柴油發電機自動并聯機組設計應用研究

汪欣勇

(大慶油田鉆探工程公司機械修理廠， 黑龍江 大慶 163413)

0 引 言

柴油發電機作為后備電源廣泛應用于眾多重要負荷中，為其提供不間斷供電，保證供電的穩定性和可靠性。隨著自動化技術的發展，柴油發電機并網控制的智能化水平不斷提高，從簡單的人工單機啟停控制轉變為復雜的多機自動協同控制，實現負荷變化時機組數量的自動切換、機組并聯時最優功率的自動分配，提高了柴油發電機供電的可靠性、靈活性和經濟性[1]。

為滿足大功率負荷供電可靠性，常需多臺柴油發電機并聯運行，并保持一定冗余配置，超過90%單機額定功率時需啟動2臺機組，超過180%時需啟動3臺機組。基于此，該文對柴油發電機自動并聯機組展開設計，當機組進行自動并網、并機以及解列等操作時，保證電壓、轉速、頻率等條件與主網同步。

1 柴油發電機有差特性模型

為保證穩定性，并機機組盡量采用性能、型號一致的，通過對柴油發電機本體、油門執行機構、轉速傳感器以及油與熱力等4個環節分別建立數學模型，實現機組仿真模型的整體建立。

1.1 本體模型建立

根據達蘭貝爾原理，可得柴油機的轉動方程

(1)

式中：J為驅動軸轉動慣量；ω為角速度；Td、T1分別為主軸力矩和負載力矩。

當機組運行時有

(2)

式中：ΔTd、ΔT1為相應力矩增量，當Td0=Tl0時，機組為平衡狀態。

柴油發電機主軸力矩與其轉動加速度ω和執行電機轉角α有關

Td=f(ω,α)

(3)

將主軸力矩按照泰勒級數進行線性化展開(忽略高階項)，則

(4)

(5)

發電機負載轉矩可由功率P和轉速ω計算可知：

T1=f(P,ω)

(6)

按照泰勒級數展開，則負載力矩與功率和角速度關系分別為

(7)

(8)

式中：Te為電磁轉矩；ΔTe為電磁轉矩變化量。

(9)

當發電機負載變化時會使轉速隨之發生變化，發電機功角變為

δ=δ0+Δδ

(10)

式中：δ0為額定功角；Δδ為功角變化量。

由上可知，電磁轉矩Te為

(11)

不計空載損耗，則：

(12)

當轉速變化小狀況，角速度變化率和功角變化率近似為正比，則

(13)

(14)

式中：P0為額定電磁功率。

其標幺值方程為

(15)

轉化為傳遞函數形式為

(16)

1.2 燃油及熱力模型

柴油發電機主軸力矩和油門開合度有關，可用一個帶延時滯后環節的一階傳遞按函數標識[2]，即

(17)

式中：K1為比例系數;t1為時間常數，均與柴油機本身有關。

油門執行機構是通過調速器信號控制油門開合度的，其等效傳遞函數為

(18)

式中：A(s)為調速器信號；α(s)為油門機構開合度；K2為該環節比例系數；t2為時間常數。

1.3 轉速傳感器模型

柴油機轉動時，信號齒輪與極靴的間隙發生變化，從而引起傳感器磁阻發生周期性變化。通過測量信號頻率即可得到柴油機轉速，輸出信號受到柴油發電機自身結構和傳感器性能限制，會產生一個齒輪轉動輸出延時和一個調速器輸出延時，則其傳遞函數可由一個二階振蕩函數表示。

(19)

式中：n(s)為轉速信號；K3為該環節比例系數；t3為時間常數。

綜上所述，柴油發電機無差調速模型可表示為圖1。

為滿足柴油發電機并車、并網等操作，其調速特性應為有差特性，且轉速與負載成線性變化，由圖1可知有差調速模型為圖2。

圖1 無差調速模型方框圖Fig.1 Block diagram of error free speed regulation model

圖2 有差調速模型方框圖Fig.2 Block diagram of differential speed regulation model

2 相復勵無刷勵磁系統數學模型

相復勵勵磁主要原理是相復勵和自動調壓組成，按照相復勵策略通過負載電流信號進行調壓，具有良好的動態性能[3]，主要由同步發電機、勵磁機、受控整流器、相復勵裝置和自動調壓器組成，其整體仿真模型如圖3所示。

圖3 相復勵勵磁系統仿真模型圖Fig.3 simulation model diagram of phase compound excitation system

如圖3可知，模型包括6個輸入量，tr1、tr2和tr3為低通濾波器時間常數，kα和kf分別比勵磁機放大倍數和反饋阻尼放大倍數，ta、te分別為調節時間常數和勵磁機時間常數，tb、tc分別為滯后和超前補償系數，tf為反饋阻尼時間常數。文中設系統接地電壓為0，則反饋電壓為

