左海龍，徐恭德，王 聰，劉 偉，馬法運(yùn)

（1. 中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266031；2.沈陽渾南現(xiàn)代有軌電車運(yùn)營有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和科技水平的日新月異，人們對出行質(zhì)量的要求越來越高，列車負(fù)載容量也隨之增長。雖然電氣化鐵路為人們的出行提供了重要的基礎(chǔ)保障，但是我國地域環(huán)境復(fù)雜，無法短時(shí)間內(nèi)在特殊地域環(huán)境實(shí)現(xiàn)全部電氣化鐵路，部分列車依舊采用加掛發(fā)電車的方式為列車負(fù)載供電。為滿足增加負(fù)載的需求，同時(shí)降低運(yùn)營成本，新型發(fā)電車調(diào)壓和無功功率控制系統(tǒng)的研制具有重要意義[1]。

2 當(dāng)前發(fā)電車運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問題

發(fā)電車是全列負(fù)載的供電源頭，也是全列負(fù)載的配電中心，電壓的穩(wěn)定輸出以及無功功率的合理匹配對于全列負(fù)載的安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。列車負(fù)載總?cè)萘拷咏诎l(fā)電機(jī)組容量，且列車負(fù)載投入切除相對頻繁，存在多車負(fù)載同時(shí)投入或者切除的情況，對列車供電母線電壓沖擊較大，電壓波動明顯。

當(dāng)客車負(fù)載較大時(shí)，為保證供電的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，通常啟用2臺發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行?？蛙嚨拇蠊β守?fù)載為感性負(fù)載，發(fā)電機(jī)組在滿足有功功率的同時(shí)，還要調(diào)整無功功率，以實(shí)現(xiàn)無功功率的合理分配。國內(nèi)現(xiàn)有統(tǒng)型發(fā)電車采用多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的形式，但是自動化程度低，需要工作人員現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行，無法保證電壓和無功功率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，致使發(fā)電機(jī)組功率輸出不均，油耗增大，同時(shí)造成人力資源配置不合理，最終導(dǎo)致運(yùn)營成本增加。

本文在分析發(fā)電機(jī)組電壓控制原理和無功功率分配原理基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)新型發(fā)電車調(diào)壓和無功功率分配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電車電壓和無功功率的手動自動一體化調(diào)節(jié)。

3 系統(tǒng)控制原理分析

同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子為纏繞線圈的導(dǎo)磁材料，線圈中通有電流大小可調(diào)的直流電。發(fā)電機(jī)的定子為三相輸出繞組，原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極旋轉(zhuǎn)，在定子繞組上感生出電壓。根據(jù)安培電路定律，勵(lì)磁電流IL在轉(zhuǎn)子線圈上形成磁動勢F，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流IL的大小可以改變轉(zhuǎn)子磁動勢大小，進(jìn)而改變通過定子繞組磁通的大小。

轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度通過定子繞組磁通量φ按正弦變化，其變化規(guī)律和定子感生電動勢E兩者的關(guān)系如式（1）、式（2）所示：

式（1）、式（2）中，ω為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，rad/s；N為定子繞組匝數(shù)。

由公式（3）可得，定子感生電動勢的有效值E為

由式（2）～式（4）可知，定子感生電動勢的有效值與轉(zhuǎn)子頻率f、定子繞組匝數(shù)N以及定制線圈中的磁通量φm相關(guān)。由于頻率f基本固定，發(fā)電機(jī)定子繞組的匝數(shù)N也固定，所以調(diào)節(jié)φm大小可直接調(diào)節(jié)定子感生電動勢Erms的大小，即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流可控制定子感應(yīng)電動勢的大小。

隱極發(fā)電機(jī)的基本電磁功率Pem為[2]：

負(fù)載的有功功率P為：

式（5）、式（6）中，m為發(fā)電機(jī)的相數(shù)；U為發(fā)電機(jī)電壓，V；Xt為發(fā)電機(jī)的同步電抗，Ω。

發(fā)電機(jī)的基本電磁功率Pem等于負(fù)載有功功率P，即

如圖1所示，在負(fù)載功率一定的條件下，當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，為保證輸出電壓U恒定，存在Esinθ=IcosφXt的恒定關(guān)系。即負(fù)載電流I的末端在L3橫線上左右移動，相應(yīng)地定子感應(yīng)電動勢E的末端在W1縱線上上下移動。由式（2）可知，E的大小可通過控制轉(zhuǎn)子磁通量φ實(shí)現(xiàn)，因此通過控制轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流IL可調(diào)節(jié)定子的輸出電壓。

