双柴油发电机组自动准同期方法

2014-12-24吴作勋林荣文李传栋

福建农林大学学报（自然科学版） 2014年4期

吴作勋，林荣文，李传栋

(1.福建农林大学机电工程学院，福建福州350002;2.福州大学电气工程与自动化学院，福建福州350002;3.福建省电力试验研究院，福建福州350007)

柴油发电机以其结构紧凑、占地面积小、热效率高、起动迅速、控制灵活等特点广泛应用在医疗等部门，也可用在电网无法到达的偏远施工现场.双柴油发电机组与同容量单台机组相比，运行方式灵活、投资少、使用率高，在负荷变化较大时节能效果明显.两台柴油发电机组并列时可将正在运行的机组当成“小电网”.待并机组与运行机组并列相当于发电厂发电机并电网.

文献［1－5］提出在发电机组并列操作时，频差、压差和相角差都会影响发电机的运行、寿命及稳定性.为了避免非同期操作对电机的伤害，一般发电机都必须是准同期并列.

目前国内以ZZQ5为代表的模拟式同期装置因合闸速度慢、准确性差，不能进行状态自检.而计算机具有高速运算和逻辑判断功能，再加上先进的算法，能使发电机快速准确地并入电网，但是价格昂贵，仅适合大电机并大电网.

本文设计的柴油发电机组微机式自动准同期装置具有硬件简单、功能齐全、价格便宜等优点，适合中小容量发电机的并列;通过对自动准同期存在的压差、频差、相角差的不同方案分别进行分析、论证，给出本装置的设计方法，并加以仿真验证.

1 准同期并列的条件

同期是指待并机组与运行机组满足如下条件:(1)两电压幅值相等，即U1=U2;(2)两电压角频率相等，即ω1=ω2;(3)合闸瞬间的相角差为零，即δ=00.

将满足以上3个条件的发电机组称为准确同期并列(简称准同期并列).

在存在电压差和频率差的情况下，并列会造成无功功率和有功功率的冲击，也就是说在断路器合上的那一瞬间，电压高的发电机向电压低的发电机输送一定数值的无功功率，频率高的发电机向频率低的发电机输送一定数值的有功功率.在具有相角差的情况下，并列的后果更为严重.相角差是指发电机的转子直轴(d轴)和定子三相电流合成的同步旋转磁场磁轴之间的角差.在断路器合上的那一瞬间，三相电流合成的旋转磁场将产生一个电磁转矩，迫使发电机转子轴系以ω1角速度牵入同步.一个极大质量的转子轴系于极短时间内的运动，可造成绕组线棒变形松脱，出现转子一点或多点接地，连轴器螺栓扭曲，主轴出现裂纹等，甚至诱发次同期谐振.

文献［1］指出准同期操作的要求是“快速准确”.准确并列是对断路器两端的压差、频差及相角差提出一定的要求，使发电机在冲击不大的情况下平稳地并入电网;而快速并列是发电机往往具有一定的承受冲击的能力，因此没有必要把压差、频差限制在太小的范围，否则会延迟并列的时间，在系统储备不足的情况下会造成严重后果，而且发电机空转对能源也是一种浪费.相角差的危害很大，要扑捉第1次出现δ=0的时机.

2 自动准同期装置的设计

组成柴油发电机组自动准同期装置的硬件模块较多，但主要由基本的单片机系统，人机交互、检测、信号调理部件，以及输入、输出部件等组成(图1).

图1 数字式自动准同期装置逻辑框图Fig.1 Logic diagram of digital automatic quasi-synchronization

微处理器型号为AT89S52，它有8K字节的闪烁存贮器和8K字节的程序空间，多余的程序存贮空间可作为将来扩展系统所用.故选此机型可以不必在外部扩展程序存贮器，可以简化系统电路，减少系统成本［6］.

压差检测采用A/D转换电路，将电压传感器传来的电压转换为数字量，由CPU进行判别处理.电压测量电路的测量速度不能太慢，要及时跟踪电压的变化，尤其是发电机电压的变化.励磁调压要根据测得的电压值对发电机电压及时进行调节.同期的快速性也要求电压测量速度快，最好在1－2个周期内就能够获取待并点两侧的电压值.

频差相角差检测的方法是:来自并列点断路器两侧的二次电压经过隔离电路后通过相敏电路将正弦波转化为相同周期的矩形波;通过对矩形波电压的过零检测，即可从频差、相角差鉴别电路中获取待并发电机侧及运行发电机侧的频率f1、f2，进而获得频差fd、角频率差ωd.

