頻變負(fù)荷下異型機(jī)組負(fù)荷均衡控制技術(shù)研究

王昊， 申卿， 李東超， 徐衛(wèi)忠， 張千

(1.船舶與海洋工程動力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 200090；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引 言

隨著孤島電站系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化和發(fā)展，孤島電站常配置不同容量、不同型號的發(fā)電機(jī)組(此類機(jī)組往往具有不同的調(diào)速、調(diào)壓特性，且容量也不相同，以下簡稱“異型機(jī)組”)以提高孤島電站系統(tǒng)的靈活性和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。孤島電站系統(tǒng)負(fù)載變化頻繁且變化量值大(以下簡稱“頻變負(fù)荷”)，如港口、礦山和鉆井平臺等工程領(lǐng)域的負(fù)載多為大功率異步電動機(jī)，這些大功率異步電動機(jī)頻繁地投入、退出和工作模式的切換對異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時負(fù)荷均衡控制提出了更高的要求。

目前，已有專家學(xué)者對頻變負(fù)荷下異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的相關(guān)問題做了大量的仿真和優(yōu)化控制研究。文獻(xiàn)[1]結(jié)合MATLAB/Simulink仿真詳細(xì)論述了不同工作原理的脈沖負(fù)載對柴油發(fā)電機(jī)組輸出頻率和電壓的瞬態(tài)、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)影響，得出同功率不同性質(zhì)的負(fù)載對柴油發(fā)電機(jī)組輸出頻率、電壓的影響不同，在對柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性的改善中，應(yīng)充分考慮脈沖負(fù)載的工作原理。文獻(xiàn)[2]論述了不同容量柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時負(fù)荷分配的原則和要求，并結(jié)合實(shí)例分析，給出了不同容量機(jī)組并聯(lián)時對調(diào)差率的調(diào)整要求。文獻(xiàn)[3]綜合分析了不同容量的柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時的優(yōu)化控制問題，并進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，對實(shí)際工程的應(yīng)用具有較強(qiáng)的借鑒意義。文獻(xiàn)[4]論述了頻變脈沖負(fù)載對孤島電站系統(tǒng)造成的影響，并分析了頻變脈沖負(fù)載引起機(jī)端電壓波動的原因及作用規(guī)律，為平抑電壓波動提供了指導(dǎo)性方法。文獻(xiàn)[5]通過研究發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)運(yùn)行的條件，利用調(diào)速器和電壓調(diào)節(jié)器的下垂特性，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)之間的無功功率分配。文獻(xiàn)[6]介紹了同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時功率調(diào)節(jié)原理。

本文首先提出了頻變負(fù)荷下異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時引起的問題及控制要求，然后分析了功率轉(zhuǎn)移和分配原理，最后基于某港口孤島電站項(xiàng)目，搭建孤島電站控制系統(tǒng)，并根據(jù)控制要求設(shè)計負(fù)荷均衡控制策略，實(shí)現(xiàn)頻變負(fù)荷下異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時負(fù)荷均衡控制。

1 異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時引起的問題及控制要求

異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時各發(fā)電機(jī)組容量及運(yùn)行特性互不一致。對于外部頻變負(fù)荷的干擾，由于各機(jī)組的性能不同且無統(tǒng)一的分配機(jī)制，會造成負(fù)荷分配不均衡的問題，當(dāng)外部頻變負(fù)荷量值較大時，將導(dǎo)致小容量機(jī)組保護(hù)跳閘。

1.1 功率均衡分配問題

頻變負(fù)荷下異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時，各臺發(fā)電機(jī)組按照各自的調(diào)速、調(diào)壓特性進(jìn)行功率調(diào)整。此時，整個孤島電站系統(tǒng)的動態(tài)特性將會發(fā)生顯著變化。如在低負(fù)荷時，孤島電站電力系統(tǒng)將會發(fā)生隨機(jī)和頻率失常的功率振蕩現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)解列，嚴(yán)重影響孤島電站系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

另外，目前對于孤島電站系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的研究多聚焦在頻率調(diào)節(jié)和有功功率分配控制上，而對于電壓調(diào)節(jié)和無功功率的均衡控制主要依托于電壓調(diào)節(jié)器的自身性能。而從很多的實(shí)際工程項(xiàng)目實(shí)踐中可知，很多主開關(guān)跳閘現(xiàn)象都是由于電壓跌落至設(shè)定值以下造成的[7-8]。

