柴油發電機組的負荷均衡控制解析方法

許美成

（天水天傳電氣工程有限責任公司，甘肅 天水 741020）

目前，對于型號規格相同的柴油機與發電機組成的柴油發電機組，其并網控制、負荷分配是通過有功閉環和無功閉環來控制實現的。針對單臺機組的容量、類型存在差異的多個單臺機組構成的機組，并機運行時有功和無功負荷均衡很難控制，傳統的控制方法中并機運行時的負荷均衡是按照容量小的機組分配的，如此大容量機組按照小容量機組使用，相當于降容使用，不能發揮其容量的潛力。為確保不同容量發電機組并網可充分發揮其容量的潛力，本文提供了一種專門根據不同容量發電機組的負荷均衡控制方法。

1 柴油發電機組負荷分配控制方法

1.1 負荷分配控制方法的基本概述

具體的負荷分配方案如下：不同類型柴油發電機組的負荷均衡控制系統，選取若干個柴油發電機組，各柴油發電機組的容量、執行機構類型互不相同；每一柴油發電機組設有控制器模塊、電壓調節器模塊、負荷分配模塊；控制器模塊輸入端連接對應柴油發電機組端和共用母線端，控制器模塊輸出端分別與電壓調節器模塊和負荷分配模塊電連，電壓調節器模塊與該柴油發電機組中的發電機電連，負荷分配模塊與該柴油發電機組中的柴油機電連，各柴油發電機組的負荷分配模塊之間通過兩條負荷分配線并聯連接，每條負荷分配線上設有該機組主開關的常開輔助觸點，兩負荷分配線之間設有該機組主開關的常閉輔助觸點，主開關閉合，常閉輔助觸點打開，每條負荷分配線上的常開輔助觸點閉合，柴油發電機組的負荷分配線并聯，控制器模塊通過電壓調節器模塊進行無功負荷的均衡調節，通過負荷分配模塊進行有功負荷均衡調節，使各柴油發電機組負荷均衡。

采用上述系統對不同類型柴油發電機組負荷均衡的控制方法：各個柴油發電機組的負荷分配按照每個柴油發電機組的實時容量除以該機組額定容量得出百分數相同的原則來自動均衡在網柴油發電機組的負荷。具體包括以下步驟：

（1）控制器模塊輸出的并網、解列指令信號傳輸至相應機組主開關，通過控制器模塊輸出開關量控制不同柴油發電機組之間同期并網；

（2）分別測量在網的各個柴油發電機組中發電機端的電壓、電流和相位角輸入相應的控制器模塊，測量相應機組母線端電壓和相位角輸入該控制器模塊，依照在網機組的實時有功容量占機組額定有功容量的百分比相同，各個控制器模塊經邏輯運算輸出模擬量I，經對應的負荷分配模塊至柴油機執行機構調節有功負荷均衡；

（3）依照在網機組的實時無功容量占機組額定無功容量百分比相同，各個控制器模塊經邏輯運算輸出模擬量Ⅱ，經對應的電壓調節器模塊至發電機調節無功負荷均衡。

1.2 負荷分配控制方法的具體實施

不同類型柴油發電機組的負荷均衡控制系統，選取若干個柴油發電機組，每一柴油發電機組設有供電主開關，各個柴油發電機組的容量、執行機構類型互不相同；每一柴油發電機組設有電壓調節器模塊、負荷分配模塊和控制器模塊；電壓調節器模塊輸出端通過屏蔽導線連接對應柴油發電機組中的發電機，用于調節相應機組中發電機的電壓；負荷分配模塊的輸出端通過雙絞屏蔽導線連接該柴油發電機組中的柴油機，用于調節相應機組中柴油機的轉速，對應的電參數為頻率，即調節頻率?？刂破髂K用于電壓和頻率調節、機組的同期并網控制和負荷均衡調節?？刂破髂K輸出端分別通過雙絞線與所述電壓調節器模塊和負荷分配模塊相接，控制器模塊一路輸出模擬量Ⅱ至上述電壓調節器模塊，設置電壓調節器模塊參數，其控制輸出至發電機勵磁繞組，并網前對發電機的電壓進行調節，并網后對該機的無功功率進行調節，完成無功均衡分配；另一路輸出模擬量I至上述負荷分配模塊，整定負荷分配模塊的控制參數，其控制輸出至柴油機執行機構，并網前對柴油機的轉速進行調節，并網后對該機的有功功率進行調節，完成有功均衡分配。

上述控制器模塊通過控制線連接相應機組端和母線端，控制器輸出的并網、解列指令信號通過控制線輸出到主開關的合閘或分閘線圈；依據各機組技術參數設置各控制器模塊參數，控制器模塊輸出開關量控制同期并網或解列。

其中，各柴油發電機組的負荷分配模塊之間通過兩條負荷分配線并聯連接；如：有5臺柴油發電機組，1號柴油發電機組每條負荷分配線上設有主開關的常開輔助觸點K1-1、K1-2，2號柴油發電機組每條負荷分配線上K2-1、K2-2，3號柴油發電機組每條負荷分配線上K3-1、K3-2，4號柴油發電機組每條負荷分配線上K4-1、K4-2，5號柴油發電機組每條負荷分配線上K5-1、K5-2。1號柴油發電機組兩條負荷分配線之間設有主開關的常閉輔助觸點K1-0、2號柴油發電機組兩條負荷分配線之間設有主開關的常閉輔助觸點K2-0、3號柴油發電機組兩條負荷分配線之間設有主開關的常閉輔助觸點K3-0、4號柴油發電機組兩條負荷分配線之間設有主開關的常閉輔助觸點K4-0、5號柴油發電機組兩條負荷分配線之間設有主開關的常閉輔助觸點K5-0，當柴油發電機組供電主開關閉合時，該機組的兩負荷分配線之間的常閉輔助觸點打開，每條負荷分配線上的常開輔助觸點閉合，這樣主開關閉合機組的負荷分配線就并聯在一起，使這些機組達到并網實現有功負荷均衡分配。