输出电路实现发电机组的均压、均频和合闸控制的功能，控制命令由加速、减速、升压、降压、合闸、同步闭锁等继电器执行.

2.1 电压差检测

对于发电机电压差的检测一般采用电压变送器法和交流采样法

电压变送器法:通过交流电压变送电路将交流电压转换成直流电压，经采样、放大后由A/D接口进入主机;CPU读得有效值后，经软件计算做出是否符合并列条件的判断.

对每台发电机可采用运算放大和有效值转换电路设计电压变送电路，其中有效值转换电路采用AD736芯片，运算放大采用高精度的OP07.该方法的特点是软件设计简单，但输入幅度变化时响应较慢.

交流采样具有响应速度快的优点，本设计对电压量的计算采用交流采样法，设计的硬件电路如图2所示:

图2 信号调理电路Fig.2 Signal processing circuit

输入电压Uin经隔离变压器降压后，通过电阻分压输出，输出电压Uout作为AD采样的输入信号，AD的输出信号送到CPU，计算电压的真有效值.软件设计的思路是将一个周期信号在一定条件下展开成傅里叶级数.根据傅里叶算法，设一个周期信号f(t)=f(t+T)，其周期为T，满足［0，T］上绝对可积，则f(t)可展开为级数:

式中，n为自然数，an和bn分别为n次谐波的余弦和正弦的幅值.

以电压为例，将其离散数字信号的积分改为求和，如果每周期采样12点(N=12)，基波信号的实部和虚部分别为:

借鉴文献［7－9］，建立压差检测的Matlab仿真模型，如图3所示.模型的工作原理是:假设G1发电机的稳定工作电压不变，设为常数1，待并发电机U2的电压值为0－2 V，在测出1号、2号电机电压的真有效值之后，对U1、U2进行比较运算;若则满足压差条件，输出高电平;若不满足压差条件，输出低电平;若U2＞U1，负脉冲通过信号交换和积分器，调压信号发出降压信号;若U2＜U1，正脉冲通过信号交换和积分器，调压器发出升压信号;当满足压差条件时，触发子系统锁存当前的积分值，调压器输出触发子系统里的采样保持值.仿真结果如图4所示.

2.2 频率与频差的检测

发电机频率的测定也有如下2种方法.方法一、检测发电机转子转速，通过(p为发电机转子的磁极对数)，求出频率.这种方法误差较大.

图3 压差检测仿真模型Fig.3 Simulation model of voltage amplitude difference detection

图4 电压差满足时的采样保持值Fig.4 Sampling and holding value when voltage amplitude difference was satisfied

方法二、来自并列点两侧的二次电压经过隔离传感器后通过相敏电路将正弦波转换为相同周期的矩形波，对矩形波的过零点进行检测，通过CPU计算矩形波的上升沿与下降沿的时间，即可获取发电机的频率.因为这种方法能够利用CPU的运算能力提高测频的精度，所以本设计采用方法二测定发电机频率，硬件电路如图5所示.

图5 零交比较电路Fig.5 Comparison circuit of passing zero

输入信号Uin经过比较器LM311后，变为方波，方波的频率与输入电压的频率相同.方波的高电平为VCC，低电平为GND.图5中的输入电压Uin通过电阻R2接到U1的反相输入端PIN3，与同相输入端的低电位进行比较.R1与R2的阻值相等.采用CPU的计数器计算输出信号Uout，求出频率.

频率检测仿真模型如图6所示.具体仿真实现的过程是:先将正弦波整成矩形方波，然后检测方波的上升与下降情况，将下降时刻减去上升时刻后得到半个周期，去除首个半周期干扰之后，把得到的半周期乘以2，取绝对值再求倒数，最后得到发电机频率f.仿真结果如图7所示.而频率差的检测方法与电压差的检测方法一样.

图6 频率检测仿真模型Fig.6 Simulation model of frequency detection

2.3 相角差检测

相角差检测模型是将电压交流电压信号转换成同频、同相的方波.U1、U2的2个方波信号，并接到异或门;当2个方波输入电平不同时，异或门输出为高电平，通过检测异或方波上升时间和下降时间得到一系列有规律变化的方波.方波的高度值代表相角差的大小.最后利用CPU的计数器计算时间和相角差δ.硬件电路见图8，仿真模型见图9.

