo)準(zhǔn)（供 電頻率、供電電壓）決定的，其中供電頻率由調(diào)速系統(tǒng)決定，供電電壓由勵磁調(diào)壓系統(tǒng)決定。

1.1 調(diào)速系統(tǒng)

柴油發(fā)動機調(diào)速系統(tǒng)的作用是維持柴油發(fā)動機轉(zhuǎn)速的恒定，從而使輸出頻率穩(wěn)定。柴油機組如果沒有調(diào)速系統(tǒng)，會導(dǎo)致以下結(jié)果：當(dāng)負載減小時，轉(zhuǎn)速升高，循環(huán)供油量增大，致使柴油機超過額定轉(zhuǎn)速造成飛車；當(dāng)負載增加時，轉(zhuǎn)速降低，循環(huán)供油量減少，導(dǎo)致柴油機帶不動負載而熄火[2]。

柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程如下：

1）當(dāng)負荷增加時，阻力矩隨之增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降低，調(diào)速系統(tǒng)控制油門開度變大增加供油量，提高輸出轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)減速增油調(diào)節(jié)動作；

2）當(dāng)負荷減小時，阻力矩相應(yīng)減小，輸出轉(zhuǎn)速升高，此時調(diào)速系統(tǒng)控制油門開度變小進而減少供油量，實現(xiàn)增速減油調(diào)節(jié)動作。

根據(jù)達朗貝爾原理，柴油機發(fā)電機組動態(tài)方程為

式中：M0為柴油機輸出扭矩，N·m；Mr為發(fā)電機阻扭矩，N·m；ML為負載扭矩，N·m。

由此可知，扭矩是引起轉(zhuǎn)速波動的原因。發(fā)電機阻扭矩為定值，而負載扭矩將隨著外圍負載的波動而變化，這是造成轉(zhuǎn)速波動的主要原因。

控制器的性能決定了調(diào)速的性能，控制器輸入為設(shè)定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的偏差信號，輸出為控制執(zhí)行器的電信號，控制器的模型為

控制執(zhí)行器一般為小功率的直流伺服電機，電機將輸入電信號轉(zhuǎn)化為電機輸出扭矩，執(zhí)行器模型為

式中：K1為增益系數(shù)；T1為執(zhí)行器的時間常數(shù)[3]。

調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 勵磁調(diào)壓系統(tǒng)

勵磁控制系統(tǒng)的主要作用即利用對發(fā)電機勵磁繞組的直流電流進行調(diào)整，實現(xiàn)對發(fā)電機機端電壓恒定的有效控制，在發(fā)電機正常運行過程中，對發(fā)電機組的無功功率進行合理分配控制[1]。因此，勵磁控制系統(tǒng)運行的狀態(tài)，嚴重影響著柴油發(fā)電機的供電質(zhì)量和運行穩(wěn)定性，其主要作用包含以下2 個方面：

1）在發(fā)電機的運行過程中，如果發(fā)電機的負荷產(chǎn)生波動變化，導(dǎo)致發(fā)電機的機端電壓隨著變化，則借助勵磁控制系統(tǒng)對勵磁電流的增加或減小，以調(diào)節(jié)發(fā)電機的機端電壓穩(wěn)定至給定水平。

2）通過勵磁控制系統(tǒng)，可以改善發(fā)電機運行過程中的功率特性，提高功率極限；當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時，還可以應(yīng)通過對電流等參量的控制，保障發(fā)電機電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本項目同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)采用自勵方式，不設(shè)專門的勵磁機，而從發(fā)電機本身取得勵磁電源，經(jīng)整流后再供給發(fā)電機本身勵磁。

勵磁調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 勵磁調(diào)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 多機組并列運行時產(chǎn)生的問題

單機組運行時，自身能夠進行電壓（無功功率）調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)速（有功功率）調(diào)節(jié)，但是在孤島電站多機組并聯(lián)運行時，會出現(xiàn)有功無功分配不均及外部大負載啟動時頻繁跳機的問題。

1）機組有功功率分配失衡

在機組運行后，由于無分配機制，有些機組運行負荷大，有些機組運行負荷小，且無規(guī)律性；當(dāng)分批帶載時，前面并行機組帶載負荷大，后面并列機組帶載負荷小，不能使各機組運行在最佳油耗區(qū)。