1.2 異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行控制要求

1.2.1 并聯(lián)運(yùn)行控制要求

頻變負(fù)荷下異型發(fā)電機(jī)組并機(jī)前應(yīng)檢測頻率、電壓、相位和相序是否一致，只有在滿足上述要求時進(jìn)行并網(wǎng)操作才不會對孤島電站系統(tǒng)產(chǎn)生大的沖擊電流[9]。

1.2.2 負(fù)荷均衡控制要求

并聯(lián)運(yùn)行的異型機(jī)組應(yīng)能實(shí)現(xiàn)自動負(fù)荷分配功能，且應(yīng)滿足如下指標(biāo)要求：當(dāng)負(fù)載按額定功率因數(shù)在總額定功率的20%～100%范圍內(nèi)變化時應(yīng)能穩(wěn)定運(yùn)行，其有功功率分配差度應(yīng)不大于最大發(fā)電機(jī)額定功率的15%和最小發(fā)電機(jī)額定功率的25%，無功功率分配差度不大于最大發(fā)電機(jī)額定無功功率的10%和最小發(fā)電機(jī)額定無功功率的25%[10]。結(jié)合上節(jié)分析，針對孤島電站系統(tǒng)功率負(fù)荷的均衡控制，應(yīng)考慮總體的調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

1.2.3 發(fā)電機(jī)的保護(hù)要求

孤島電站系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)同步發(fā)電機(jī)，以防系統(tǒng)失常運(yùn)行或故障時導(dǎo)致發(fā)電機(jī)損壞。針對孤島電站系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)的失常運(yùn)行狀態(tài)和故障，應(yīng)設(shè)過/欠電壓保護(hù)、過/欠頻保護(hù)、過流保護(hù)、縱向差動保護(hù)和逆功率保護(hù)等。

2 異型機(jī)組負(fù)荷均衡分配理論基礎(chǔ)

2.1 異型機(jī)組有功功率分配與調(diào)節(jié)

柴油機(jī)輸出功率和負(fù)載消耗功率不平衡是孤島電站系統(tǒng)頻率變化的根本原因。在孤島電站系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)生變化時，柴油機(jī)通過電子調(diào)速器來調(diào)節(jié)柴油機(jī)的噴油量，從而使柴油機(jī)的輸出功率和負(fù)載消耗功率保持動態(tài)平衡，以此來維持機(jī)組頻率穩(wěn)定。

并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的有功功率的轉(zhuǎn)移和分配過程如圖1所示。1號機(jī)組為穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)組，運(yùn)行于特性曲線1-1的A點(diǎn)。2號機(jī)組為經(jīng)準(zhǔn)同步并車之后空載機(jī)組，運(yùn)行于特性曲線2-1的B點(diǎn)。

圖1 有功功率轉(zhuǎn)移和分配過程

在有功功率轉(zhuǎn)移的過程中，2號機(jī)組噴油量增加，其功率角逐漸增加，使2號機(jī)組特性曲線2-1逐漸上移到特性曲線2-2，并逐步承擔(dān)系統(tǒng)有功負(fù)荷。因孤島電站系統(tǒng)容量較小，2號機(jī)組增加噴油量的同時，1號機(jī)組噴油量應(yīng)同步減小，否則，兩臺機(jī)組總的輸出功率將大于系統(tǒng)負(fù)載，進(jìn)而導(dǎo)致孤島電站系統(tǒng)頻率增加。這樣，減小1號機(jī)組噴油量的同時，其功率角逐漸減小并減少有功功率的承擔(dān)，逐漸下移到特性曲線1-2運(yùn)行。最終直到兩臺機(jī)組按各自容量比例承擔(dān)系統(tǒng)有功負(fù)荷為止。

2.2 異型機(jī)組無功功率分配與調(diào)節(jié)

若孤島電站系統(tǒng)無功功率儲備不足，當(dāng)系統(tǒng)無功負(fù)荷增加時，需降壓運(yùn)行來滿足系統(tǒng)無功功率的平衡，若無功負(fù)荷無法均衡分配，在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組之間將出現(xiàn)無功環(huán)流，影響孤島電站系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]。為簡化說明，現(xiàn)以同型機(jī)組為例來分析機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時無功功率的分配與轉(zhuǎn)移過程。

