频变负荷下异型机组负荷均衡控制技术研究

王昊， 申卿， 李东超， 徐卫忠， 张千

(1.船舶与海洋工程动力系统国家工程实验室，上海 200090；2.中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

随着孤岛电站系统的设计优化和发展，孤岛电站常配置不同容量、不同型号的发电机组(此类机组往往具有不同的调速、调压特性，且容量也不相同，以下简称“异型机组”)以提高孤岛电站系统的灵活性和运行经济性。孤岛电站系统负载变化频繁且变化量值大(以下简称“频变负荷”)，如港口、矿山和钻井平台等工程领域的负载多为大功率异步电动机，这些大功率异步电动机频繁地投入、退出和工作模式的切换对异型机组并联运行时负荷均衡控制提出了更高的要求。

目前，已有专家学者对频变负荷下异型机组并联运行的相关问题做了大量的仿真和优化控制研究。文献[1]结合MATLAB/Simulink仿真详细论述了不同工作原理的脉冲负载对柴油发电机组输出频率和电压的瞬态、稳态指标影响，得出同功率不同性质的负载对柴油发电机组输出频率、电压的影响不同，在对柴油发电机组运行特性的改善中，应充分考虑脉冲负载的工作原理。文献[2]论述了不同容量柴油发电机组并联运行时负荷分配的原则和要求，并结合实例分析，给出了不同容量机组并联时对调差率的调整要求。文献[3]综合分析了不同容量的柴油发电机组并联运行时的优化控制问题，并进行了实例验证，对实际工程的应用具有较强的借鉴意义。文献[4]论述了频变脉冲负载对孤岛电站系统造成的影响，并分析了频变脉冲负载引起机端电压波动的原因及作用规律，为平抑电压波动提供了指导性方法。文献[5]通过研究发电机投入并联运行的条件，利用调速器和电压调节器的下垂特性，实现并联运行的发电机之间的无功功率分配。文献[6]介绍了同步发电机并联运行时功率调节原理。

本文首先提出了频变负荷下异型机组并联运行时引起的问题及控制要求，然后分析了功率转移和分配原理，最后基于某港口孤岛电站项目，搭建孤岛电站控制系统，并根据控制要求设计负荷均衡控制策略，实现频变负荷下异型机组并联运行时负荷均衡控制。

1 异型机组并联运行时引起的问题及控制要求

异型机组并联运行时各发电机组容量及运行特性互不一致。对于外部频变负荷的干扰，由于各机组的性能不同且无统一的分配机制，会造成负荷分配不均衡的问题，当外部频变负荷量值较大时，将导致小容量机组保护跳闸。

1.1 功率均衡分配问题

频变负荷下异型机组并联运行时，各台发电机组按照各自的调速、调压特性进行功率调整。此时，整个孤岛电站系统的动态特性将会发生显著变化。如在低负荷时，孤岛电站电力系统将会发生随机和频率失常的功率振荡现象，甚至导致系统解列，严重影响孤岛电站系统的安全和稳定运行。

另外，目前对于孤岛电站系统柴油发电机组并联运行的研究多聚焦在频率调节和有功功率分配控制上，而对于电压调节和无功功率的均衡控制主要依托于电压调节器的自身性能。而从很多的实际工程项目实践中可知，很多主开关跳闸现象都是由于电压跌落至设定值以下造成的[7-8]。

1.2 异型机组并联运行控制要求

1.2.1 并联运行控制要求

频变负荷下异型发电机组并机前应检测频率、电压、相位和相序是否一致，只有在满足上述要求时进行并网操作才不会对孤岛电站系统产生大的冲击电流[9]。

1.2.2 负荷均衡控制要求

并联运行的异型机组应能实现自动负荷分配功能，且应满足如下指标要求：当负载按额定功率因数在总额定功率的20%～100%范围内变化时应能稳定运行，其有功功率分配差度应不大于最大发电机额定功率的15%和最小发电机额定功率的25%，无功功率分配差度不大于最大发电机额定无功功率的10%和最小发电机额定无功功率的25%[10]。结合上节分析，针对孤岛电站系统功率负荷的均衡控制，应考虑总体的调节控制系统。

1.2.3 发电机的保护要求

孤岛电站系统应重点保护同步发电机，以防系统失常运行或故障时导致发电机损坏。针对孤岛电站系统中同步发电机可能出现的失常运行状态和故障，应设过/欠电压保护、过/欠频保护、过流保护、纵向差动保护和逆功率保护等。

2 异型机组负荷均衡分配理论基础

2.1 异型机组有功功率分配与调节

柴油机输出功率和负载消耗功率不平衡是孤岛电站系统频率变化的根本原因。在孤岛电站系统负荷发生变化时，柴油机通过电子调速器来调节柴油机的喷油量，从而使柴油机的输出功率和负载消耗功率保持动态平衡，以此来维持机组频率稳定。

