鉆機柴油發電機組自動并網控制系統設計

劉 政

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

1 系統介紹

本設計主要對3臺柴油發電機組進行控制，實現同期并網、負荷分配等功能，同時對發電機組運行狀態進行實時監控。經過查閱相關資料，發電機組并入電網運行，需滿足3個條件：①發電機輸出電壓要和電網電壓相等；②發電機的輸出頻率要和電網頻率相同；③發電機的相位要和電網相位一致（允許相位差在±5°以內）。

每臺柴油發電機組控制系統主要由測量機構、調壓系統、調速系統、控制器組成。系統主要結構如圖1所示。

圖1 柴油發電機組自動并網控制系統結構圖

1.1 測量機構

測量機構由轉速傳感器、電壓互感器和電流互感器組成，為控制系統提供柴油發電機組的運行信息。通過實時監測發電機組運行參數，經過控制系統邏輯判斷后，由相應的執行機構及時作出調整，來保證發電機組穩定運行。

1.2 調壓系統

同步發電機的調壓系統主要由電壓調節器和電流調節器兩大部分組成。其中電流調節器向同步發電機轉子繞組提供直流勵磁電流，而電壓調節器根據輸入信號和給定的調節準則控制電流調節器的輸入。整個調壓系統是由電壓調節器、電流調節器、電壓傳感器、電流傳感器和發電機構成的一個雙閉環電壓控制反饋系統，如圖2所示。

圖2 電壓控制系統結構圖

調壓系統的主要作用如下：

（1）根據發電機負荷變化相應地調節勵磁電流，維持發電機輸出電壓為設定值；

（2）控制3臺并列運行的柴油發電機間無功功率分配；

（3）根據機組運行要求對發電機實行最大勵磁限制和最小勵磁限制，確保機組的各參數不越過限值。

本設計選用DECS＿100數字電壓調節器用于柴油發電機的輸出電壓控制和無功功率分配。DECS＿100數字電壓調節器能為各種功率等級的發電機主磁場或勵磁機磁場提供精確、可靠的控制，并集成了勵磁調節、限制、保護、測量、顯示和無功功率分配等功能于一體，具有勵磁電流調節（FCR）、自動電壓調節（AVR）、功率因素控制（PF）和無功功率控制（VAR）4種控制模式。DECS＿100數字電壓調節器采用PWM方式輸出，可以控制一臺發電機與其他發電機并聯運行或并網運行，適用于分布式發電、集中式發電和調峰發電等應用場合。

1.3 調速系統

調速系統主要用來控制柴油機的引擎執行器，通過執行器的調節連桿拉動噴油泵齒桿，進行供油量的調節，從而使發電機保持設定轉速或協調有功功率的均衡分配問題。調速系統主要作用如下：

（1）穩定發電機輸出功率的頻率在設定等級內，以滿足機組并網的頻率要求。柴油發電機單機運行時，調速系統通過執行器的調節連桿來改變柴油機油門的大小，控制發電機保持設定轉速，從而控制發電機輸出功率的頻率在設定等級內。

（2）控制有功功率的均衡分配。柴油發電機組并聯運行時，會遇到負載不均衡的情況，這就要求發電機組在無轉速差的情況下保持有功功率的均衡。將有功功率的差值比例變換，加到油門信號中去改變油門的平衡位置。油門開度增大，動力矩增大，負載的阻力矩增大；油門開度減少，動力矩減小，負載的阻力矩減小。由此來實現有功功率的調節。

本設計選用2301E數字式速度調節器來實現柴油發電機的速度控制和有功功率均衡分配。2301E數字式速度調節器基于32位高性能微處理器設計，可以通過串口與PC機通訊來完成各種參數設置和調整，還能為柴油機提供完整的控制功能，其包括啟動、怠速、額定速度等狀態的控制和各速度間的穩定過渡控制。在多臺柴油發電機組并列運行情況下，能夠精確地控制發電機組有功輸出，滿足調速系統對有功均衡分配的要求。