各個柴油發電機組的容量是指柴油機的有功功率和發電機的視在功率，執行機構是由執行電器和機械執行機構兩部分組成，負責控制噴油量，不同類型的執行機構其組成形式不同。

不同類型柴油發電機組的負荷均衡控制方法，機組的負荷分配按照每臺單機實時有功容量的檢測值除以該臺單機有功額定容量，得出百分數相同的原則來均衡有功負荷，無功負荷的均衡計算與其相同。具體為：以在網柴油發電機組的實時有功容量值總和/在網機組額定有功容量總和*100%得出的數值為基準，控制器模塊輸出模擬量I通過負荷分配模塊至相應機組的柴油機執行機構實現有功負荷均衡調節，完成在網機組的有功分配；以在網柴油發電機組的實時無功容量值總和/在網機組額定無功容量總和*100%得出的數值為基準，控制器模塊輸出模擬量Ⅱ通過電壓調節器模塊至相應機組的發電機勵磁繞組實現無功負荷均衡調節，完成在網機組的無功分配。

各個柴油發電機組的負荷分配按照每個柴油發電機組的實時容量檢測值除以該機組額定容量得出的百分數相同的原則來自動均衡在網柴油發電機組的負荷。

分別將各個柴油發電機組中發電機端、母線端的實時電壓、電流和相位角檢測信號傳輸至相對應機組中的控制器模塊，以（在網機組的實時有功容量值總和/在網機組有功額定容量總和）*100%得出的百分數為基準，控制器模塊經過邏輯運算得出模擬量I輸出至與其電連的負荷分配模塊，整定調節值，輸出信號至與該負荷分配模塊電連的柴油機，進行柴油機頻率和有功負荷均衡調節。以（在網機組的實時無功容量值總和/在網機組無功額定容量總和）*100%得出的百分數為基準，控制器模塊經過邏輯運算得出模擬量Ⅱ至電壓調節器模塊，經其輸出信號至相應機組發電機，進行發電機的電壓和無功負荷的均衡調節。

2 使用實例

分別測量各個柴油發電機組中發電機端的電壓、電流和相位角，通過控制線輸入相應機組的控制器模塊，測量相應機組母線端電壓和相位角通過控制線同時輸入該控制器模塊；機組的負荷分配按照每臺單機實時有功容量的檢測值除以該臺單機有功額定容量，然后乘以100%得出百分數相同的原則來均衡有功負荷，無功負荷的均衡計算與其相同。系統的單線圖如圖1所示：

圖1 系統單線圖

所使用的發電機型號及發電機機組參數如表1所示：

表1 發電機機組參數

發電機的總容量為S、有功容量為P、無功容量為Q，單臺發電機的具體數據如表2所示：

表2 發電機參數

假設此時1號發電機、2號發電機、3號發電機并網,并網發電機總有功為PZ，PZ=P1+P2+P3=3833kW；并網發電機總無功為QZ，QZ=Q1+Q2+Q3=3995Kvar，若此時電網的總有功為P=2000kW，總無功為Q=1000Kvar，得此時的有功功率百分數P%，則P%=P/PZ=52.2%;無功功率百分數Q%，則Q%=Q/QZ=25%。1號發電機組的有功分配的調節目標值P1·P%=1030×52.2%=537.7kW，1號發電機組無功分配的理論目標值Q1·Q%=1090×25%=273Kvar；此時2號發電機組有功分配的調節目標值P2·P%=1200×52.2%=626kW，2號發電機組無功分配的理論調節目標值Q2·Q%=1473×25%=368Kvar；3號發電機組的有功分配的調節目標值P3·P%=1603×52.2%=837kW，3號發電機組的無功分配的理論調節目標值Q3·Q%=1432×25%=358Kvar。

3臺并網發電機機組，將各自根據相同的有功百分數和無功百分數進行計算，調節系統自動對有功功率和無功功率進行初期的分配，持續調節至發電機組的有功功率和無功功率與目標值接近后進行微動調節，直至達到此刻的動態平衡點。最終在很小誤差范圍內接近上述計算中各發電機組的有功目標值和無功目標值，完成系統中每臺機組有功功率及無功功率的分配。

3 結論

目前國內各大型鉆井公司柴油機發電機存量大且型號不盡相同，在部分柴油發電機維修后再使用過程中難免會提供不同類型的柴油發電機給鉆井施工隊。使用常規的并網分配方法無法完全發揮出柴油發電機的效率，導致單臺柴油的油耗上升、使用成本提高。

使用上述的并網分配方法可以完全發揮柴油發電機的工作效率、降低生產成本、使電網系統更加快速穩定，在突加或突減載的過程中有功和無功仍然能均衡分配負荷、性能穩定運行可靠、并網快速準確，避免了鉆機在鉆井工藝過程中負荷突變引起的系統振蕩，有效控制了發電機組負荷分配不均衡產生的停機現象。