圖1 同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行相量圖

當(dāng)列車負(fù)載功率變化時(shí)，由于列車負(fù)載為阻感性，負(fù)載電流產(chǎn)生的磁場對電機(jī)氣隙磁場有去磁作用，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的輸出電壓存在波動。負(fù)載增加時(shí)，無調(diào)壓器時(shí)電壓U下降明顯，必須調(diào)整轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流以穩(wěn)住發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

由圖1得，

通過公式（8）獲得發(fā)電機(jī)電壓輸出值為：

式（9）中，功率角θ較小，取cosθ= 1，且Isinφ負(fù)載得無功電流，用IQ表示，因此公式（9）可簡化為

由式（10）可知，當(dāng)無勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，無功電流IQ與發(fā)電機(jī)輸出電壓近似為一次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)有勵(lì)磁調(diào)節(jié)時(shí)，參考圖2分析，改變勵(lì)磁電流可獲得多條同步發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動勢與無功電流的特性曲線（E1，E2，E3，E4），由此可以獲得不同負(fù)載工況下，發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出電壓恒定的無差調(diào)節(jié)特性（Z1紅色線及對應(yīng)的無功電流），或者發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)輸出電壓下降的有差調(diào)節(jié)特性（Z2綠色線及對應(yīng)的無功電流）[3]。

圖2 同步發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整特性曲線

當(dāng)發(fā)電機(jī)組單臺獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行機(jī)組承擔(dān)所有負(fù)載的無功功率，理想工況是發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值不隨負(fù)載的改變而變化，即發(fā)電機(jī)無差調(diào)節(jié)特性，這樣能為列車負(fù)載提供穩(wěn)定的工作電壓。當(dāng)多機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)機(jī)組不僅輸出電壓要求一致，而且還要求實(shí)現(xiàn)滿足無功功率的轉(zhuǎn)移與合理分配。由此根據(jù)圖1分析得：

參考公式（11），可得負(fù)載得無功功率Q為：

由式（12）可知，U、Xt為定值，取cosθ= 1，無功功率Q與感應(yīng)電動勢E保持一次函數(shù)關(guān)系，調(diào)整勵(lì)磁電流IL同樣能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)無功功率的調(diào)節(jié)。當(dāng)2臺機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，對無功功率進(jìn)行轉(zhuǎn)移操作。參考圖3分析，1號機(jī)組為原運(yùn)行機(jī)組，運(yùn)行感應(yīng)電動勢負(fù)載電流為2號機(jī)組為新并網(wǎng)發(fā)電機(jī)，運(yùn)行感應(yīng)電動勢為負(fù)載電流為由式（5）可知，當(dāng)P、U、Xt保持不變時(shí)，Esinθ也保持不變，即發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢末端在H1線上運(yùn)動。由式（7）可知Esinθ=IXtcosφ，即負(fù)載電流的末端在K2線上運(yùn)動。這時(shí)為平均分配無功功率，必須增大2號機(jī)組的勵(lì)磁電流，使末端保持AR1方向運(yùn)動，同時(shí)減小1號發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，使末端保持AR2方向運(yùn)動，最終使各機(jī)組感應(yīng)電動勢調(diào)整后的結(jié)果為使根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行相量關(guān)系，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流時(shí)，的末端保持AR3方向運(yùn)動，的末端保持AR4方向運(yùn)動，最終使各機(jī)組負(fù)載電流調(diào)整后的結(jié)果為保證機(jī)組無功功率的平均分配[4]。

