新型發(fā)電車調(diào)壓及無功功率分配系統(tǒng)設(shè)計

左海龍，徐恭德，王 聰，劉 偉，馬法運

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031；2.沈陽渾南現(xiàn)代有軌電車運營有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和科技水平的日新月異，人們對出行質(zhì)量的要求越來越高，列車負載容量也隨之增長。雖然電氣化鐵路為人們的出行提供了重要的基礎(chǔ)保障，但是我國地域環(huán)境復(fù)雜，無法短時間內(nèi)在特殊地域環(huán)境實現(xiàn)全部電氣化鐵路，部分列車依舊采用加掛發(fā)電車的方式為列車負載供電。為滿足增加負載的需求，同時降低運營成本，新型發(fā)電車調(diào)壓和無功功率控制系統(tǒng)的研制具有重要意義[1]。

2 當前發(fā)電車運行現(xiàn)狀及存在問題

發(fā)電車是全列負載的供電源頭，也是全列負載的配電中心，電壓的穩(wěn)定輸出以及無功功率的合理匹配對于全列負載的安全平穩(wěn)運行至關(guān)重要。列車負載總?cè)萘拷咏诎l(fā)電機組容量，且列車負載投入切除相對頻繁，存在多車負載同時投入或者切除的情況，對列車供電母線電壓沖擊較大，電壓波動明顯。

當客車負載較大時，為保證供電的經(jīng)濟性和可靠性，通常啟用2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行?？蛙嚨拇蠊β守撦d為感性負載，發(fā)電機組在滿足有功功率的同時，還要調(diào)整無功功率，以實現(xiàn)無功功率的合理分配。國內(nèi)現(xiàn)有統(tǒng)型發(fā)電車采用多機組并聯(lián)運行的形式，但是自動化程度低，需要工作人員現(xiàn)場實時監(jiān)控機組的運行，無法保證電壓和無功功率實時調(diào)節(jié)，致使發(fā)電機組功率輸出不均，油耗增大，同時造成人力資源配置不合理，最終導(dǎo)致運營成本增加。

本文在分析發(fā)電機組電壓控制原理和無功功率分配原理基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)新型發(fā)電車調(diào)壓和無功功率分配系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電車電壓和無功功率的手動自動一體化調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)控制原理分析

同步電機的轉(zhuǎn)子為纏繞線圈的導(dǎo)磁材料，線圈中通有電流大小可調(diào)的直流電。發(fā)電機的定子為三相輸出繞組，原動機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)，在定子繞組上感生出電壓。根據(jù)安培電路定律，勵磁電流IL在轉(zhuǎn)子線圈上形成磁動勢F，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵磁電流IL的大小可以改變轉(zhuǎn)子磁動勢大小，進而改變通過定子繞組磁通的大小。

轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度通過定子繞組磁通量φ按正弦變化，其變化規(guī)律和定子感生電動勢E兩者的關(guān)系如式（1）、式（2）所示：

式（1）、式（2）中，ω為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rad/s；N為定子繞組匝數(shù)。

由公式（3）可得，定子感生電動勢的有效值E為

由式（2）～式（4）可知，定子感生電動勢的有效值與轉(zhuǎn)子頻率f、定子繞組匝數(shù)N以及定制線圈中的磁通量φm相關(guān)。由于頻率f基本固定，發(fā)電機定子繞組的匝數(shù)N也固定，所以調(diào)節(jié)φm大小可直接調(diào)節(jié)定子感生電動勢Erms的大小，即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵磁電流可控制定子感應(yīng)電動勢的大小。

