柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)并聯(lián)機(jī)組設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

汪欣勇

(大慶油田鉆探工程公司機(jī)械修理廠， 黑龍江 大慶 163413)

0 引 言

柴油發(fā)電機(jī)作為后備電源廣泛應(yīng)用于眾多重要負(fù)荷中，為其提供不間斷供電，保證供電的穩(wěn)定性和可靠性。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制的智能化水平不斷提高，從簡(jiǎn)單的人工單機(jī)啟停控制轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的多機(jī)自動(dòng)協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化時(shí)機(jī)組數(shù)量的自動(dòng)切換、機(jī)組并聯(lián)時(shí)最優(yōu)功率的自動(dòng)分配，提高了柴油發(fā)電機(jī)供電的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性[1]。

為滿足大功率負(fù)荷供電可靠性，常需多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，并保持一定冗余配置，超過(guò)90%單機(jī)額定功率時(shí)需啟動(dòng)2臺(tái)機(jī)組，超過(guò)180%時(shí)需啟動(dòng)3臺(tái)機(jī)組。基于此，該文對(duì)柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)并聯(lián)機(jī)組展開(kāi)設(shè)計(jì)，當(dāng)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)并網(wǎng)、并機(jī)以及解列等操作時(shí)，保證電壓、轉(zhuǎn)速、頻率等條件與主網(wǎng)同步。

1 柴油發(fā)電機(jī)有差特性模型

為保證穩(wěn)定性，并機(jī)機(jī)組盡量采用性能、型號(hào)一致的，通過(guò)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)本體、油門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)速傳感器以及油與熱力等4個(gè)環(huán)節(jié)分別建立數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)組仿真模型的整體建立。

1.1 本體模型建立

根據(jù)達(dá)蘭貝爾原理，可得柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程

(1)

式中：J為驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω為角速度；Td、T1分別為主軸力矩和負(fù)載力矩。

當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)有

(2)

式中：ΔTd、ΔT1為相應(yīng)力矩增量，當(dāng)Td0=Tl0時(shí)，機(jī)組為平衡狀態(tài)。

柴油發(fā)電機(jī)主軸力矩與其轉(zhuǎn)動(dòng)加速度ω和執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)角α有關(guān)

Td=f(ω,α)

(3)

將主軸力矩按照泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行線性化展開(kāi)(忽略高階項(xiàng))，則

(4)

(5)

發(fā)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩可由功率P和轉(zhuǎn)速ω計(jì)算可知：

T1=f(P,ω)

(6)

按照泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，則負(fù)載力矩與功率和角速度關(guān)系分別為

(7)

(8)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；ΔTe為電磁轉(zhuǎn)矩變化量。

(9)

當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)速隨之發(fā)生變化，發(fā)電機(jī)功角變?yōu)?/p>

δ=δ0+Δδ

(10)

式中：δ0為額定功角；Δδ為功角變化量。

由上可知，電磁轉(zhuǎn)矩Te為

(11)

不計(jì)空載損耗，則：

(12)

當(dāng)轉(zhuǎn)速變化小狀況，角速度變化率和功角變化率近似為正比，則

(13)

(14)

式中：P0為額定電磁功率。

其標(biāo)幺值方程為

(15)

轉(zhuǎn)化為傳遞函數(shù)形式為

(16)

1.2 燃油及熱力模型

柴油發(fā)電機(jī)主軸力矩和油門(mén)開(kāi)合度有關(guān)，可用一個(gè)帶延時(shí)滯后環(huán)節(jié)的一階傳遞按函數(shù)標(biāo)識(shí)[2]，即

(17)

式中：K1為比例系數(shù);t1為時(shí)間常數(shù)，均與柴油機(jī)本身有關(guān)。

油門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過(guò)調(diào)速器信號(hào)控制油門(mén)開(kāi)合度的，其等效傳遞函數(shù)為

(18)