圖2 無功功率轉(zhuǎn)移和分配過程

3 實(shí)例分析

某港口孤島電站系統(tǒng)為港口集裝箱堆場起重機(jī)、場橋及基礎(chǔ)設(shè)施提供電力供應(yīng)。系統(tǒng)由3臺8 500 kW的中速柴油發(fā)電機(jī)組，2臺2 000 kW的高速柴油發(fā)電機(jī)組和4臺2 000 kW的飛輪儲能機(jī)組組成，整個孤島電站分兩期建設(shè)完成。饋線回路設(shè)置2回，設(shè)置2臺廠用變壓器提供輔助用電，系統(tǒng)單線圖及控制架構(gòu)如圖3所示。

該孤島電站控制系統(tǒng)主要由機(jī)旁控制箱、機(jī)組控制屏、主控制屏和監(jiān)控臺組成。機(jī)組控制屏主要由S7-1200 PLC核心控制器、easYgen-2500機(jī)組控制器、巴斯勒DECS-150電壓調(diào)節(jié)器和KTP1200 Basic觸摸屏等組成。機(jī)組控制屏配置有同步表、雙頻率表、雙電壓表和調(diào)速/調(diào)壓旋鈕，在手動模式下實(shí)現(xiàn)手動調(diào)速、調(diào)壓和同期并網(wǎng)功能；在自動模式下，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載功率狀態(tài)控制機(jī)組的啟停、自動并車、自動調(diào)載調(diào)壓以及解列功能。主控制屏和監(jiān)控臺采用S7- 400PLC作為核心控制器，SM331 8×12位模擬量輸入模塊和SM332 8×12位模擬量輸出模塊作為數(shù)據(jù)接口模塊，將采集到的機(jī)組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)無功功率的均衡控制。

3.1 有功功率均衡控制策略

機(jī)組控制器通過CAN Bus網(wǎng)絡(luò)相互通信實(shí)現(xiàn)有功功率的自動分配和轉(zhuǎn)移(如圖3所示)，有功功率分配控制如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)單線圖及控制架構(gòu)圖

圖4 有功功率分配控制原理圖

在上述控制系統(tǒng)中，實(shí)時計算系統(tǒng)負(fù)載率，然后將系統(tǒng)負(fù)載率和機(jī)組負(fù)載率進(jìn)行偏差比較，得到一個新的變量設(shè)定值。機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)將根據(jù)新的設(shè)定值進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)以改變柴油機(jī)的噴油量，進(jìn)而完成并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間有功功率的轉(zhuǎn)移和分配。參數(shù)K為有功負(fù)荷分配因數(shù)，是一個百分比值，決定了發(fā)電機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時是否和如何執(zhí)行有功負(fù)荷和頻率控制。K值越小，并聯(lián)運(yùn)行的機(jī)組平均分配負(fù)載的優(yōu)先權(quán)越高，當(dāng)K=10%時，僅執(zhí)行有功負(fù)荷分配；K=99%時，僅執(zhí)行頻率控制。機(jī)組控制器各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

3.2 無功功率均衡控制策略

項(xiàng)目在原有電壓調(diào)節(jié)器雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套集中式無功功率控制模塊來統(tǒng)一協(xié)調(diào)異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時無功功率的均衡控制，如圖5所示。

集中式無功功率控制模塊通過不斷檢測各并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的無功功率并和設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)處理器計算處理之后，輸出偏差控制信號到電壓調(diào)節(jié)器電壓設(shè)定值處。該差值信號與電壓設(shè)定值、實(shí)測機(jī)端電壓信號疊加處理，得到勵磁調(diào)節(jié)器的輸入，以此來完成勵磁電流的調(diào)節(jié)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)異型機(jī)組間無功功率的轉(zhuǎn)移和分配。

表1 機(jī)組控制器參數(shù)設(shè)置表

圖5 無功功率分配控制原理圖

4 結(jié)束語

頻變負(fù)荷下異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時負(fù)荷均衡控制的研究是一個具有實(shí)際意義的課題。本文提出的通過CAN Bus網(wǎng)絡(luò)和集中式無功功率控制模塊，可實(shí)現(xiàn)孤島電站系統(tǒng)異型機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時負(fù)荷的均衡比例分配，切實(shí)提高了孤島電站系統(tǒng)在頻變負(fù)荷沖擊下運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，并能使并聯(lián)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在經(jīng)濟(jì)區(qū)間，大大降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，增加了運(yùn)行效益。本文提出的負(fù)荷均衡控制策略對于類似的工程使用場景具有較強(qiáng)的借鑒意義和推廣意義。