(20)

自動調壓器的輸入為給定電壓和反饋電壓之差，經過補償調節器、比例放大和反饋校正得到輸出電壓信號。

3 基于模糊PID控制的柴油機發電機多輸入調速器模型

負載轉矩變化率可以反映負載轉矩變化，能夠提前反映加載或減載情況，當加載時，轉矩變化率增大，轉速減小，調節信號增大，為保證轉速恒定需要調整相應參數，減載情況相同，轉矩變化率能夠減少轉速恢復時間，降低恢復擾動。

由于轉速機械慣性作用，對負載波動的反映明顯滯后于電壓偏差和功率因數，其變化規律與有功功率變化相同，與轉速規律相反，為確保柴油機輸出功率實時適應負載變化和波動的準確性和穩定性，采用多輸入調節方式，以轉矩變化率、電壓和功率因數為輸入量實現轉速的自動調節，系統結構如圖4所示。

圖4 多輸入控制系統結構Fig.4 Multi input control system structure

如圖4所示，PID模糊自整定是以轉速差e和轉速變化率de/dt輸入量，PID參數變化量作為輸出量，根據運行狀態和模糊控制原理找出ΔKP、ΔKI、ΔKD與e、de/dt的模糊關系，實現參數的實時整定，以滿足調速控制的動態要求[4]。

功率因數變化是0到1，其基本論域為[0,1]，模糊集為{Z ,VVS,VS,S,L,VL,VVL}；電壓偏差標幺值基本論域[-1,1]，模糊集為{NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL}，正半軸表示小于基準電壓，負半軸表示大于基準電壓，功率因數和電壓偏差標幺值過大或過小均設為1。

轉速調節程度為電壓和功率輸出信號，基本論域為[-6, 6]，隸屬度為1，隸屬函數為三角隸屬函數，如圖5所示。

圖5 隸屬函數 Fig.5 Membership function

電壓偏差和功率因數對轉速模糊控制規則如表1所示。

表1 模糊控制規則Table 1 fuzzy control rules

4 雙機并聯自動控制

柴油發電機采用前文模型，以2臺柴油發電機并聯運行為例，其結構如圖6所示，通過測量電網和柴油機功率、電壓以及電流等參數實時判斷運行狀態，根據相應情況完成并機、并網、功率分配以及解列等自動控制。同時監測電網與其它柴油發電機的狀態，向上位機報告柴油發電機和電網狀態，一般情況下柴油發電機由控制器控制，特殊情況可由上位機直接控制柴油機。

圖6 雙機并聯結構圖Fig.6 Double machine parallel structure diagram

柴油發電機組作為備用電源，時刻處于準備啟動狀態，電網供電正常是柴油機控制器不發布操作指令，電網斷電時，控制器發布相應指令(如表2所示)，迅速切換為柴油發電機供電。電網正常帶載時，柴油發電機控制器監測電網狀態，斷電后發出柴油發電機啟動信號Backup。剛檢測到電網恢復供電，需要檢測電網電壓是否穩定，穩定后發出電網恢復供電信號Power On。避免柴油發電機由于電網狀態檢測錯誤導致頻繁起停。

表2 控制器參數及操作指令Table 2 Controller parameters and operation instructions

4.1 啟動柴油發電機

柴油發電機組接收到啟動信號Backup，判斷柴油發電機是否達到啟動要求；接收到柴油發電機處于初始狀態并可啟動的信號Zero[Fault==0]，斷開電網與負載之間的斷路器，自啟柴油發電機，根據斷電前的負荷功率判斷啟動數量，小于單機額定功率90%時啟動1臺柴油發電機。為保證突然加載穩定，令轉速n為0.65，使柴油發電機出入怠速穩定狀態，同步發電機建立電壓，令勵磁If為1，使其達到怠速穩壓狀態，提高轉速至額定，柴油發電機達到正常運行狀態。若第1臺柴油發電機連續2次無法啟動，則啟動第2臺發電機；若將啟動中檢測到來電信號，則停止啟動，各參數恢復到初始狀態。啟動圖如8所示。

圖7 自啟動模塊圖Fig.7 The module diagram of self-starting

負載功率達到90%～180%時，控制器發出DC信號，當2臺柴油發電機相序、電壓、頻率均滿足要求后，可完成并車操作，當負載功率超過180%，不啟動任何柴油機。

4.2 機組功率分配

并車信號發出后，柴油發電機控制器發出并行運行信號Start=1，確定柴油發電機母線上柴油發電機的臺數。柴油發電機先保持并車前狀態不變；接收到負荷穩定運行信號Stable，檢測各個柴油發電機的功率，并計算單臺發電機組承擔的有功功率比例與由所有發電機組承擔的總有功功率比例之比表示的值sP為