隱極發(fā)電機的基本電磁功率Pem為[2]：

負載的有功功率P為：

式（5）、式（6）中，m為發(fā)電機的相數(shù)；U為發(fā)電機電壓，V；Xt為發(fā)電機的同步電抗，Ω。

發(fā)電機的基本電磁功率Pem等于負載有功功率P，即

如圖1所示，在負載功率一定的條件下，當發(fā)電機穩(wěn)定運行時，為保證輸出電壓U恒定，存在Esinθ=IcosφXt的恒定關(guān)系。即負載電流I的末端在L3橫線上左右移動，相應(yīng)地定子感應(yīng)電動勢E的末端在W1縱線上上下移動。由式（2）可知，E的大小可通過控制轉(zhuǎn)子磁通量φ實現(xiàn)，因此通過控制轉(zhuǎn)子的勵磁電流IL可調(diào)節(jié)定子的輸出電壓。

圖1 同步發(fā)電機運行相量圖

當列車負載功率變化時，由于列車負載為阻感性，負載電流產(chǎn)生的磁場對電機氣隙磁場有去磁作用，導(dǎo)致發(fā)電機的輸出電壓存在波動。負載增加時，無調(diào)壓器時電壓U下降明顯，必須調(diào)整轉(zhuǎn)子勵磁電流以穩(wěn)住發(fā)電機的輸出電壓。

由圖1得，

通過公式（8）獲得發(fā)電機電壓輸出值為：

式（9）中，功率角θ較小，取cosθ= 1，且Isinφ負載得無功電流，用IQ表示，因此公式（9）可簡化為

由式（10）可知，當無勵磁調(diào)節(jié)時，無功電流IQ與發(fā)電機輸出電壓近似為一次函數(shù)關(guān)系。當有勵磁調(diào)節(jié)時，參考圖2分析，改變勵磁電流可獲得多條同步發(fā)電機感應(yīng)電動勢與無功電流的特性曲線（E1，E2，E3，E4），由此可以獲得不同負載工況下，發(fā)電機穩(wěn)態(tài)輸出電壓恒定的無差調(diào)節(jié)特性（Z1紅色線及對應(yīng)的無功電流），或者發(fā)電機穩(wěn)態(tài)輸出電壓下降的有差調(diào)節(jié)特性（Z2綠色線及對應(yīng)的無功電流）[3]。

圖2 同步發(fā)電機電壓調(diào)整特性曲線

當發(fā)電機組單臺獨立運行時，運行機組承擔(dān)所有負載的無功功率，理想工況是發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值不隨負載的改變而變化，即發(fā)電機無差調(diào)節(jié)特性，這樣能為列車負載提供穩(wěn)定的工作電壓。當多機組并聯(lián)運行時，并聯(lián)機組不僅輸出電壓要求一致，而且還要求實現(xiàn)滿足無功功率的轉(zhuǎn)移與合理分配。由此根據(jù)圖1分析得：

參考公式（11），可得負載得無功功率Q為：

由式（12）可知，U、Xt為定值，取cosθ= 1，無功功率Q與感應(yīng)電動勢E保持一次函數(shù)關(guān)系，調(diào)整勵磁電流IL同樣能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機無功功率的調(diào)節(jié)。當2臺機組并聯(lián)運行時，對無功功率進行轉(zhuǎn)移操作。參考圖3分析，1號機組為原運行機組，運行感應(yīng)電動勢負載電流為2號機組為新并網(wǎng)發(fā)電機，運行感應(yīng)電動勢為負載電流為由式（5）可知，當P、U、Xt保持不變時，Esinθ也保持不變，即發(fā)電機的感應(yīng)電動勢末端在H1線上運動。由式（7）可知Esinθ=IXtcosφ，即負載電流的末端在K2線上運動。這時為平均分配無功功率，必須增大2號機組的勵磁電流，使末端保持AR1方向運動，同時減小1號發(fā)電機的勵磁電流，使末端保持AR2方向運動，最終使各機組感應(yīng)電動勢調(diào)整后的結(jié)果為使根據(jù)發(fā)電機運行相量關(guān)系，調(diào)節(jié)勵磁電流時，的末端保持AR3方向運動，的末端保持AR4方向運動，最終使各機組負載電流調(diào)整后的結(jié)果為保證機組無功功率的平均分配[4]。