式中：A(s)為調(diào)速器信號(hào)；α(s)為油門(mén)機(jī)構(gòu)開(kāi)合度；K2為該環(huán)節(jié)比例系數(shù)；t2為時(shí)間常數(shù)。

1.3 轉(zhuǎn)速傳感器模型

柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)齒輪與極靴的間隙發(fā)生變化，從而引起傳感器磁阻發(fā)生周期性變化。通過(guò)測(cè)量信號(hào)頻率即可得到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，輸出信號(hào)受到柴油發(fā)電機(jī)自身結(jié)構(gòu)和傳感器性能限制，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)輸出延時(shí)和一個(gè)調(diào)速器輸出延時(shí)，則其傳遞函數(shù)可由一個(gè)二階振蕩函數(shù)表示。

(19)

式中：n(s)為轉(zhuǎn)速信號(hào)；K3為該環(huán)節(jié)比例系數(shù)；t3為時(shí)間常數(shù)。

綜上所述，柴油發(fā)電機(jī)無(wú)差調(diào)速模型可表示為圖1。

為滿足柴油發(fā)電機(jī)并車(chē)、并網(wǎng)等操作，其調(diào)速特性應(yīng)為有差特性，且轉(zhuǎn)速與負(fù)載成線性變化，由圖1可知有差調(diào)速模型為圖2。

圖1 無(wú)差調(diào)速模型方框圖Fig.1 Block diagram of error free speed regulation model

圖2 有差調(diào)速模型方框圖Fig.2 Block diagram of differential speed regulation model

2 相復(fù)勵(lì)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁主要原理是相復(fù)勵(lì)和自動(dòng)調(diào)壓組成，按照相復(fù)勵(lì)策略通過(guò)負(fù)載電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)壓，具有良好的動(dòng)態(tài)性能[3]，主要由同步發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)、受控整流器、相復(fù)勵(lì)裝置和自動(dòng)調(diào)壓器組成，其整體仿真模型如圖3所示。

圖3 相復(fù)勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)仿真模型圖Fig.3 simulation model diagram of phase compound excitation system

如圖3可知，模型包括6個(gè)輸入量，tr1、tr2和tr3為低通濾波器時(shí)間常數(shù)，kα和kf分別比勵(lì)磁機(jī)放大倍數(shù)和反饋?zhàn)枘岱糯蟊稊?shù)，ta、te分別為調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)和勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù)，tb、tc分別為滯后和超前補(bǔ)償系數(shù)，tf為反饋?zhàn)枘釙r(shí)間常數(shù)。文中設(shè)系統(tǒng)接地電壓為0，則反饋電壓為

(20)

自動(dòng)調(diào)壓器的輸入為給定電壓和反饋電壓之差，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器、比例放大和反饋校正得到輸出電壓信號(hào)。

3 基于模糊PID控制的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)多輸入調(diào)速器模型

負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化率可以反映負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化，能夠提前反映加載或減載情況，當(dāng)加載時(shí)，轉(zhuǎn)矩變化率增大，轉(zhuǎn)速減小，調(diào)節(jié)信號(hào)增大，為保證轉(zhuǎn)速恒定需要調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，減載情況相同，轉(zhuǎn)矩變化率能夠減少轉(zhuǎn)速恢復(fù)時(shí)間，降低恢復(fù)擾動(dòng)。

由于轉(zhuǎn)速機(jī)械慣性作用，對(duì)負(fù)載波動(dòng)的反映明顯滯后于電壓偏差和功率因數(shù)，其變化規(guī)律與有功功率變化相同，與轉(zhuǎn)速規(guī)律相反，為確保柴油機(jī)輸出功率實(shí)時(shí)適應(yīng)負(fù)載變化和波動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，采用多輸入調(diào)節(jié)方式，以轉(zhuǎn)矩變化率、電壓和功率因數(shù)為輸入量實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 多輸入控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Multi input control system structure

