柴油发电机自动并联机组设计应用研究

汪欣勇

(大庆油田钻探工程公司机械修理厂， 黑龙江 大庆 163413)

0 引 言

柴油发电机作为后备电源广泛应用于众多重要负荷中，为其提供不间断供电，保证供电的稳定性和可靠性。随着自动化技术的发展，柴油发电机并网控制的智能化水平不断提高，从简单的人工单机启停控制转变为复杂的多机自动协同控制，实现负荷变化时机组数量的自动切换、机组并联时最优功率的自动分配，提高了柴油发电机供电的可靠性、灵活性和经济性[1]。

为满足大功率负荷供电可靠性，常需多台柴油发电机并联运行，并保持一定冗余配置，超过90%单机额定功率时需启动2台机组，超过180%时需启动3台机组。基于此，该文对柴油发电机自动并联机组展开设计，当机组进行自动并网、并机以及解列等操作时，保证电压、转速、频率等条件与主网同步。

1 柴油发电机有差特性模型

为保证稳定性，并机机组尽量采用性能、型号一致的，通过对柴油发电机本体、油门执行机构、转速传感器以及油与热力等4个环节分别建立数学模型，实现机组仿真模型的整体建立。

1.1 本体模型建立

根据达兰贝尔原理，可得柴油机的转动方程

(1)

式中：J为驱动轴转动惯量；ω为角速度；Td、T1分别为主轴力矩和负载力矩。

当机组运行时有

(2)

式中：ΔTd、ΔT1为相应力矩增量，当Td0=Tl0时，机组为平衡状态。

柴油发电机主轴力矩与其转动加速度ω和执行电机转角α有关

Td=f(ω,α)

(3)

将主轴力矩按照泰勒级数进行线性化展开(忽略高阶项)，则

(4)

(5)

发电机负载转矩可由功率P和转速ω计算可知：

T1=f(P,ω)

(6)

按照泰勒级数展开，则负载力矩与功率和角速度关系分别为

(7)

(8)

式中：Te为电磁转矩；ΔTe为电磁转矩变化量。

(9)

当发电机负载变化时会使转速随之发生变化，发电机功角变为

δ=δ0+Δδ

(10)

式中：δ0为额定功角；Δδ为功角变化量。

由上可知，电磁转矩Te为

(11)

不计空载损耗，则：

(12)

当转速变化小状况，角速度变化率和功角变化率近似为正比，则

(13)

(14)

式中：P0为额定电磁功率。

其标幺值方程为

(15)

转化为传递函数形式为

(16)

1.2 燃油及热力模型

柴油发电机主轴力矩和油门开合度有关，可用一个带延时滞后环节的一阶传递按函数标识[2]，即

(17)

式中：K1为比例系数;t1为时间常数，均与柴油机本身有关。

油门执行机构是通过调速器信号控制油门开合度的，其等效传递函数为

(18)

式中：A(s)为调速器信号；α(s)为油门机构开合度；K2为该环节比例系数；t2为时间常数。

1.3 转速传感器模型

柴油机转动时，信号齿轮与极靴的间隙发生变化，从而引起传感器磁阻发生周期性变化。通过测量信号频率即可得到柴油机转速，输出信号受到柴油发电机自身结构和传感器性能限制，会产生一个齿轮转动输出延时和一个调速器输出延时，则其传递函数可由一个二阶振荡函数表示。

(19)

式中：n(s)为转速信号；K3为该环节比例系数；t3为时间常数。

综上所述，柴油发电机无差调速模型可表示为图1。

为满足柴油发电机并车、并网等操作，其调速特性应为有差特性，且转速与负载成线性变化，由图1可知有差调速模型为图2。

图1 无差调速模型方框图Fig.1 Block diagram of error free speed regulation model

图2 有差调速模型方框图Fig.2 Block diagram of differential speed regulation model

2 相复励无刷励磁系统数学模型

相复励励磁主要原理是相复励和自动调压组成，按照相复励策略通过负载电流信号进行调压，具有良好的动态性能[3]，主要由同步发电机、励磁机、受控整流器、相复励装置和自动调压器组成，其整体仿真模型如图3所示。

图3 相复励励磁系统仿真模型图Fig.3 simulation model diagram of phase compound excitation system

如图3可知，模型包括6个输入量，tr1、tr2和tr3为低通滤波器时间常数，kα和kf分别比励磁机放大倍数和反馈阻尼放大倍数，ta、te分别为调节时间常数和励磁机时间常数，tb、tc分别为滞后和超前补偿系数，tf为反馈阻尼时间常数。文中设系统接地电压为0，则反馈电压为

