基于孤島電站多機組并列運行的控制策略

楊紅波，徐衛忠，李東超

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

孤島電站單機組運行時，對于外部的負載波動，通常采用自身調節模式。然而，當多機組并列運行時，由于各個機組的性能不同且無統一的分配機制，會造成負荷分配不均衡的問題；當外部負載擾動較大時，甚至會導致個別機組保護跳機。為此，需引入控制系統來對各機組負荷進行分配管理，以達到使孤島電站平穩運行的目的。

本文的討論是基于某礦山重油電站項目，該 項目共4 臺機組，采用孤島電網運行模式，為礦山皮帶機及港口碼頭等設施供電。文中對柴油發電機組的性能進行介紹，并對孤島電站的硬件和軟件進行針對性設計，用以解決多機組并列運行所產生的問題。

1 柴油發電機組調速調壓系統

柴油發電機組的調速調壓系統是孤島電站的核心系統，是由電力系統供電質量的評價標準（供 電頻率、供電電壓）決定的，其中供電頻率由調速系統決定，供電電壓由勵磁調壓系統決定。

1.1 調速系統

柴油發動機調速系統的作用是維持柴油發動機轉速的恒定，從而使輸出頻率穩定。柴油機組如果沒有調速系統，會導致以下結果：當負載減小時，轉速升高，循環供油量增大，致使柴油機超過額定轉速造成飛車；當負載增加時，轉速降低，循環供油量減少，導致柴油機帶不動負載而熄火[2]。

柴油發電機組轉速調節過程如下：

1）當負荷增加時，阻力矩隨之增大，導致轉速降低，調速系統控制油門開度變大增加供油量，提高輸出轉速，實現減速增油調節動作；

2）當負荷減小時，阻力矩相應減小，輸出轉速升高，此時調速系統控制油門開度變小進而減少供油量，實現增速減油調節動作。

根據達朗貝爾原理，柴油機發電機組動態方程為

式中：M0為柴油機輸出扭矩，N·m；Mr為發電機阻扭矩，N·m；ML為負載扭矩，N·m。

由此可知，扭矩是引起轉速波動的原因。發電機阻扭矩為定值，而負載扭矩將隨著外圍負載的波動而變化，這是造成轉速波動的主要原因。

控制器的性能決定了調速的性能，控制器輸入為設定轉速和實際轉速的偏差信號，輸出為控制執行器的電信號，控制器的模型為

控制執行器一般為小功率的直流伺服電機，電機將輸入電信號轉化為電機輸出扭矩，執行器模型為

式中：K1為增益系數；T1為執行器的時間常數[3]。

調速系統結構圖如圖1 所示。

圖1 調速系統結構圖

1.2 勵磁調壓系統

勵磁控制系統的主要作用即利用對發電機勵磁繞組的直流電流進行調整，實現對發電機機端電壓恒定的有效控制，在發電機正常運行過程中，對發電機組的無功功率進行合理分配控制[1]。因此，勵磁控制系統運行的狀態，嚴重影響著柴油發電機的供電質量和運行穩定性，其主要作用包含以下2 個方面：

1）在發電機的運行過程中，如果發電機的負荷產生波動變化，導致發電機的機端電壓隨著變化，則借助勵磁控制系統對勵磁電流的增加或減小，以調節發電機的機端電壓穩定至給定水平。

2）通過勵磁控制系統，可以改善發電機運行過程中的功率特性，提高功率極限；當電力系統中出現故障時，還可以應通過對電流等參量的控制，保障發電機電力系統的穩定性。

本項目同步發電機勵磁系統采用自勵方式，不設專門的勵磁機，而從發電機本身取得勵磁電源，經整流后再供給發電機本身勵磁。

勵磁調壓系統結構圖如圖2 所示。

圖2 勵磁調壓系統結構圖

2 多機組并列運行時產生的問題

單機組運行時，自身能夠進行電壓（無功功率）調節和轉速（有功功率）調節，但是在孤島電站多機組并聯運行時，會出現有功無功分配不均及外部大負載啟動時頻繁跳機的問題。

1）機組有功功率分配失衡

在機組運行后，由于無分配機制，有些機組運行負荷大，有些機組運行負荷小，且無規律性；當分批帶載時，前面并行機組帶載負荷大，后面并列機組帶載負荷小，不能使各機組運行在最佳油耗區。

2）機組無功功率分配失衡

由于是孤島運行，不能采取恒功率因數模式，只能采用恒無功模式以保持孤島電站電壓恒定，這就導致不同機組無功功率無法平衡分配及控制，一些機組無功功率較大，一些機組無功功率較小，甚至某些機組會從孤島電站電網吸收無功，不能使各機組運行在發電機出廠0.8 功率因數附近的范圍內，對發電機長期運行的工況不利[4]。

3）機組在外部大負載啟動時頻繁跳機

由于各機組獨立運行，由于沒有協調控制機制，有的機組運行負荷較大，有的機組運行負荷較小；在外部大容量變壓器上電及外部大負載啟動時，運行負荷大的機組由于剩余功率不足，無法滿足負載大電流啟動的要求而導致停機；運行負荷小的機組由于其余機組停機而自身無法承擔外部負載，也會導致停機，最終將造成孤島電站所有機組停機。