如圖4所示，PID模糊自整定是以轉(zhuǎn)速差e和轉(zhuǎn)速變化率de/dt輸入量，PID參數(shù)變化量作為輸出量，根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)和模糊控制原理找出ΔKP、ΔKI、ΔKD與e、de/dt的模糊關(guān)系，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)整定，以滿足調(diào)速控制的動(dòng)態(tài)要求[4]。

功率因數(shù)變化是0到1，其基本論域?yàn)閇0,1]，模糊集為{Z ,VVS,VS,S,L,VL,VVL}；電壓偏差標(biāo)幺值基本論域[-1,1]，模糊集為{NL,NM,NS,Z,PS,PM,PL}，正半軸表示小于基準(zhǔn)電壓，負(fù)半軸表示大于基準(zhǔn)電壓，功率因數(shù)和電壓偏差標(biāo)幺值過(guò)大或過(guò)小均設(shè)為1。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程度為電壓和功率輸出信號(hào)，基本論域?yàn)閇-6, 6]，隸屬度為1，隸屬函數(shù)為三角隸屬函數(shù)，如圖5所示。

圖5 隸屬函數(shù) Fig.5 Membership function

電壓偏差和功率因數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則Table 1 fuzzy control rules

4 雙機(jī)并聯(lián)自動(dòng)控制

柴油發(fā)電機(jī)采用前文模型，以2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行為例，其結(jié)構(gòu)如圖6所示，通過(guò)測(cè)量電網(wǎng)和柴油機(jī)功率、電壓以及電流等參數(shù)實(shí)時(shí)判斷運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)相應(yīng)情況完成并機(jī)、并網(wǎng)、功率分配以及解列等自動(dòng)控制。同時(shí)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)與其它柴油發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，向上位機(jī)報(bào)告柴油發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)狀態(tài)，一般情況下柴油發(fā)電機(jī)由控制器控制，特殊情況可由上位機(jī)直接控制柴油機(jī)。

圖6 雙機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Double machine parallel structure diagram

柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，時(shí)刻處于準(zhǔn)備啟動(dòng)狀態(tài)，電網(wǎng)供電正常是柴油機(jī)控制器不發(fā)布操作指令，電網(wǎng)斷電時(shí)，控制器發(fā)布相應(yīng)指令(如表2所示)，迅速切換為柴油發(fā)電機(jī)供電。電網(wǎng)正常帶載時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)控制器監(jiān)測(cè)電網(wǎng)狀態(tài)，斷電后發(fā)出柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)信號(hào)Backup。剛檢測(cè)到電網(wǎng)恢復(fù)供電，需要檢測(cè)電網(wǎng)電壓是否穩(wěn)定，穩(wěn)定后發(fā)出電網(wǎng)恢復(fù)供電信號(hào)Power On。避免柴油發(fā)電機(jī)由于電網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)錯(cuò)誤導(dǎo)致頻繁起停。

表2 控制器參數(shù)及操作指令Table 2 Controller parameters and operation instructions

4.1 啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)

柴油發(fā)電機(jī)組接收到啟動(dòng)信號(hào)Backup，判斷柴油發(fā)電機(jī)是否達(dá)到啟動(dòng)要求；接收到柴油發(fā)電機(jī)處于初始狀態(tài)并可啟動(dòng)的信號(hào)Zero[Fault==0]，斷開(kāi)電網(wǎng)與負(fù)載之間的斷路器，自啟柴油發(fā)電機(jī)，根據(jù)斷電前的負(fù)荷功率判斷啟動(dòng)數(shù)量，小于單機(jī)額定功率90%時(shí)啟動(dòng)1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)。為保證突然加載穩(wěn)定，令轉(zhuǎn)速n為0.65，使柴油發(fā)電機(jī)出入怠速穩(wěn)定狀態(tài)，同步發(fā)電機(jī)建立電壓，令勵(lì)磁If為1，使其達(dá)到怠速穩(wěn)壓狀態(tài)，提高轉(zhuǎn)速至額定，柴油發(fā)電機(jī)達(dá)到正常運(yùn)行狀態(tài)。若第1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)連續(xù)2次無(wú)法啟動(dòng)，則啟動(dòng)第2臺(tái)發(fā)電機(jī)；若將啟動(dòng)中檢測(cè)到來(lái)電信號(hào)，則停止啟動(dòng)，各參數(shù)恢復(fù)到初始狀態(tài)。啟動(dòng)圖如8所示。