圖3 2301E速度調節器調速原理圖

調速系統主要由電子調速器單元、轉速檢測單元和執行機構組成。如圖3所示為2301E速度調節器組成的調速系統。轉速檢測單元主要由轉速電磁傳感器和飛輪齒圈組成，電磁傳感器安裝在飛輪殼上，柴油機轉動時，飛輪齒圈隨之轉動，傳感器與齒輪的間隙發生變化，從而傳感器磁路中磁通量發生變化，產生類似正弦波信號。該信號經轉換器轉換成數字信號，與給定轉速進行比較，產生的差值經過一個PID控制環節被送往引擎執行器，從而控制柴油機油門增大或減小，使柴油機轉速與給定轉速相等。當發電機并網運行時，此時轉速給定變為負荷百分比給定，即發電機輸出功率占負荷總功率的百分比，其差值經過PID控制環節輸出給執行器，通過調節柴油機的有功出力，而使發電機輸出設定的有功功率。

1.4 控制器

控制器主要用來協調調壓系統和調速系統的工作，根據測量機構采集的電壓、電流信號，實時監測發電機組的運行狀況。當負載發生波動時，對調壓器和調速器進行相應的調整，使發電機組處于最佳的運行狀態。

為協調DECS＿100和2301E對柴油發電機組的控制，使發電機組發揮最優的性能，選用easY－gen－3200綜合控制模塊作為DECS＿100和2301E的上位控制器。圖1所示給出了它們之間的連接關系。easYgen－3200綜合控制模塊以強大的微處理器為基礎，集成了對發電機組的引擎、發電機、母線的監控以及保護功能，能夠很好的實現柴油發電機組的并網控制。在滿足控制要求的情況下，因其控制速度快、抗干擾性強、易于維護、使用簡單、針對性強和性價比高等優勢，被廣泛應用于柴油發電機組并網控制。easYgen－3200綜合控制模塊主要功能如下：

（1）有功功率的分配和控制。能夠根據電流和電壓互感器的信號精確計算功率有效值，對并列運行的發電機組進行負荷均衡分配；

（2）無功功率的分配和控制。為電壓調節系統提供電壓偏差信號，對負載無功功率在電網和機組間的百分比額度進行控制；

（3）同期并網。對電壓、頻率和相序進行匹配，以滿足自動并網和人工并網操作。

除以上幾個主要功能，easYgen－3200綜合控制模塊還提供了很多自動控制功能，如機組從啟動經過怠速再到額定速度運行過程的自動控制，其性能能夠滿足本設計對柴油發電機組的控制要求。

2 程序設計

石油鉆采控制系統中，一般選擇技術成熟的PLC作為核心控制器，而柴油發電機組并網控制系統屬于其中的一部分，可以利用PLC與觸摸屏來實時監測發電機組的各種參數。國內知名的石油鉆采系統生產廠家某電氣傳動研究所采用的控制器就是S7－300 PLC，本方案以S7－300 PLC為硬件基礎進行程序設計。

在軟件設計中采用模塊化設計思想，將整個監控系統分解成5個功能塊，把每一個功能做成一個子程序，然后在主程序OB1塊中調用子程序。這5個功能塊分別是數據采集、數據標準化、最大功率比較、超額定功率報警處理和計算視在功率，如圖4所示為OB1主程序塊。下面簡單地介紹其中幾個子程序塊。

圖4 OB1主程序塊

2.1 數據采集子程序設計

柴油發電機組監控系統中，需要將3臺發電機組輸出的三相電流、電壓、無功功率、有功功率、頻率和功率因數等數據顯示在監控畫面上。在數據傳送過程時，STEP7軟件中的I/O存取命令不允許用單字節、單字或雙字命令去存取具有3個或大于4字節的相連續的DP數據區域（模塊）。為了讀取這種封閉結構相連續的數據區域，使用系統功能塊SFC14。

將DP從站采集上來的數據包送到主站，通過調用SFC14“DPRD＿DAT”功能塊將數據解包至數據塊DB10。在主站中將采集的數據通過標準化處理，以滿足觸摸屏的顯示要求。經查easYgen－3200綜合控制器產品說明書可知，采集上來的A、B、C三相電流以及無功和有功功率都需乘以系數0.1，對電壓不做處理，功率因數乘以系數0.001，頻率乘以系數0.01，最后將數據存入數據塊DB100中，數據采集流程圖如圖5所示。