通過對圖3分析可知，調(diào)整勵(lì)磁電流可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間的無功功率轉(zhuǎn)移。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于無法直接測量發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢，所以通常采用測量發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化方式調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。又因?yàn)闊o差調(diào)節(jié)方式無法實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無功功率的合理分配[5]，所以并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組采用有差調(diào)節(jié)方式。

圖3 無功功率轉(zhuǎn)移向量分析圖

對圖2的分析可知，通過對勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，可以獲得不同調(diào)差系數(shù)的電壓調(diào)整曲線，取其中某一條特性曲線分析，調(diào)差系數(shù)Kc為：

式（13）、式（14）中，U0為發(fā)電機(jī)的空載電壓，V；UQf為發(fā)電機(jī)的輸出端電壓，V；UQfe為額定無功功率時(shí)發(fā)電機(jī)電壓，V；IQfl為Ⅰ號發(fā)電機(jī)實(shí)際無功電流，A；IQfel為Ⅰ號機(jī)組的額定無功電流，A；

同時(shí)，根據(jù)調(diào)差系數(shù)的定義，Kc為[6]：

結(jié)合式（13）～式（15）可得發(fā)電機(jī)輸出端電壓與無功電流關(guān)系為：

式（16）中，U0和IQfel為發(fā)電機(jī)自身屬性，Kc為通過調(diào)壓器設(shè)置為一恒定值，因此發(fā)電機(jī)的端電壓UQf與無功電流IQfl保持一次函數(shù)關(guān)系。

對Ⅱ號機(jī)組的發(fā)電機(jī)進(jìn)行相同的分析，可獲得圖4特性圖。當(dāng)型號相同的兩機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，設(shè)置同一調(diào)差系數(shù)，按照斜率比例分配無功功率，可實(shí)現(xiàn)在兩機(jī)組電壓一致條件下進(jìn)行無功功率的均分時(shí)，兩機(jī)組輸出電壓一致。

圖4 有差調(diào)節(jié)并聯(lián)運(yùn)行特性分析圖

經(jīng)上述分析，通過監(jiān)測發(fā)電機(jī)輸出電壓和無功功率，控制勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組電壓調(diào)節(jié)控制和無功功率分配控制。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

新型發(fā)電車的調(diào)壓控制系統(tǒng)兼容自動調(diào)壓控制系統(tǒng)和手動調(diào)壓控制系統(tǒng)。

自動調(diào)壓控制系統(tǒng)主要由調(diào)壓器（AVR）、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)電位計(jì)（RS）、發(fā)電機(jī)并聯(lián)控制器（GPC）、核心控制器（PLC）和上位機(jī)（HMI）組成。如圖5所示，AVR位于發(fā)電機(jī)G1和G2內(nèi)部，是機(jī)組電壓調(diào)節(jié)的基本控制器。RS、GPC、PLC和HMI均位于發(fā)電車控制屏內(nèi)，RS是將勵(lì)磁控制信號轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電壓的驅(qū)動器件，GPC是負(fù)責(zé)機(jī)組自動調(diào)壓、機(jī)組間無功功率自動分配，以及異常運(yùn)行報(bào)警的過程控制器。PLC是系統(tǒng)上層邏輯處理的核心控制器。HMI顯示PLC的過程數(shù)據(jù)，并將遠(yuǎn)程控制指令發(fā)送至PLC，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。GPC、PLC和HMI通過Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議，利用RS485屏蔽雙絞線介質(zhì)實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的下發(fā)。

圖5 兩機(jī)組發(fā)電車調(diào)壓系統(tǒng)簡圖

4.1 AVR 在系統(tǒng)中的功能作用

系統(tǒng)中AVR的工作電源由發(fā)電機(jī)輸出電壓提供[5]。當(dāng)發(fā)電機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，AVR利用發(fā)電機(jī)剩磁建壓（剩磁電壓5V AC以上，否則發(fā)電機(jī)需要充磁），當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，依據(jù)電機(jī)啟動階段的正反饋特性，AVR控制電壓上升斜率建立電壓，通常電壓建立時(shí)間設(shè)置為3 s。當(dāng)電壓建立后，根據(jù)發(fā)電機(jī)調(diào)壓特性曲線，AVR檢測發(fā)電機(jī)輸出的三相電壓和三相電流，按照設(shè)定的下垂曲線（調(diào)差系數(shù)）閉環(huán)控制勵(lì)磁電流的輸出，當(dāng)無功電流增大時(shí)，電壓下降，當(dāng)無功電流減小時(shí)，電壓上升。通常調(diào)差系數(shù)設(shè)置在5%以內(nèi)[6]。

