頻變負荷下異型機組負荷均衡控制技術研究

王昊， 申卿， 李東超， 徐衛忠， 張千

(1.船舶與海洋工程動力系統國家工程實驗室，上海 200090；2.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

隨著孤島電站系統的設計優化和發展，孤島電站常配置不同容量、不同型號的發電機組(此類機組往往具有不同的調速、調壓特性，且容量也不相同，以下簡稱“異型機組”)以提高孤島電站系統的靈活性和運行經濟性。孤島電站系統負載變化頻繁且變化量值大(以下簡稱“頻變負荷”)，如港口、礦山和鉆井平臺等工程領域的負載多為大功率異步電動機，這些大功率異步電動機頻繁地投入、退出和工作模式的切換對異型機組并聯運行時負荷均衡控制提出了更高的要求。

目前，已有專家學者對頻變負荷下異型機組并聯運行的相關問題做了大量的仿真和優化控制研究。文獻[1]結合MATLAB/Simulink仿真詳細論述了不同工作原理的脈沖負載對柴油發電機組輸出頻率和電壓的瞬態、穩態指標影響，得出同功率不同性質的負載對柴油發電機組輸出頻率、電壓的影響不同，在對柴油發電機組運行特性的改善中，應充分考慮脈沖負載的工作原理。文獻[2]論述了不同容量柴油發電機組并聯運行時負荷分配的原則和要求，并結合實例分析，給出了不同容量機組并聯時對調差率的調整要求。文獻[3]綜合分析了不同容量的柴油發電機組并聯運行時的優化控制問題，并進行了實例驗證，對實際工程的應用具有較強的借鑒意義。文獻[4]論述了頻變脈沖負載對孤島電站系統造成的影響，并分析了頻變脈沖負載引起機端電壓波動的原因及作用規律，為平抑電壓波動提供了指導性方法。文獻[5]通過研究發電機投入并聯運行的條件，利用調速器和電壓調節器的下垂特性，實現并聯運行的發電機之間的無功功率分配。文獻[6]介紹了同步發電機并聯運行時功率調節原理。

本文首先提出了頻變負荷下異型機組并聯運行時引起的問題及控制要求，然后分析了功率轉移和分配原理，最后基于某港口孤島電站項目，搭建孤島電站控制系統，并根據控制要求設計負荷均衡控制策略，實現頻變負荷下異型機組并聯運行時負荷均衡控制。

1 異型機組并聯運行時引起的問題及控制要求

異型機組并聯運行時各發電機組容量及運行特性互不一致。對于外部頻變負荷的干擾，由于各機組的性能不同且無統一的分配機制，會造成負荷分配不均衡的問題，當外部頻變負荷量值較大時，將導致小容量機組保護跳閘。

1.1 功率均衡分配問題

頻變負荷下異型機組并聯運行時，各臺發電機組按照各自的調速、調壓特性進行功率調整。此時，整個孤島電站系統的動態特性將會發生顯著變化。如在低負荷時，孤島電站電力系統將會發生隨機和頻率失常的功率振蕩現象，甚至導致系統解列，嚴重影響孤島電站系統的安全和穩定運行。

另外，目前對于孤島電站系統柴油發電機組并聯運行的研究多聚焦在頻率調節和有功功率分配控制上，而對于電壓調節和無功功率的均衡控制主要依托于電壓調節器的自身性能。而從很多的實際工程項目實踐中可知，很多主開關跳閘現象都是由于電壓跌落至設定值以下造成的[7-8]。

1.2 異型機組并聯運行控制要求

1.2.1 并聯運行控制要求

頻變負荷下異型發電機組并機前應檢測頻率、電壓、相位和相序是否一致，只有在滿足上述要求時進行并網操作才不會對孤島電站系統產生大的沖擊電流[9]。

1.2.2 負荷均衡控制要求

并聯運行的異型機組應能實現自動負荷分配功能，且應滿足如下指標要求：當負載按額定功率因數在總額定功率的20%～100%范圍內變化時應能穩定運行，其有功功率分配差度應不大于最大發電機額定功率的15%和最小發電機額定功率的25%，無功功率分配差度不大于最大發電機額定無功功率的10%和最小發電機額定無功功率的25%[10]。結合上節分析，針對孤島電站系統功率負荷的均衡控制，應考慮總體的調節控制系統。

1.2.3 發電機的保護要求

孤島電站系統應重點保護同步發電機，以防系統失常運行或故障時導致發電機損壞。針對孤島電站系統中同步發電機可能出現的失常運行狀態和故障，應設過/欠電壓保護、過/欠頻保護、過流保護、縱向差動保護和逆功率保護等。

2 異型機組負荷均衡分配理論基礎

2.1 異型機組有功功率分配與調節

柴油機輸出功率和負載消耗功率不平衡是孤島電站系統頻率變化的根本原因。在孤島電站系統負荷發生變化時，柴油機通過電子調速器來調節柴油機的噴油量，從而使柴油機的輸出功率和負載消耗功率保持動態平衡，以此來維持機組頻率穩定。