图7 频率测量结果Fig.7 Result of frequency detection

图8 相角差检测电路Fig.8 Detection circuit of phase angle difference

图9 相角差测量仿真模型Fig.9 Simulation Model of phase angle difference detection

图10的一系列异或门输出的矩形波宽度τi与相角差δi相对应.

图10 相角差测量波形分析Fig.10 Waveform analysis of phase angle difference detection

设1#机的电压方波宽度为已知，等于二分之一周期π(180°)，相角差可以按式(7)求得.

式中:τi表示异或方波对应的计数值;τ1表示1号机半周波对应的计数值.式(7)中得到τ1和τi值，CPU可从定时计数器读入求得.

相位差在脉动电压从零变化到最大值的前半个周期内是逐渐增大的，在后半个周期内是逐渐减小的.因此，合闸只能在后半个周期进行［10］.

3 双柴油发电机并列合闸控制

在检测完压差、频差、相角差之后，还必须考虑合闸开关的动作时间tDC.采用导前相角的方法能解决这个问题.导前相角的计算推导如下:

式中:ωsi为计算点的滑差角速度;δi和δi－1分别为本计算点和上一计算点的角度值;2τx为两计算点之间的时间;tDC为CPU单元发出合闸信号到断路器主触头闭合时需要经历的时间.

双柴油发电机合闸并列的仿真模型如图11所示.

根据本设计的对象，选择2台发电机采用SSM模型(50 MVA，10.5 kV，50 Hz)，连接方式3-wire Y，三相断路器采用由外部信号控制合闸，仿真算法采用ode15s(stiff/NDF).

3.1 带压差非同期并列合闸

假设1号发电机为运行机组，2号发电机为待并列机组，通过设置发电机输入励磁参数E，使2台发电机在有电压差的情况下合闸，得到的仿真结果如图12所示.由电压和冲击电流的波形图可知，带电压幅值差合闸引起的冲击电流为无功电流.

3.2 带频差非同期并列合闸

通过设置不同发电机频率，使2台发电机在有频率差的情况下合闸，得到的仿真结果如图13所示.由电压和冲击电流的波形图可知，带频率差合闸引起的冲击电流为有功电流.

图11 双柴油发电机组并列合闸控制模型Fig.11 Parallel controlling model of two diesel generators

图12 带压差合闸2号发电机电压与冲击电流关系Fig.12 Relationship of the second generator voltage and impact current when voltage amplitude was different

图13 带频率差合闸2号发电机电压与冲击电流关系Fig.13 Relationship of the second generator voltage and impact current when frequency was different

3.3 带相角差非同期并列合闸

通过设置2台发电机相角差，使2台发电机在有相角差的情况下合闸，得到的仿真结果如图14所示:

图14 带相角差合闸2号发电机电压与冲击电流关系Fig.14 Relationship of the second generator voltage and impact current when phase angle was different

由电压和冲击电流的波形图可知，带相角差合闸时会有较大的冲击电流，并且在一定范围内，越大的相角差引起的冲击电流越大.

3.4 自动准同期并列合闸

装置配合自动调压、调频控制，使2台发电机压差、频差、相角差在合闸允许的范围.自动准同期装置模型与自动调压调速模型如图15、16所示.

图15 自动准同期装置模型Fig.15 Model of automatic quasi-synchronization device

图16 自动调压调频模型Fig.16 Model of automatic voltage and frequency regulation

在准同期条件下合闸得到的波形如图17所示，准同期合闸，冲击电流很小，有效地保护了发电机.

4 讨论

(1)在2台发电机组非同期并列时，频率差、电压差和相角差都会影响发电机的运行、寿命及稳定性.即电压高的发电机向电压低的发电机输送一定数值的无功功率，频率高的发电机向频率低的发电机输送一定数值的有功功率，但在发电机空载或轻载的情况下，即使存在较大的电压差和较大的频率差，其所对应的无功功率和有功功率也是有限的，所以不会损坏发电机.而且发电机在正常运行中本来就能承受较大的负荷波动.但是，并列瞬间大的相角差会引起机组很大的振动，因在这一瞬间发电机转子在电磁力作用下与系统同步，这种机械冲击会导致线棒与轴承的损坏，还会带来巨大的冲击电流.因此在准同期装置的设计上，相角差的大小要严格控制.