4.2 GPC 在系統(tǒng)中的功能作用

系統(tǒng)中GPC設(shè)定發(fā)電機(jī)的輸出電壓值，通過回采機(jī)組的輸出實(shí)際電壓U閉環(huán)調(diào)節(jié)控制信號v1給RS，RS根據(jù)v1信號驅(qū)動AVR調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的空載輸出電壓U0，AVR根據(jù)新設(shè)置的U0，采集發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出電壓U，閉環(huán)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流IL以維持調(diào)差系數(shù)Kc的特性曲線（圖2）。經(jīng)過GPC的大閉環(huán)調(diào)壓控制和AVR的小閉環(huán)調(diào)差系數(shù)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組相同調(diào)差系數(shù)下的多條電壓調(diào)整特性曲線的輸出。控制過程如圖6所示。

圖6 閉環(huán)調(diào)節(jié)機(jī)組電壓控制圖

GPC監(jiān)測機(jī)組的電流，計(jì)算各機(jī)組的無功功率和功率因數(shù)，并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，按照機(jī)組有差調(diào)節(jié)并聯(lián)運(yùn)行特性（參考圖4），調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)無功功率的均分。

GPC監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行情況，設(shè)置多級報(bào)警閾值以實(shí)現(xiàn)異常運(yùn)行情況下的報(bào)警處理。當(dāng)出現(xiàn)過欠壓時(shí)，如果在報(bào)警閾值范圍內(nèi)或者故障持續(xù)時(shí)間較短，GPC導(dǎo)向報(bào)警提示，如果超過報(bào)警閾值且故障持續(xù)時(shí)間超限，GPC將直接控制主斷路器斷開，切斷機(jī)組輸出。通常情況下，當(dāng)無功功率大于50%額定功率，延時(shí)時(shí)間超過10 s時(shí)，GPC直接控制主斷路器斷開。GPC參數(shù)可通過顯示面板直接設(shè)置，亦可通過軟件批量下載。

4.3 PLC 在系統(tǒng)中的功能作用

該調(diào)壓控制系統(tǒng)采用西門子300系列PLC，通過Portal軟件組態(tài)，利用Profibus-DP傳輸數(shù)據(jù)。PLC作為1類主站，在預(yù)定的周期內(nèi)與從站循環(huán)地交換信息，并對總線通信進(jìn)行控制和管理，GPC通過GSD文件作為從站，根據(jù)H3配置選項(xiàng)，向主站發(fā)送過程數(shù)據(jù)并執(zhí)行主站指令[7]。

在組態(tài)中配置PLC輸入過程映像區(qū)接收GPC發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過FC功能，按照GPC-H3串口通訊協(xié)議選項(xiàng)解析數(shù)據(jù)內(nèi)容。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括機(jī)組電壓、電流、無功功率、功率因數(shù)等系統(tǒng)運(yùn)行過程參數(shù)，主開關(guān)等設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，以及過欠壓等報(bào)警狀態(tài)[8]。

PLC根據(jù)GPC采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行上層邏輯運(yùn)算。當(dāng)PLC判斷調(diào)壓故障時(shí)，置位相關(guān)標(biāo)志位，通過HMI報(bào)警具體顯示故障信息，并記錄故障歷史。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)，PLC作為后備保護(hù)控制器，通過I/O拓展模塊，獨(dú)立于GPC控制對主開關(guān)進(jìn)行分閘卸載操作，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[9]。

4.4 HMI 在系統(tǒng)中的功能作用

經(jīng)過PLC解析，HMI顯示GPC的過程數(shù)據(jù)和狀態(tài)。通過Portal組態(tài)，對PLC解析后的狀態(tài)做報(bào)警處理。HMI根據(jù)相關(guān)標(biāo)志位置位狀態(tài)，觸發(fā)故障界面事件，當(dāng)前界面顯示運(yùn)行故障，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警提示功能。HMI的部分解析信息顯示及故障報(bào)警組態(tài)如圖7所示。