圖7 自啟動(dòng)模塊圖Fig.7 The module diagram of self-starting

負(fù)載功率達(dá)到90%～180%時(shí)，控制器發(fā)出DC信號(hào)，當(dāng)2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)相序、電壓、頻率均滿足要求后，可完成并車(chē)操作，當(dāng)負(fù)載功率超過(guò)180%，不啟動(dòng)任何柴油機(jī)。

4.2 機(jī)組功率分配

并車(chē)信號(hào)發(fā)出后，柴油發(fā)電機(jī)控制器發(fā)出并行運(yùn)行信號(hào)Start=1，確定柴油發(fā)電機(jī)母線上柴油發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)。柴油發(fā)電機(jī)先保持并車(chē)前狀態(tài)不變；接收到負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行信號(hào)Stable，檢測(cè)各個(gè)柴油發(fā)電機(jī)的功率，并計(jì)算單臺(tái)發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的有功功率比例與由所有發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的總有功功率比例之比表示的值sP為

(21)

柴油發(fā)電機(jī)并機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后功率需要重新分配，使每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)的負(fù)荷大小盡可能一致，減少功率分配不平均程度。當(dāng)雙車(chē)并聯(lián)后，由于負(fù)載不平衡使機(jī)組穩(wěn)定性變差，需要進(jìn)行功率平均分配。在有差調(diào)速柴油發(fā)電機(jī)中，由機(jī)組的有功功率-轉(zhuǎn)速特性曲線可得，柴油發(fā)電機(jī)組的有功功率隨著轉(zhuǎn)速的變化而改變[5]，則轉(zhuǎn)速變化率為

(22)

式中：Δn為速度變化百分率；ΔP為功率輸出變化百分率。

為實(shí)現(xiàn)功率平衡，需對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)ndec=R·sP時(shí)可實(shí)現(xiàn)功率平均分配(sP為應(yīng)承擔(dān)與實(shí)際承擔(dān)功率比例差)，輸出有功功率大的柴油發(fā)電機(jī)減少有功輸出，輸出有功功率小的柴油發(fā)電機(jī)增加有功輸出，功率平均分配圖如9所示。

圖9 功率平均分配模塊圖Fig.9 The module diagram of power average distribution

4.3 解列、停機(jī)

若電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，D2柴油發(fā)電機(jī)所帶單機(jī)額定負(fù)荷小于90%時(shí)，需要進(jìn)行解列停機(jī)。進(jìn)入解列停機(jī)狀態(tài)后，根據(jù)轉(zhuǎn)速—功率曲線，使柴油發(fā)電機(jī)的有功負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移至電網(wǎng)上，當(dāng)有功功率和無(wú)功功率轉(zhuǎn)移完成，接收到柴油發(fā)電機(jī)Power Zero信號(hào)，斷開(kāi)柴油發(fā)電機(jī)與柴油發(fā)電機(jī)母線之間的斷路器，發(fā)出解除信號(hào)，柴油發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和機(jī)端電壓均將為0，柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)入怠速狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)速降為0時(shí)，使其停機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)，等待下次啟動(dòng)。解列停機(jī)狀態(tài)圖如圖10所示。