并聯運行機組的有功功率的轉移和分配過程如圖1所示。1號機組為穩定運行機組，運行于特性曲線1-1的A點。2號機組為經準同步并車之后空載機組，運行于特性曲線2-1的B點。

圖1 有功功率轉移和分配過程

在有功功率轉移的過程中，2號機組噴油量增加，其功率角逐漸增加，使2號機組特性曲線2-1逐漸上移到特性曲線2-2，并逐步承擔系統有功負荷。因孤島電站系統容量較小，2號機組增加噴油量的同時，1號機組噴油量應同步減小，否則，兩臺機組總的輸出功率將大于系統負載，進而導致孤島電站系統頻率增加。這樣，減小1號機組噴油量的同時，其功率角逐漸減小并減少有功功率的承擔，逐漸下移到特性曲線1-2運行。最終直到兩臺機組按各自容量比例承擔系統有功負荷為止。

2.2 異型機組無功功率分配與調節

若孤島電站系統無功功率儲備不足，當系統無功負荷增加時，需降壓運行來滿足系統無功功率的平衡，若無功負荷無法均衡分配，在并聯運行的發電機組之間將出現無功環流，影響孤島電站系統的穩定性[11]。為簡化說明，現以同型機組為例來分析機組并聯運行時無功功率的分配與轉移過程。

圖2 無功功率轉移和分配過程

3 實例分析

某港口孤島電站系統為港口集裝箱堆場起重機、場橋及基礎設施提供電力供應。系統由3臺8 500 kW的中速柴油發電機組，2臺2 000 kW的高速柴油發電機組和4臺2 000 kW的飛輪儲能機組組成，整個孤島電站分兩期建設完成。饋線回路設置2回，設置2臺廠用變壓器提供輔助用電，系統單線圖及控制架構如圖3所示。

該孤島電站控制系統主要由機旁控制箱、機組控制屏、主控制屏和監控臺組成。機組控制屏主要由S7-1200 PLC核心控制器、easYgen-2500機組控制器、巴斯勒DECS-150電壓調節器和KTP1200 Basic觸摸屏等組成。機組控制屏配置有同步表、雙頻率表、雙電壓表和調速/調壓旋鈕，在手動模式下實現手動調速、調壓和同期并網功能；在自動模式下，控制系統根據負載功率狀態控制機組的啟停、自動并車、自動調載調壓以及解列功能。主控制屏和監控臺采用S7- 400PLC作為核心控制器，SM331 8×12位模擬量輸入模塊和SM332 8×12位模擬量輸出模塊作為數據接口模塊，將采集到的機組數據進行處理，實現無功功率的均衡控制。

3.1 有功功率均衡控制策略

機組控制器通過CAN Bus網絡相互通信實現有功功率的自動分配和轉移(如圖3所示)，有功功率分配控制如圖4所示。

圖3 系統單線圖及控制架構圖

圖4 有功功率分配控制原理圖

在上述控制系統中，實時計算系統負載率，然后將系統負載率和機組負載率進行偏差比較，得到一個新的變量設定值。機組調速系統將根據新的設定值進行轉速控制調節以改變柴油機的噴油量，進而完成并聯運行機組間有功功率的轉移和分配。參數K為有功負荷分配因數，是一個百分比值，決定了發電機組并機運行時是否和如何執行有功負荷和頻率控制。K值越小，并聯運行的機組平均分配負載的優先權越高，當K=10%時，僅執行有功負荷分配；K=99%時，僅執行頻率控制。機組控制器各參數設置如表1所示。

3.2 無功功率均衡控制策略

項目在原有電壓調節器雙閉環控制策略的基礎上，設計一套集中式無功功率控制模塊來統一協調異型機組并聯運行時無功功率的均衡控制，如圖5所示。

集中式無功功率控制模塊通過不斷檢測各并聯運行機組的無功功率并和設定值進行比較，經處理器計算處理之后，輸出偏差控制信號到電壓調節器電壓設定值處。該差值信號與電壓設定值、實測機端電壓信號疊加處理，得到勵磁調節器的輸入，以此來完成勵磁電流的調節控制，進而實現并聯異型機組間無功功率的轉移和分配。

表1 機組控制器參數設置表

圖5 無功功率分配控制原理圖

4 結束語

頻變負荷下異型機組并聯運行時負荷均衡控制的研究是一個具有實際意義的課題。本文提出的通過CAN Bus網絡和集中式無功功率控制模塊，可實現孤島電站系統異型機組并聯運行時負荷的均衡比例分配，切實提高了孤島電站系統在頻變負荷沖擊下運行的可靠性和穩定性，并能使并聯運行的各發電機組運行在經濟區間，大大降低了系統運行成本，增加了運行效益。本文提出的負荷均衡控制策略對于類似的工程使用場景具有較強的借鑒意義和推廣意義。