2）機組無功功率分配失衡

由于是孤島運行，不能采取恒功率因數(shù)模式，只能采用恒無功模式以保持孤島電站電壓恒定，這就導(dǎo)致不同機組無功功率無法平衡分配及控制，一些機組無功功率較大，一些機組無功功率較小，甚至某些機組會從孤島電站電網(wǎng)吸收無功，不能使各機組運行在發(fā)電機出廠0.8 功率因數(shù)附近的范圍內(nèi)，對發(fā)電機長期運行的工況不利[4]。

3）機組在外部大負載啟動時頻繁跳機

由于各機組獨立運行，由于沒有協(xié)調(diào)控制機制，有的機組運行負荷較大，有的機組運行負荷較小；在外部大容量變壓器上電及外部大負載啟動時，運行負荷大的機組由于剩余功率不足，無法滿足負載大電流啟動的要求而導(dǎo)致停機；運行負荷小的機組由于其余機組停機而自身無法承擔(dān)外部負載，也會導(dǎo)致停機，最終將造成孤島電站所有機組停機。

3 多機組并列運行控制策略

3.1 控制要求

孤島電站的控制策略需要對一系列設(shè)備整體特性和限值條件等因素進行綜合考慮，其中包括柴油機特性、發(fā)電機特性、負載特性等，在考慮到上述所有特性和限制條件的情況下，進行控制策略的優(yōu)化。靜態(tài)時，需要考慮的因素相對簡單；動態(tài)時，控制策略的重要性更能體現(xiàn)出來，這其中涉及到柴油機負載加載率的限制、可用功率的限制、負載對電站電壓和頻率的影響等[5]。

3.2 發(fā)電機組的控制

孤島電站電力供應(yīng)大多來自于發(fā)電機組，其驅(qū)動動力的來源主要來自燃油，通過柴油機將熱能轉(zhuǎn)化為機械能。然而，柴油機工作效率受到負荷的影響較大，在低負荷區(qū)域會導(dǎo)致工作效率急劇下降，一般通過設(shè)定柴油機最佳工作區(qū)域進行控制（通過燃油調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)），并通過增減發(fā)電機組來保證電力供應(yīng)的需求。

3.3 防失電的控制

防失電控制是以電力系統(tǒng)中出現(xiàn)發(fā)電機跳閘為考慮對象，兼顧孤網(wǎng)電壓和頻率規(guī)范要求的情況下，以防止孤網(wǎng)失電為控制目標(biāo)。基本的要求可以描述為：在發(fā)生機組故障引起發(fā)電機跳閘的情況下，剩余在網(wǎng)發(fā)電機組依然能保證電站電力供應(yīng)而不會引起跳閘。

3.4 負載擾動的控制

為了減少外部負載擾動引起的柴油機過度應(yīng)力和頻率波動，需要內(nèi)部設(shè)置有負載分配及重載問詢功能。如果沒有負載分配及重載問詢，外部負載波動時將會使孤網(wǎng)的某些機組產(chǎn)生較大的突加突減擾動，嚴重時可能會導(dǎo)致孤網(wǎng)系統(tǒng)失電。

3.5 系統(tǒng)配置

本項目硬件系統(tǒng)配置見圖3。

該系統(tǒng)主要包括：

1）西門子PLC S7-1500 模塊。

2）同步表、手動按鈕、指示燈，用于實現(xiàn)手動同期及手動調(diào)壓、調(diào)速功能。

3）西門子觸摸屏。

4）機組控制器：DGC-2020HD，該控制器屬于自適應(yīng)控制器，主要用于負載分配，具有機組控制、測量的基本功能，通過以太網(wǎng)分配有功負載和無功負載。

PLC 模塊和觸摸屏，主要用以采集和顯示機組各項參數(shù)信息，實現(xiàn)遠程遙控、遙測、遙調(diào)、遙信功能，并具備自動、手動并車控制功能，各機組控制器間通過以太網(wǎng)進行通信。