(20)

自动调压器的输入为给定电压和反馈电压之差，经过补偿调节器、比例放大和反馈校正得到输出电压信号。

3 基于模糊PID控制的柴油机发电机多输入调速器模型

负载转矩变化率可以反映负载转矩变化，能够提前反映加载或减载情况，当加载时，转矩变化率增大，转速减小，调节信号增大，为保证转速恒定需要调整相应参数，减载情况相同，转矩变化率能够减少转速恢复时间，降低恢复扰动。

由于转速机械惯性作用，对负载波动的反映明显滞后于电压偏差和功率因数，其变化规律与有功功率变化相同，与转速规律相反，为确保柴油机输出功率实时适应负载变化和波动的准确性和稳定性，采用多输入调节方式，以转矩变化率、电压和功率因数为输入量实现转速的自动调节，系统结构如图4所示。

图4 多输入控制系统结构Fig.4 Multi input control system structure

如图4所示，PID模糊自整定是以转速差e和转速变化率de/dt输入量，PID参数变化量作为输出量，根据运行状态和模糊控制原理找出ΔKP、ΔKI、ΔKD与e、de/dt的模糊关系，实现参数的实时整定，以满足调速控制的动态要求[4]。

功率因数变化是0到1，其基本论域为[0,1]，模糊集为{Z ,VVS,VS,S,L,VL,VVL}；电压偏差标幺值基本论域[-1,1]，模糊集为{NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL}，正半轴表示小于基准电压，负半轴表示大于基准电压，功率因数和电压偏差标幺值过大或过小均设为1。

转速调节程度为电压和功率输出信号，基本论域为[-6, 6]，隶属度为1，隶属函数为三角隶属函数，如图5所示。

图5 隶属函数 Fig.5 Membership function

电压偏差和功率因数对转速模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则Table 1 fuzzy control rules

4 双机并联自动控制

柴油发电机采用前文模型，以2台柴油发电机并联运行为例，其结构如图6所示，通过测量电网和柴油机功率、电压以及电流等参数实时判断运行状态，根据相应情况完成并机、并网、功率分配以及解列等自动控制。同时监测电网与其它柴油发电机的状态，向上位机报告柴油发电机和电网状态，一般情况下柴油发电机由控制器控制，特殊情况可由上位机直接控制柴油机。

图6 双机并联结构图Fig.6 Double machine parallel structure diagram

柴油发电机组作为备用电源，时刻处于准备启动状态，电网供电正常是柴油机控制器不发布操作指令，电网断电时，控制器发布相应指令(如表2所示)，迅速切换为柴油发电机供电。电网正常带载时，柴油发电机控制器监测电网状态，断电后发出柴油发电机启动信号Backup。刚检测到电网恢复供电，需要检测电网电压是否稳定，稳定后发出电网恢复供电信号Power On。避免柴油发电机由于电网状态检测错误导致频繁起停。

表2 控制器参数及操作指令Table 2 Controller parameters and operation instructions

4.1 启动柴油发电机

柴油发电机组接收到启动信号Backup，判断柴油发电机是否达到启动要求；接收到柴油发电机处于初始状态并可启动的信号Zero[Fault==0]，断开电网与负载之间的断路器，自启柴油发电机，根据断电前的负荷功率判断启动数量，小于单机额定功率90%时启动1台柴油发电机。为保证突然加载稳定，令转速n为0.65，使柴油发电机出入怠速稳定状态，同步发电机建立电压，令励磁If为1，使其达到怠速稳压状态，提高转速至额定，柴油发电机达到正常运行状态。若第1台柴油发电机连续2次无法启动，则启动第2台发电机；若将启动中检测到来电信号，则停止启动，各参数恢复到初始状态。启动图如8所示。

图7 自启动模块图Fig.7 The module diagram of self-starting

负载功率达到90%～180%时，控制器发出DC信号，当2台柴油发电机相序、电压、频率均满足要求后，可完成并车操作，当负载功率超过180%，不启动任何柴油机。

4.2 机组功率分配

并车信号发出后，柴油发电机控制器发出并行运行信号Start=1，确定柴油发电机母线上柴油发电机的台数。柴油发电机先保持并车前状态不变；接收到负荷稳定运行信号Stable，检测各个柴油发电机的功率，并计算单台发电机组承担的有功功率比例与由所有发电机组承担的总有功功率比例之比表示的值sP为