通過對圖3分析可知，調(diào)整勵磁電流可實現(xiàn)并聯(lián)運行機組間的無功功率轉(zhuǎn)移。但是在實際工程應(yīng)用中，由于無法直接測量發(fā)電機的感應(yīng)電動勢，所以通常采用測量發(fā)電機輸出電壓的變化方式調(diào)節(jié)勵磁電流。又因為無差調(diào)節(jié)方式無法實現(xiàn)并聯(lián)運行機組間無功功率的合理分配[5]，所以并聯(lián)運行的機組采用有差調(diào)節(jié)方式。

圖3 無功功率轉(zhuǎn)移向量分析圖

對圖2的分析可知，通過對勵磁電流的調(diào)節(jié)，可以獲得不同調(diào)差系數(shù)的電壓調(diào)整曲線，取其中某一條特性曲線分析，調(diào)差系數(shù)Kc為：

式（13）、式（14）中，U0為發(fā)電機的空載電壓，V；UQf為發(fā)電機的輸出端電壓，V；UQfe為額定無功功率時發(fā)電機電壓，V；IQfl為Ⅰ號發(fā)電機實際無功電流，A；IQfel為Ⅰ號機組的額定無功電流，A；

同時，根據(jù)調(diào)差系數(shù)的定義，Kc為[6]：

結(jié)合式（13）～式（15）可得發(fā)電機輸出端電壓與無功電流關(guān)系為：

式（16）中，U0和IQfel為發(fā)電機自身屬性，Kc為通過調(diào)壓器設(shè)置為一恒定值，因此發(fā)電機的端電壓UQf與無功電流IQfl保持一次函數(shù)關(guān)系。

對Ⅱ號機組的發(fā)電機進行相同的分析，可獲得圖4特性圖。當型號相同的兩機組并聯(lián)運行時，設(shè)置同一調(diào)差系數(shù)，按照斜率比例分配無功功率，可實現(xiàn)在兩機組電壓一致條件下進行無功功率的均分時，兩機組輸出電壓一致。

圖4 有差調(diào)節(jié)并聯(lián)運行特性分析圖

經(jīng)上述分析，通過監(jiān)測發(fā)電機輸出電壓和無功功率，控制勵磁電流的調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)機組電壓調(diào)節(jié)控制和無功功率分配控制。

4 系統(tǒng)設(shè)計

新型發(fā)電車的調(diào)壓控制系統(tǒng)兼容自動調(diào)壓控制系統(tǒng)和手動調(diào)壓控制系統(tǒng)。

自動調(diào)壓控制系統(tǒng)主要由調(diào)壓器（AVR）、遠程調(diào)節(jié)電位計（RS）、發(fā)電機并聯(lián)控制器（GPC）、核心控制器（PLC）和上位機（HMI）組成。如圖5所示，AVR位于發(fā)電機G1和G2內(nèi)部，是機組電壓調(diào)節(jié)的基本控制器。RS、GPC、PLC和HMI均位于發(fā)電車控制屏內(nèi)，RS是將勵磁控制信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電壓的驅(qū)動器件，GPC是負責(zé)機組自動調(diào)壓、機組間無功功率自動分配，以及異常運行報警的過程控制器。PLC是系統(tǒng)上層邏輯處理的核心控制器。HMI顯示PLC的過程數(shù)據(jù)，并將遠程控制指令發(fā)送至PLC，實現(xiàn)人機交互功能。GPC、PLC和HMI通過Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議，利用RS485屏蔽雙絞線介質(zhì)實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的下發(fā)。