圖3 系統(tǒng)配置模型

4 系統(tǒng)控制策略

根據(jù)電站自身的特點，需要根據(jù)柴油機特性、配電系統(tǒng)特性、外部負載特性編制PLC 系統(tǒng)控制邏輯，調(diào)壓、調(diào)速功能根據(jù)DGC-2020HD 控制器自動脈沖指令及手動調(diào)速、調(diào)壓指令來實現(xiàn)，分配指令分別下達給各運行機組，達到協(xié)調(diào)控制的目的，其邏輯原理圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 調(diào)壓控制邏輯

在自動模式下，控制系統(tǒng)根據(jù)負載功率狀態(tài)進行在網(wǎng)機組的啟停、自動并車、自動調(diào)載調(diào)壓以及解列功能。啟動同期命令后，DGC-2020HD自動發(fā)出調(diào)壓、調(diào)速信號，檢測到電壓、頻率、 相角達到同步狀態(tài)，自動發(fā)出合閘信號，控制斷路器合閘并網(wǎng)。自動發(fā)出調(diào)壓、調(diào)速信號，檢測到電壓、頻率、相角達到同步狀態(tài)，自動發(fā)出合閘信號，控制斷路器合閘并網(wǎng)。一旦來自電源的輸入功率未達到預(yù)置水平，啟動模式為組啟動，發(fā)電機自動啟動拾取負載，隨著系統(tǒng)負載變化實現(xiàn)附加發(fā)電機并機或停機。一旦從電源輸入的功率達到預(yù)置水平，則啟動模式為單發(fā)電機組啟動，由單臺發(fā)電機自動啟動承擔(dān)負載。在多臺機組并列運行時，根據(jù)預(yù)先設(shè)置平衡分配各機組出力，使得孤島電站有功和無功與實際外部需求相匹配。

圖5 調(diào)速控制邏輯

手動模式下，通過選擇開關(guān)及按鈕手動進行調(diào)速、調(diào)壓、同步并車及解列功能。通過屏前就地操作調(diào)壓、調(diào)速開關(guān)調(diào)整發(fā)電機運行狀態(tài)進行準(zhǔn)同期并網(wǎng)。手動準(zhǔn)同期為自動準(zhǔn)同期并網(wǎng)的備用并網(wǎng)方式；當(dāng)自動準(zhǔn)同期裝置發(fā)生故障時，可通過手動準(zhǔn)同期單元調(diào)節(jié)操作發(fā)電機組準(zhǔn)同期合閘并網(wǎng)。

對于皮帶機等大負荷設(shè)備，為了防止系統(tǒng)過載，需設(shè)置功率限制功能；在其運行過程中，負荷增加達到供電系統(tǒng)設(shè)定限值時，對其進行功率限制，使其功率不超過運行機組的允許值。由于小功率設(shè)備的功率變化迅速，在正常情況下，小功率設(shè)備啟動不會導(dǎo)致發(fā)電機組過載；但是當(dāng)重載直接啟動時，啟動電流很大，會引起電網(wǎng)電壓降落、瞬時過載等問題，可采取設(shè)置重載啟動詢問功能的措施加以解決。重載啟動詢問功能是對大負荷設(shè)備的啟動實行啟動詢問，當(dāng)功率條件滿足時立即啟動，若功率條件不滿足，則啟動備用機組投入，待條件滿足后再啟動，以避免已運行發(fā)電機組跳機。

當(dāng)電站內(nèi)部出現(xiàn)故障不能保證正常電力輸出時，需編寫分級卸載保護功能，對優(yōu)先級低的重載快速脫扣，也可進行多次卸載設(shè)置，以適應(yīng)不同程度的過載條件，保證對重要負載的連續(xù)供電。

5 結(jié)論

本文提出的控制策略用于解決孤島電站多機組并列運行時出現(xiàn)的問題，通過實踐驗證，該控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定電站供電電壓、優(yōu)化燃油消耗，同時能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)電站能量供需的平衡；當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴重的功率缺額時，能夠開啟系統(tǒng)備用發(fā)電機組；當(dāng)外部負載產(chǎn)生擾動時，通過PLC 的平衡分配程序模塊使各機組迅速達到新的運行平衡狀態(tài)；當(dāng)電站系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生故障時，減去不重要負載，保全重要負載供電的連續(xù)性。通過該控制策略，孤島電站的性能得到很大程度的優(yōu)化，解決了多機組并列運行有功無功分配不均及外部大負載啟動時頻繁跳機的問題，對類似問題的處理具有較強的借鑒意義。