(21)

柴油发电机并机稳定运行后功率需要重新分配，使每台柴油发电机承担的负荷大小尽可能一致，减少功率分配不平均程度。当双车并联后，由于负载不平衡使机组稳定性变差，需要进行功率平均分配。在有差调速柴油发电机中，由机组的有功功率-转速特性曲线可得，柴油发电机组的有功功率随着转速的变化而改变[5]，则转速变化率为

(22)

式中：Δn为速度变化百分率；ΔP为功率输出变化百分率。

为实现功率平衡，需对转速进行调节，当ndec=R·sP时可实现功率平均分配(sP为应承担与实际承担功率比例差)，输出有功功率大的柴油发电机减少有功输出，输出有功功率小的柴油发电机增加有功输出，功率平均分配图如9所示。

图9 功率平均分配模块图Fig.9 The module diagram of power average distribution

4.3 解列、停机

若电网恢复供电时，D2柴油发电机所带单机额定负荷小于90%时，需要进行解列停机。进入解列停机状态后，根据转速—功率曲线，使柴油发电机的有功负荷全部转移至电网上，当有功功率和无功功率转移完成，接收到柴油发电机Power Zero信号，断开柴油发电机与柴油发电机母线之间的断路器，发出解除信号，柴油发电机励磁电压和机端电压均将为0，柴油发电机进入怠速状态，当转速降为0时，使其停机恢复到初始状态，等待下次启动。解列停机状态图如图10所示。

图10 解列、停机模块图Fig.10 The module diagram of splitting and shutdown

5 自动并车控制系统及仿真分析

5.1 自动控制系统

自动并机柜是实现发电机自动并车技术的核心，主要由主控制单元、调压单元、调速单元、保护单元，通讯单元和人机接口部分组成。主控制模块采用捷克科迈IG - CU+PLSM+AVRi +COM模块组件，其IG-PLSM的连线图，如图11所示。负载分配平衡线(LSM)与下一机组的LSM相连，实现负载分配；GND、VoutR、Vout与转速控制器相连，实现转速控制；AVRi端子与AVRi电压调节器相连，实现电压调节。

图11 IG-PLSM 的连线图Fig.11 Wiring diagram of IG-PLSM

电压控制回路线路连接图如图12所示。AVRi电压调节器电源由AVR TRANS提供，IG-PLSM的AVRi电压输出端与AVRi电压调节器的输入相连。通过柴油发电机的自动电压调节器，输入AVRi通过此口对电压进行微调，AVRi输出电压信号。

图12 电压控制回路Fig.12 The loop of voltage control

速度控制回路传感器连线图如图13所示。输入电压信号，将控制柴油机的转速与IG-PCLSM模块调速输出连接。

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

5.2 仿真分析

整个仿真过程30 s，设断电前系统负载为500 kW，无功为200 kvar，电网在1 s时断电，柴油发电机D1，在1.93 s启动，3.92 s并机，单独向负荷供电，经过负荷短时振荡，4.48 s趋于稳定；当D1承担负载功率大于单机有功功率90%时，柴油发电机D2在4.8 s启动，8.2 s并机，19 s柴油发电机功率分配达到稳定平衡，22 s电网恢复供电，2台柴油发电机调整状态，23.8 s反并网成功，24.2 s 2台柴油发电机所带负荷全部转移到电网上，26.35 s机端电压降为0，柴油发电机组为怠速状态，26.63 s柴油发电机完全停机，28.47 s柴油发电机停机成功，等待下次起动。柴油发电机转速曲线如图14所示，机组与电网有功功率、无功功率变化曲线如图15所示。

图14 柴油发电机转速曲线Fig.14 The speed curve of diesel generator

图15 有功、无功曲线Fig.15 The curve of active power and reactive power

6 结 语

通过推导柴油发电机各环节函数建立柴油发电机有差特性模型，使其能够满足仿真相关要求。应用模糊PID控制建立柴油发电机转矩变化率、电压和功率因数的多输入调速器模型，提高了柴油发电机对负载变化适应性。通过仿真分析可知，该文设计的柴油发电机自动并联控制系统能够实现柴油发电机在电网断电时的启动、并机、功率分配；随着负载功率增大，启动备用柴油发电机， 实现电网恢复供电时反并网、软解列、监视电网及其他柴油发电机状态等功能。