3 多機組并列運行控制策略

3.1 控制要求

孤島電站的控制策略需要對一系列設備整體特性和限值條件等因素進行綜合考慮，其中包括柴油機特性、發電機特性、負載特性等，在考慮到上述所有特性和限制條件的情況下，進行控制策略的優化。靜態時，需要考慮的因素相對簡單；動態時，控制策略的重要性更能體現出來，這其中涉及到柴油機負載加載率的限制、可用功率的限制、負載對電站電壓和頻率的影響等[5]。

3.2 發電機組的控制

孤島電站電力供應大多來自于發電機組，其驅動動力的來源主要來自燃油，通過柴油機將熱能轉化為機械能。然而，柴油機工作效率受到負荷的影響較大，在低負荷區域會導致工作效率急劇下降，一般通過設定柴油機最佳工作區域進行控制（通過燃油調節閥實現），并通過增減發電機組來保證電力供應的需求。

3.3 防失電的控制

防失電控制是以電力系統中出現發電機跳閘為考慮對象，兼顧孤網電壓和頻率規范要求的情況下，以防止孤網失電為控制目標。基本的要求可以描述為：在發生機組故障引起發電機跳閘的情況下，剩余在網發電機組依然能保證電站電力供應而不會引起跳閘。

3.4 負載擾動的控制

為了減少外部負載擾動引起的柴油機過度應力和頻率波動，需要內部設置有負載分配及重載問詢功能。如果沒有負載分配及重載問詢，外部負載波動時將會使孤網的某些機組產生較大的突加突減擾動，嚴重時可能會導致孤網系統失電。

3.5 系統配置

本項目硬件系統配置見圖3。

該系統主要包括：

1）西門子PLC S7-1500 模塊。

2）同步表、手動按鈕、指示燈，用于實現手動同期及手動調壓、調速功能。

3）西門子觸摸屏。

4）機組控制器：DGC-2020HD，該控制器屬于自適應控制器，主要用于負載分配，具有機組控制、測量的基本功能，通過以太網分配有功負載和無功負載。

PLC 模塊和觸摸屏，主要用以采集和顯示機組各項參數信息，實現遠程遙控、遙測、遙調、遙信功能，并具備自動、手動并車控制功能，各機組控制器間通過以太網進行通信。

圖3 系統配置模型

4 系統控制策略

根據電站自身的特點，需要根據柴油機特性、配電系統特性、外部負載特性編制PLC 系統控制邏輯，調壓、調速功能根據DGC-2020HD 控制器自動脈沖指令及手動調速、調壓指令來實現，分配指令分別下達給各運行機組，達到協調控制的目的，其邏輯原理圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 調壓控制邏輯

在自動模式下，控制系統根據負載功率狀態進行在網機組的啟停、自動并車、自動調載調壓以及解列功能。啟動同期命令后，DGC-2020HD自動發出調壓、調速信號，檢測到電壓、頻率、 相角達到同步狀態，自動發出合閘信號，控制斷路器合閘并網。自動發出調壓、調速信號，檢測到電壓、頻率、相角達到同步狀態，自動發出合閘信號，控制斷路器合閘并網。一旦來自電源的輸入功率未達到預置水平，啟動模式為組啟動，發電機自動啟動拾取負載，隨著系統負載變化實現附加發電機并機或停機。一旦從電源輸入的功率達到預置水平，則啟動模式為單發電機組啟動，由單臺發電機自動啟動承擔負載。在多臺機組并列運行時，根據預先設置平衡分配各機組出力，使得孤島電站有功和無功與實際外部需求相匹配。

圖5 調速控制邏輯

手動模式下，通過選擇開關及按鈕手動進行調速、調壓、同步并車及解列功能。通過屏前就地操作調壓、調速開關調整發電機運行狀態進行準同期并網。手動準同期為自動準同期并網的備用并網方式；當自動準同期裝置發生故障時，可通過手動準同期單元調節操作發電機組準同期合閘并網。

對于皮帶機等大負荷設備，為了防止系統過載，需設置功率限制功能；在其運行過程中，負荷增加達到供電系統設定限值時，對其進行功率限制，使其功率不超過運行機組的允許值。由于小功率設備的功率變化迅速，在正常情況下，小功率設備啟動不會導致發電機組過載；但是當重載直接啟動時，啟動電流很大，會引起電網電壓降落、瞬時過載等問題，可采取設置重載啟動詢問功能的措施加以解決。重載啟動詢問功能是對大負荷設備的啟動實行啟動詢問，當功率條件滿足時立即啟動，若功率條件不滿足，則啟動備用機組投入，待條件滿足后再啟動，以避免已運行發電機組跳機。

當電站內部出現故障不能保證正常電力輸出時，需編寫分級卸載保護功能，對優先級低的重載快速脫扣，也可進行多次卸載設置，以適應不同程度的過載條件，保證對重要負載的連續供電。

5 結論

本文提出的控制策略用于解決孤島電站多機組并列運行時出現的問題，通過實踐驗證，該控制系統能夠穩定電站供電電壓、優化燃油消耗，同時能夠實現系統電站能量供需的平衡；當電力系統發生嚴重的功率缺額時，能夠開啟系統備用發電機組；當外部負載產生擾動時，通過PLC 的平衡分配程序模塊使各機組迅速達到新的運行平衡狀態；當電站系統內部發生故障時，減去不重要負載，保全重要負載供電的連續性。通過該控制策略，孤島電站的性能得到很大程度的優化，解決了多機組并列運行有功無功分配不均及外部大負載啟動時頻繁跳機的問題，對類似問題的處理具有較強的借鑒意義。