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)
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,從簡單的人工單機(jī)啟??刂妻D(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的多機(jī)自動協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)負(fù)荷變化時(shí)機(jī)組數(shù)量的自動切換、機(jī)組并聯(lián)時(shí)最優(yōu)功率的自動分配,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,常需多臺柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,并保持一定冗余配置,超過90%單機(jī)額定功率時(shí)需啟動2臺機(jī)組,超過180%時(shí)需啟動3臺機(jī)組?;诖?,該文對柴油發(fā)電機(jī)自動并聯(lián)機(jī)組展開設(shè)計(jì),當(dāng)機(jī)組進(jìn)行自動并網(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。
為保證穩(wěn)定性,并機(jī)機(jī)組盡量采用性能、型號一致的,通過對柴油發(fā)電機(jī)本體、油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)速傳感器以及油與熱力等4個環(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。
根據(jù)達(dá)蘭貝爾原理,可得柴油機(jī)的轉(zhuǎn)動方程
(1)
式中:J為驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動慣量;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數(shù)進(jìn)行線性化展開(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)
按照泰勒級數(shù)展開,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)
柴油發(fā)電機(jī)主軸力矩和油門開合度有關(guān),可用一個帶延時(shí)滯后環(huán)節(jié)的一階傳遞按函數(shù)標(biāo)識[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)。
油門執(zhí)行機(jī)構(gòu)是通過調(diào)速器信號控制油門開合度的,其等效傳遞函數(shù)為
(18)
式中:A(s)為調(diào)速器信號;α(s)為油門機(jī)構(gòu)開合度;K2為該環(huán)節(jié)比例系數(shù);t2為時(shí)間常數(shù)。
柴油機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí),信號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。通過測量信號頻率即可得到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速,輸出信號受到柴油發(fā)電機(jī)自身結(jié)構(gòu)和傳感器性能限制,會產(chǎn)生一個齒輪轉(zhuǎn)動輸出延時(shí)和一個調(diào)速器輸出延時(shí),則其傳遞函數(shù)可由一個二階振蕩函數(shù)表示。
(19)
式中:n(s)為轉(zhuǎn)速信號;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)無差調(diào)速模型可表示為圖1。
為滿足柴油發(fā)電機(jī)并車、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
相復(fù)勵勵磁主要原理是相復(fù)勵和自動調(diào)壓組成,按照相復(fù)勵策略通過負(fù)載電流信號進(jìn)行調(diào)壓,具有良好的動態(tài)性能[3],主要由同步發(fā)電機(jī)、勵磁機(jī)、受控整流器、相復(fù)勵裝置和自動調(diào)壓器組成,其整體仿真模型如圖3所示。
圖3 相復(fù)勵勵磁系統(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)
自動調(diào)壓器的輸入為給定電壓和反饋電壓之差,經(jīng)過補(bǔ)償調(diào)節(jié)器、比例放大和反饋校正得到輸出電壓信號。
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。
由于轉(zhuǎn)速機(jī)械慣性作用,對負(fù)載波動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)幺值過大或過小均設(shè)為1。
轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)程度為電壓和功率輸出信號,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
柴油發(fā)電機(jī)采用前文模型,以2臺柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行為例,其結(jié)構(gòu)如圖6所示,通過測量電網(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控制。同時(shí)監(jiān)測電網(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)測電網(wǎng)狀態(tài),斷電后發(fā)出柴油發(fā)電機(jī)啟動信號Backup。剛檢測到電網(wǎng)恢復(fù)供電,需要檢測電網(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Power On。避免柴油發(fā)電機(jī)由于電網(wǎng)狀態(tài)檢測錯誤導(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
柴油發(fā)電機(jī)組接收到啟動信號Backup,判斷柴油發(fā)電機(jī)是否達(dá)到啟動要求;接收到柴油發(fā)電機(jī)處于初始狀態(tài)并可啟動的信號Zero[Fault==0],斷開電網(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)荷功率判斷啟動數(shù)量,小于單機(jī)額定功率90%時(shí)啟動1臺柴油發(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臺柴油發(fā)電機(jī)連續(xù)2次無法啟動,則啟動第2臺發(fā)電機(jī);若將啟動中檢測到來電信號,則停止啟動,各參數(shù)恢復(fù)到初始狀態(tài)。啟動圖如8所示。
圖7 自啟動模塊圖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,當(dāng)2臺柴油發(fā)電機(jī)相序、電壓、頻率均滿足要求后,可完成并車操作,當(dāng)負(fù)載功率超過180%,不啟動任何柴油機(jī)。
并車信號發(fā)出后,柴油發(fā)電機(jī)控制器發(fā)出并行運(yùn)行信號Start=1,確定柴油發(fā)電機(jī)母線上柴油發(fā)電機(jī)的臺數(shù)。柴油發(fā)電機(jī)先保持并車前狀態(tài)不變;接收到負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行信號Stable,檢測各個柴油發(fā)電機(jī)的功率,并計(jì)算單臺發(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
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)有功功率和無功功率轉(zhuǎn)移完成,接收到柴油發(fā)電機(jī)Power Zero信號,斷開柴油發(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,柴油發(fā)電機(jī)勵磁電壓和機(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。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
自動并機(jī)柜是實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)自動并車技術(shù)的核心,主要由主控制單元、調(diào)壓單元、調(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。通過柴油發(fā)電機(jī)的自動電壓調(diào)節(jié)器,輸入AVRi通過此口對電壓進(jìn)行微調(diào),AVRi輸出電壓信號。
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,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
整個仿真過程30 s,設(shè)斷電前系統(tǒng)負(fù)載為500 kW,無功為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,3.92 s并機(jī),單獨(dú)向負(fù)荷供電,經(jīng)過負(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,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。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、無功曲線Fig.15 The curve of active power and reactive power
通過推導(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)對負(fù)載變化適應(yīng)性。通過仿真分析可知,該文設(shè)計(jì)的柴油發(fā)電機(jī)自動并聯(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、并機(jī)、功率分配;隨著負(fù)載功率增大,啟動備用柴油發(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。