圖7 HMI界面顯示及報(bào)警組態(tài)

手動調(diào)壓系統(tǒng)獨(dú)立于自動調(diào)壓系統(tǒng)，由發(fā)電車控制屏上的操作開關(guān)和顯示儀表組成，包括自復(fù)位調(diào)壓旋鈕（S1和S2）、三相電壓表、三相電流表，功率表和功率因數(shù)表等。

手動調(diào)壓系統(tǒng)由現(xiàn)場工作人員根據(jù)實(shí)際機(jī)組運(yùn)行情況，參考電壓表、電流表、功率因數(shù)表，調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕S1或S2，具體工作原理為：當(dāng)單機(jī)組運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕S等比例控制RS驅(qū)動信號，進(jìn)而改變機(jī)組勵(lì)磁電流。手自動電壓調(diào)節(jié)執(zhí)行原理如圖8所示[10]。

圖8 手自動電壓調(diào)節(jié)執(zhí)行原理

當(dāng)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，2機(jī)組出現(xiàn)無功功率分配不均時(shí)，參考無功功率轉(zhuǎn)移向量分析圖（圖3），調(diào)大承擔(dān)無功功率較小的機(jī)組調(diào)壓旋鈕，調(diào)小承擔(dān)無功功率較大的機(jī)組調(diào)壓旋鈕，調(diào)節(jié)過程中控制功率因數(shù)和母線電壓的變化速率和幅度，完成無功功率的穩(wěn)定轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)兩機(jī)組無功功率的均分。

自動調(diào)壓系統(tǒng)和手動調(diào)壓系統(tǒng)通過調(diào)壓旋鈕S切換實(shí)現(xiàn)功能選擇及系統(tǒng)間的互鎖，以確保機(jī)組有且僅能由一種控制系統(tǒng)控制。手自一體化調(diào)壓控制系統(tǒng)組成如圖 9所示。

圖9 手自一體化調(diào)壓控制系統(tǒng)組成簡圖

當(dāng)調(diào)壓旋鈕S置于手動位時(shí)，PLC檢測到自動控制信號低電平，封鎖調(diào)壓控制邏輯中的所有輸出點(diǎn)。PLC失去系統(tǒng)的控制權(quán)，但保持系統(tǒng)監(jiān)測功能，HMI能顯示 PLC的過程數(shù)據(jù)，并具備報(bào)警提示功能。此時(shí)發(fā)電機(jī)的調(diào)壓控制功能和無功功率分配功能交由工作人員現(xiàn)場處理。

當(dāng)調(diào)壓旋鈕S置于自動位時(shí)，自動控制信號為高電平，PLC會打開之前封閉的輸出點(diǎn)，接管發(fā)電機(jī)的控制，實(shí)現(xiàn)自動控制。

由于PLC的監(jiān)測功能不受調(diào)壓旋鈕S的影響，且RS具有保持功能，所以在自動切換手動的過程中，能夠保持控制狀態(tài)不變。手動切換自動過程中，由于手動控制的結(jié)果可能會跟自動控制的判斷不一致，切換后由自動控制系統(tǒng)重新進(jìn)行調(diào)壓和無功功率分配操作。

5 結(jié)論

通過對發(fā)電機(jī)調(diào)壓控制原理和無功功率分配原理的詳細(xì)分析，本設(shè)計(jì)利用AVR、GPC和PLC作為自動控制器，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電車供電系統(tǒng)調(diào)壓控制和無功功率分配的自動控制功能，同時(shí)自動功能與手動功能兼容，實(shí)現(xiàn)了手自一體化控制功能。

該系統(tǒng)成功應(yīng)用在某型出口發(fā)電車上 ，經(jīng)長時(shí)間運(yùn)行驗(yàn)證及售后反饋，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，系統(tǒng)故障率低，手自一體配合良好，有效降低了工作人員數(shù)量、檢修強(qiáng)度及運(yùn)營成本。