圖10 解列、停機(jī)模塊圖Fig.10 The module diagram of splitting and shutdown

5 自動(dòng)并車(chē)控制系統(tǒng)及仿真分析

5.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)并機(jī)柜是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動(dòng)并車(chē)技術(shù)的核心，主要由主控制單元、調(diào)壓?jiǎn)卧⒄{(diào)速單元、保護(hù)單元，通訊單元和人機(jī)接口部分組成。主控制模塊采用捷克科邁IG - CU+PLSM+AVRi +COM模塊組件，其IG-PLSM的連線圖，如圖11所示。負(fù)載分配平衡線(LSM)與下一機(jī)組的LSM相連，實(shí)現(xiàn)負(fù)載分配；GND、VoutR、Vout與轉(zhuǎn)速控制器相連，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制；AVRi端子與AVRi電壓調(diào)節(jié)器相連，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。

圖11 IG-PLSM 的連線圖Fig.11 Wiring diagram of IG-PLSM

電壓控制回路線路連接圖如圖12所示。AVRi電壓調(diào)節(jié)器電源由AVR TRANS提供，IG-PLSM的AVRi電壓輸出端與AVRi電壓調(diào)節(jié)器的輸入相連。通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，輸入AVRi通過(guò)此口對(duì)電壓進(jìn)行微調(diào)，AVRi輸出電壓信號(hào)。

圖12 電壓控制回路Fig.12 The loop of voltage control

速度控制回路傳感器連線圖如圖13所示。輸入電壓信號(hào)，將控制柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速與IG-PCLSM模塊調(diào)速輸出連接。

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

5.2 仿真分析

整個(gè)仿真過(guò)程30 s，設(shè)斷電前系統(tǒng)負(fù)載為500 kW，無(wú)功為200 kvar，電網(wǎng)在1 s時(shí)斷電，柴油發(fā)電機(jī)D1，在1.93 s啟動(dòng)，3.92 s并機(jī)，單獨(dú)向負(fù)荷供電，經(jīng)過(guò)負(fù)荷短時(shí)振蕩，4.48 s趨于穩(wěn)定；當(dāng)D1承擔(dān)負(fù)載功率大于單機(jī)有功功率90%時(shí)，柴油發(fā)電機(jī)D2在4.8 s啟動(dòng)，8.2 s并機(jī)，19 s柴油發(fā)電機(jī)功率分配達(dá)到穩(wěn)定平衡，22 s電網(wǎng)恢復(fù)供電，2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)調(diào)整狀態(tài)，23.8 s反并網(wǎng)成功，24.2 s 2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)所帶負(fù)荷全部轉(zhuǎn)移到電網(wǎng)上，26.35 s機(jī)端電壓降為0，柴油發(fā)電機(jī)組為怠速狀態(tài)，26.63 s柴油發(fā)電機(jī)完全停機(jī)，28.47 s柴油發(fā)電機(jī)停機(jī)成功，等待下次起動(dòng)。柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖14所示，機(jī)組與電網(wǎng)有功功率、無(wú)功功率變化曲線如圖15所示。

圖14 柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線Fig.14 The speed curve of diesel generator

圖15 有功、無(wú)功曲線Fig.15 The curve of active power and reactive power

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)推導(dǎo)柴油發(fā)電機(jī)各環(huán)節(jié)函數(shù)建立柴油發(fā)電機(jī)有差特性模型，使其能夠滿足仿真相關(guān)要求。應(yīng)用模糊PID控制建立柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩變化率、電壓和功率因數(shù)的多輸入調(diào)速器模型，提高了柴油發(fā)電機(jī)對(duì)負(fù)載變化適應(yīng)性。通過(guò)仿真分析可知，該文設(shè)計(jì)的柴油發(fā)電機(jī)自動(dòng)并聯(lián)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)斷電時(shí)的啟動(dòng)、并機(jī)、功率分配；隨著負(fù)載功率增大，啟動(dòng)備用柴油發(fā)電機(jī)， 實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)反并網(wǎng)、軟解列、監(jiān)視電網(wǎng)及其他柴油發(fā)電機(jī)狀態(tài)等功能。