(21)

柴油發電機并機穩定運行后功率需要重新分配，使每臺柴油發電機承擔的負荷大小盡可能一致，減少功率分配不平均程度。當雙車并聯后，由于負載不平衡使機組穩定性變差，需要進行功率平均分配。在有差調速柴油發電機中，由機組的有功功率-轉速特性曲線可得，柴油發電機組的有功功率隨著轉速的變化而改變[5]，則轉速變化率為

(22)

式中：Δn為速度變化百分率；ΔP為功率輸出變化百分率。

為實現功率平衡，需對轉速進行調節，當ndec=R·sP時可實現功率平均分配(sP為應承擔與實際承擔功率比例差)，輸出有功功率大的柴油發電機減少有功輸出，輸出有功功率小的柴油發電機增加有功輸出，功率平均分配圖如9所示。

圖9 功率平均分配模塊圖Fig.9 The module diagram of power average distribution

4.3 解列、停機

若電網恢復供電時，D2柴油發電機所帶單機額定負荷小于90%時，需要進行解列停機。進入解列停機狀態后，根據轉速—功率曲線，使柴油發電機的有功負荷全部轉移至電網上，當有功功率和無功功率轉移完成，接收到柴油發電機Power Zero信號，斷開柴油發電機與柴油發電機母線之間的斷路器，發出解除信號，柴油發電機勵磁電壓和機端電壓均將為0，柴油發電機進入怠速狀態，當轉速降為0時，使其停機恢復到初始狀態，等待下次啟動。解列停機狀態圖如圖10所示。

圖10 解列、停機模塊圖Fig.10 The module diagram of splitting and shutdown

5 自動并車控制系統及仿真分析

5.1 自動控制系統

自動并機柜是實現發電機自動并車技術的核心，主要由主控制單元、調壓單元、調速單元、保護單元，通訊單元和人機接口部分組成。主控制模塊采用捷克科邁IG - CU+PLSM+AVRi +COM模塊組件，其IG-PLSM的連線圖，如圖11所示。負載分配平衡線(LSM)與下一機組的LSM相連，實現負載分配；GND、VoutR、Vout與轉速控制器相連，實現轉速控制；AVRi端子與AVRi電壓調節器相連，實現電壓調節。

圖11 IG-PLSM 的連線圖Fig.11 Wiring diagram of IG-PLSM

電壓控制回路線路連接圖如圖12所示。AVRi電壓調節器電源由AVR TRANS提供，IG-PLSM的AVRi電壓輸出端與AVRi電壓調節器的輸入相連。通過柴油發電機的自動電壓調節器，輸入AVRi通過此口對電壓進行微調，AVRi輸出電壓信號。

圖12 電壓控制回路Fig.12 The loop of voltage control

速度控制回路傳感器連線圖如圖13所示。輸入電壓信號，將控制柴油機的轉速與IG-PCLSM模塊調速輸出連接。

圖13 速度控制回路Fig.13 The loop of speed control

5.2 仿真分析

整個仿真過程30 s，設斷電前系統負載為500 kW，無功為200 kvar，電網在1 s時斷電，柴油發電機D1，在1.93 s啟動，3.92 s并機，單獨向負荷供電，經過負荷短時振蕩，4.48 s趨于穩定；當D1承擔負載功率大于單機有功功率90%時，柴油發電機D2在4.8 s啟動，8.2 s并機，19 s柴油發電機功率分配達到穩定平衡，22 s電網恢復供電，2臺柴油發電機調整狀態，23.8 s反并網成功，24.2 s 2臺柴油發電機所帶負荷全部轉移到電網上，26.35 s機端電壓降為0，柴油發電機組為怠速狀態，26.63 s柴油發電機完全停機，28.47 s柴油發電機停機成功，等待下次起動。柴油發電機轉速曲線如圖14所示，機組與電網有功功率、無功功率變化曲線如圖15所示。

圖14 柴油發電機轉速曲線Fig.14 The speed curve of diesel generator

圖15 有功、無功曲線Fig.15 The curve of active power and reactive power

6 結 語

通過推導柴油發電機各環節函數建立柴油發電機有差特性模型，使其能夠滿足仿真相關要求。應用模糊PID控制建立柴油發電機轉矩變化率、電壓和功率因數的多輸入調速器模型，提高了柴油發電機對負載變化適應性。通過仿真分析可知，該文設計的柴油發電機自動并聯控制系統能夠實現柴油發電機在電網斷電時的啟動、并機、功率分配；隨著負載功率增大，啟動備用柴油發電機， 實現電網恢復供電時反并網、軟解列、監視電網及其他柴油發電機狀態等功能。