圖5 兩機組發(fā)電車調(diào)壓系統(tǒng)簡圖

4.1 AVR 在系統(tǒng)中的功能作用

系統(tǒng)中AVR的工作電源由發(fā)電機輸出電壓提供[5]。當發(fā)電機開始運行時，原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，AVR利用發(fā)電機剩磁建壓（剩磁電壓5V AC以上，否則發(fā)電機需要充磁），當轉(zhuǎn)速一定時，依據(jù)電機啟動階段的正反饋特性，AVR控制電壓上升斜率建立電壓，通常電壓建立時間設(shè)置為3 s。當電壓建立后，根據(jù)發(fā)電機調(diào)壓特性曲線，AVR檢測發(fā)電機輸出的三相電壓和三相電流，按照設(shè)定的下垂曲線（調(diào)差系數(shù)）閉環(huán)控制勵磁電流的輸出，當無功電流增大時，電壓下降，當無功電流減小時，電壓上升。通常調(diào)差系數(shù)設(shè)置在5%以內(nèi)[6]。

4.2 GPC 在系統(tǒng)中的功能作用

系統(tǒng)中GPC設(shè)定發(fā)電機的輸出電壓值，通過回采機組的輸出實際電壓U閉環(huán)調(diào)節(jié)控制信號v1給RS，RS根據(jù)v1信號驅(qū)動AVR調(diào)節(jié)發(fā)電機的空載輸出電壓U0，AVR根據(jù)新設(shè)置的U0，采集發(fā)電機的實際輸出電壓U，閉環(huán)調(diào)節(jié)勵磁電流IL以維持調(diào)差系數(shù)Kc的特性曲線（圖2）。經(jīng)過GPC的大閉環(huán)調(diào)壓控制和AVR的小閉環(huán)調(diào)差系數(shù)控制，實現(xiàn)了機組相同調(diào)差系數(shù)下的多條電壓調(diào)整特性曲線的輸出。控制過程如圖6所示。

圖6 閉環(huán)調(diào)節(jié)機組電壓控制圖

GPC監(jiān)測機組的電流，計算各機組的無功功率和功率因數(shù)，并聯(lián)運行時，按照機組有差調(diào)節(jié)并聯(lián)運行特性（參考圖4），調(diào)節(jié)勵磁電流，實現(xiàn)無功功率的均分。

GPC監(jiān)控機組的運行情況，設(shè)置多級報警閾值以實現(xiàn)異常運行情況下的報警處理。當出現(xiàn)過欠壓時，如果在報警閾值范圍內(nèi)或者故障持續(xù)時間較短，GPC導(dǎo)向報警提示，如果超過報警閾值且故障持續(xù)時間超限，GPC將直接控制主斷路器斷開，切斷機組輸出。通常情況下，當無功功率大于50%額定功率，延時時間超過10 s時，GPC直接控制主斷路器斷開。GPC參數(shù)可通過顯示面板直接設(shè)置，亦可通過軟件批量下載。

4.3 PLC 在系統(tǒng)中的功能作用

該調(diào)壓控制系統(tǒng)采用西門子300系列PLC，通過Portal軟件組態(tài)，利用Profibus-DP傳輸數(shù)據(jù)。PLC作為1類主站，在預(yù)定的周期內(nèi)與從站循環(huán)地交換信息，并對總線通信進行控制和管理，GPC通過GSD文件作為從站，根據(jù)H3配置選項，向主站發(fā)送過程數(shù)據(jù)并執(zhí)行主站指令[7]。

在組態(tài)中配置PLC輸入過程映像區(qū)接收GPC發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過FC功能，按照GPC-H3串口通訊協(xié)議選項解析數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括機組電壓、電流、無功功率、功率因數(shù)等系統(tǒng)運行過程參數(shù)，主開關(guān)等設(shè)備的當前狀態(tài)，以及過欠壓等報警狀態(tài)[8]。

PLC根據(jù)GPC采集的數(shù)據(jù)，進行上層邏輯運算。當PLC判斷調(diào)壓故障時，置位相關(guān)標志位，通過HMI報警具體顯示故障信息，并記錄故障歷史。當發(fā)生嚴重故障時，PLC作為后備保護控制器，通過I/O拓展模塊，獨立于GPC控制對主開關(guān)進行分閘卸載操作，提高系統(tǒng)運行的可靠性[9]。