并联运行机组的有功功率的转移和分配过程如图1所示。1号机组为稳定运行机组，运行于特性曲线1-1的A点。2号机组为经准同步并车之后空载机组，运行于特性曲线2-1的B点。

图1 有功功率转移和分配过程

在有功功率转移的过程中，2号机组喷油量增加，其功率角逐渐增加，使2号机组特性曲线2-1逐渐上移到特性曲线2-2，并逐步承担系统有功负荷。因孤岛电站系统容量较小，2号机组增加喷油量的同时，1号机组喷油量应同步减小，否则，两台机组总的输出功率将大于系统负载，进而导致孤岛电站系统频率增加。这样，减小1号机组喷油量的同时，其功率角逐渐减小并减少有功功率的承担，逐渐下移到特性曲线1-2运行。最终直到两台机组按各自容量比例承担系统有功负荷为止。

2.2 异型机组无功功率分配与调节

若孤岛电站系统无功功率储备不足，当系统无功负荷增加时，需降压运行来满足系统无功功率的平衡，若无功负荷无法均衡分配，在并联运行的发电机组之间将出现无功环流，影响孤岛电站系统的稳定性[11]。为简化说明，现以同型机组为例来分析机组并联运行时无功功率的分配与转移过程。

图2 无功功率转移和分配过程

3 实例分析

某港口孤岛电站系统为港口集装箱堆场起重机、场桥及基础设施提供电力供应。系统由3台8 500 kW的中速柴油发电机组，2台2 000 kW的高速柴油发电机组和4台2 000 kW的飞轮储能机组组成，整个孤岛电站分两期建设完成。馈线回路设置2回，设置2台厂用变压器提供辅助用电，系统单线图及控制架构如图3所示。

该孤岛电站控制系统主要由机旁控制箱、机组控制屏、主控制屏和监控台组成。机组控制屏主要由S7-1200 PLC核心控制器、easYgen-2500机组控制器、巴斯勒DECS-150电压调节器和KTP1200 Basic触摸屏等组成。机组控制屏配置有同步表、双频率表、双电压表和调速/调压旋钮，在手动模式下实现手动调速、调压和同期并网功能；在自动模式下，控制系统根据负载功率状态控制机组的启停、自动并车、自动调载调压以及解列功能。主控制屏和监控台采用S7- 400PLC作为核心控制器，SM331 8×12位模拟量输入模块和SM332 8×12位模拟量输出模块作为数据接口模块，将采集到的机组数据进行处理，实现无功功率的均衡控制。

3.1 有功功率均衡控制策略

机组控制器通过CAN Bus网络相互通信实现有功功率的自动分配和转移(如图3所示)，有功功率分配控制如图4所示。

图3 系统单线图及控制架构图

图4 有功功率分配控制原理图

在上述控制系统中，实时计算系统负载率，然后将系统负载率和机组负载率进行偏差比较，得到一个新的变量设定值。机组调速系统将根据新的设定值进行转速控制调节以改变柴油机的喷油量，进而完成并联运行机组间有功功率的转移和分配。参数K为有功负荷分配因数，是一个百分比值，决定了发电机组并机运行时是否和如何执行有功负荷和频率控制。K值越小，并联运行的机组平均分配负载的优先权越高，当K=10%时，仅执行有功负荷分配；K=99%时，仅执行频率控制。机组控制器各参数设置如表1所示。

3.2 无功功率均衡控制策略

项目在原有电压调节器双闭环控制策略的基础上，设计一套集中式无功功率控制模块来统一协调异型机组并联运行时无功功率的均衡控制，如图5所示。

集中式无功功率控制模块通过不断检测各并联运行机组的无功功率并和设定值进行比较，经处理器计算处理之后，输出偏差控制信号到电压调节器电压设定值处。该差值信号与电压设定值、实测机端电压信号叠加处理，得到励磁调节器的输入，以此来完成励磁电流的调节控制，进而实现并联异型机组间无功功率的转移和分配。

表1 机组控制器参数设置表

图5 无功功率分配控制原理图

4 结束语

频变负荷下异型机组并联运行时负荷均衡控制的研究是一个具有实际意义的课题。本文提出的通过CAN Bus网络和集中式无功功率控制模块，可实现孤岛电站系统异型机组并联运行时负荷的均衡比例分配，切实提高了孤岛电站系统在频变负荷冲击下运行的可靠性和稳定性，并能使并联运行的各发电机组运行在经济区间，大大降低了系统运行成本，增加了运行效益。本文提出的负荷均衡控制策略对于类似的工程使用场景具有较强的借鉴意义和推广意义。