圖5 數據采集流程圖

2.2 功率過限報警子程序設計

在程序中，設置 M30.0、M30.1、M30.2、M30.3四個點，分別作為無功功率高額報警點、無功功率超額報警點、有功功率高額報警點和有功功率超額報警點。當3臺柴油發電機組中的無功功率最大值占相應的額定功率的90%以上時，M30.0置位，觸發無功功率高額報警；當3臺柴油發電機組中的無功功率的最大值占相應的額定功率的95%以上時，M30.1置位，產生無功功率超額報警。有功功率的報警情況設置同無功功率的報警設置，在此不再復述。當出現報警時，需維護人員采取相應的措施，防止設備損壞。

2.3 計算視在功率子程序設計

由于視在功率無法測量，而3臺柴油發電機組的無功功率和有功功率是可以測量的，因此，由已知的無功功率和有功功率可以計算出總的視在功率。

先計算總無功功率Qtotal和總有功功率Ptotal，其中：

式中，Q1、Q2、Q3分別是 3臺柴油發電機組的無功功率；P1、P2、P3分別是3臺柴油發電機組的有功功率。再計算總無功功率的平方Qsq和總有功功率的平方Psq如下式所示：

根據上述數據，可以計算出總視在功率的平方Wsq：

然后，再對總視在功率的平方Wsq開方，就可得到總視在功率Wtotal：

最后將總視在功率Wsq輸出顯示在畫面中。

2.4 人機界面設計

為了便于和S7－300 PLC通訊，本方案采用WinCC flexible軟件來設計組態畫面。發電機組數據通過Profibus－DP總線傳輸至PLC，經PLC處理后存放在DB100數據塊中，監控系統只需從數據塊中讀取所需的數據即可顯示。如圖6所示為柴油發電機組監控系統畫面，圖中模擬兩臺發電機組并網運行，且觸發了無功功率和有功功率超額報警。

圖6 柴油發電機組監控系統畫面

柴油發電機組監控系統提供了友好的人機界面，可以通過文字、圖像、動畫等效果形象地表示控制系統的工作狀況和被控參數，同時由于其強大的數據統計功能，為操作人員提供了極大的方便。

3 通訊的實現

easYgen－3200綜合控制模塊帶有 CAN＃1、CAN ＃2、RS 232和RS 485總線通信接口。easYgen－3200綜合控制模塊上的CAN＃1接口最多能實現32臺綜合控制模塊互連，從而對發電機組進行負荷分配；CAN＃2為擴展卡件接口，本設計中無需對綜合模塊進行功能擴展；RS 232是與計算機通訊的接口，計算機通過RS 232接口能對綜合控制模塊進行參數設定；RS 485接口能實現綜合控制模塊與PLC通訊，發電機組的運行數據經RS 485總線送往PLC進行處理。

圖7所示為easYgen－3200綜合控制模塊與PLC通訊原理圖。3臺發電機組的綜合控制模塊經CAN＃1口通訊，實現負荷均衡分配。PB－B－Modbus總線橋為Modbus協議設備（3臺綜合控制模塊）連接到Profibus總線網絡提供解決方案。可實現Modbus協議232/485設備接入Profibus總線網絡（S7－300 PLC）的異構網絡需求。PB－B－Modbus總線橋帶有雙重性質，它既作為Modbus的主站，又作為Profibus的從站，由此實現3臺easYgen－3200綜合控制模塊與PLC通訊。

圖7 easYgen－3200綜合控制模塊與PLC通訊原理圖

4 結束語

DECS＿100數字電壓調節器能夠準確控制柴油發電機單機運行的輸出電壓和并網時的無功功率，2301E速度調節器能夠精確控制發電機單機運行的頻率和并網時的有功功率。easYgen－3200綜合控制模塊可以控制DECS＿100數字電壓調節器和2301E速度調節器協調工作，檢測電壓、頻率和相序是否滿足并網條件，同時對3臺柴油發電機組進行負荷均衡分配。PLC采集發電機組并網運行的各種參數，經過數據處理后顯示在人機畫面上。由上述幾部分，構成了一個完整的柴油發電機組并網控制系統。該控制系統實現了對柴油發電機從啟動、運行、停止整個過程控制，以及對機組運行狀況的實時監控。