4.4 HMI 在系統(tǒng)中的功能作用

經(jīng)過PLC解析，HMI顯示GPC的過程數(shù)據(jù)和狀態(tài)。通過Portal組態(tài)，對PLC解析后的狀態(tài)做報警處理。HMI根據(jù)相關(guān)標志位置位狀態(tài)，觸發(fā)故障界面事件，當前界面顯示運行故障，實現(xiàn)故障報警提示功能。HMI的部分解析信息顯示及故障報警組態(tài)如圖7所示。

圖7 HMI界面顯示及報警組態(tài)

手動調(diào)壓系統(tǒng)獨立于自動調(diào)壓系統(tǒng)，由發(fā)電車控制屏上的操作開關(guān)和顯示儀表組成，包括自復(fù)位調(diào)壓旋鈕（S1和S2）、三相電壓表、三相電流表，功率表和功率因數(shù)表等。

手動調(diào)壓系統(tǒng)由現(xiàn)場工作人員根據(jù)實際機組運行情況，參考電壓表、電流表、功率因數(shù)表，調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕S1或S2，具體工作原理為：當單機組運行時，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕S等比例控制RS驅(qū)動信號，進而改變機組勵磁電流。手自動電壓調(diào)節(jié)執(zhí)行原理如圖8所示[10]。

圖8 手自動電壓調(diào)節(jié)執(zhí)行原理

當機組并聯(lián)運行，2機組出現(xiàn)無功功率分配不均時，參考無功功率轉(zhuǎn)移向量分析圖（圖3），調(diào)大承擔(dān)無功功率較小的機組調(diào)壓旋鈕，調(diào)小承擔(dān)無功功率較大的機組調(diào)壓旋鈕，調(diào)節(jié)過程中控制功率因數(shù)和母線電壓的變化速率和幅度，完成無功功率的穩(wěn)定轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)兩機組無功功率的均分。

自動調(diào)壓系統(tǒng)和手動調(diào)壓系統(tǒng)通過調(diào)壓旋鈕S切換實現(xiàn)功能選擇及系統(tǒng)間的互鎖，以確保機組有且僅能由一種控制系統(tǒng)控制。手自一體化調(diào)壓控制系統(tǒng)組成如圖 9所示。

圖9 手自一體化調(diào)壓控制系統(tǒng)組成簡圖

當調(diào)壓旋鈕S置于手動位時，PLC檢測到自動控制信號低電平，封鎖調(diào)壓控制邏輯中的所有輸出點。PLC失去系統(tǒng)的控制權(quán)，但保持系統(tǒng)監(jiān)測功能，HMI能顯示 PLC的過程數(shù)據(jù)，并具備報警提示功能。此時發(fā)電機的調(diào)壓控制功能和無功功率分配功能交由工作人員現(xiàn)場處理。

當調(diào)壓旋鈕S置于自動位時，自動控制信號為高電平，PLC會打開之前封閉的輸出點，接管發(fā)電機的控制，實現(xiàn)自動控制。

由于PLC的監(jiān)測功能不受調(diào)壓旋鈕S的影響，且RS具有保持功能，所以在自動切換手動的過程中，能夠保持控制狀態(tài)不變。手動切換自動過程中，由于手動控制的結(jié)果可能會跟自動控制的判斷不一致，切換后由自動控制系統(tǒng)重新進行調(diào)壓和無功功率分配操作。

5 結(jié)論

通過對發(fā)電機調(diào)壓控制原理和無功功率分配原理的詳細分析，本設(shè)計利用AVR、GPC和PLC作為自動控制器，實現(xiàn)了發(fā)電車供電系統(tǒng)調(diào)壓控制和無功功率分配的自動控制功能，同時自動功能與手動功能兼容，實現(xiàn)了手自一體化控制功能。

該系統(tǒng)成功應(yīng)用在某型出口發(fā)電車上 ，經(jīng)長時間運行驗證及售后反饋，該系統(tǒng)運行可靠，系統(tǒng)故障率低，手自一體配合良好，有效降低了工作人員數(shù)量、檢修強度及運營成本。