新型發(fā)電車調壓及無功功率分配系統(tǒng)設計

左海龍，徐恭德，王 聰，劉 偉，馬法運

（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)代有軌電車運營有限公司，遼寧沈陽 110000）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和科技水平的日新月異，人們對出行質量的要求越來越高，列車負載容量也隨之增長。雖然電氣化鐵路為人們的出行提供了重要的基礎保障，但是我國地域環(huán)境復雜，無法短時間內在特殊地域環(huán)境實現(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載供電。為滿足增加負載的需求，同時降低運營成本，新型發(fā)電車調壓和無功功率控制系統(tǒng)的研制具有重要意義[1]。

2 當前發(fā)電車運行現(xiàn)狀及存在問題

發(fā)電車是全列負載的供電源頭，也是全列負載的配電中心，電壓的穩(wěn)定輸出以及無功功率的合理匹配對于全列負載的安全平穩(wěn)運行至關重要。列車負載總容量接近于發(fā)電機組容量，且列車負載投入切除相對頻繁，存在多車負載同時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。

當客車負載較大時，為保證供電的經(jīng)濟性和可靠性，通常啟用2臺發(fā)電機組并聯(lián)運行?？蛙嚨拇蠊β守撦d為感性負載，發(fā)電機組在滿足有功功率的同時，還要調整無功功率，以實現(xiàn)無功功率的合理分配。國內現(xiàn)有統(tǒng)型發(fā)電車采用多機組并聯(lián)運行的形式，但是自動化程度低，需要工作人員現(xiàn)場實時監(jiān)控機組的運行，無法保證電壓和無功功率實時調節(jié)，致使發(fā)電機組功率輸出不均，油耗增大，同時造成人力資源配置不合理，最終導致運營成本增加。

本文在分析發(fā)電機組電壓控制原理和無功功率分配原理基礎上，設計開發(fā)新型發(fā)電車調壓和無功功率分配系統(tǒng)，實現(xiàn)發(fā)電車電壓和無功功率的手動自動一體化調節(jié)。

3 系統(tǒng)控制原理分析

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

轉子產(chǎn)生的磁感應強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兩者的關系如式（1）、式（2）所示：

式（1）、式（2）中，ω為轉子的轉速，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。由于頻率f基本固定，發(fā)電機定子繞組的匝數(shù)N也固定，所以調節(jié)φm大小可直接調節(jié)定子感生電動勢Erms的大小，即調節(jié)轉子的勵磁電流可控制定子感應電動勢的大小。

隱極發(fā)電機的基本電磁功率Pem為[2]：

負載的有功功率P為：

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

發(fā)電機的基本電磁功率Pem等于負載有功功率P，即

如圖1所示，在負載功率一定的條件下，當發(fā)電機穩(wěn)定運行時，為保證輸出電壓U恒定，存在Esinθ=IcosφXt的恒定關系。即負載電流I的末端在L3橫線上左右移動，相應地定子感應電動勢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子磁通量φ實現(xiàn)，因此通過控制轉子的勵磁電流IL可調節(jié)定子的輸出電壓。

圖1 同步發(fā)電機運行相量圖

當列車負載功率變化時，由于列車負載為阻感性，負載電流產(chǎn)生的磁場對電機氣隙磁場有去磁作用，導致發(fā)電機的輸出電壓存在波動。負載增加時，無調壓器時電壓U下降明顯，必須調整轉子勵磁電流以穩(wěn)住發(fā)電機的輸出電壓。

由圖1得，

通過公式（8）獲得發(fā)電機電壓輸出值為：

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

由式（10）可知，當無勵磁調節(jié)時，無功電流IQ與發(fā)電機輸出電壓近似為一次函數(shù)關系。當有勵磁調節(jié)時，參考圖2分析，改變勵磁電流可獲得多條同步發(fā)電機感應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載工況下，發(fā)電機穩(wěn)態(tài)輸出電壓恒定的無差調節(jié)特性（Z1紅色線及對應的無功電流），或者發(fā)電機穩(wěn)態(tài)輸出電壓下降的有差調節(jié)特性（Z2綠色線及對應的無功電流）[3]。

圖2 同步發(fā)電機電壓調整特性曲線

當發(fā)電機組單臺獨立運行時，運行機組承擔所有負載的無功功率，理想工況是發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值不隨負載的改變而變化，即發(fā)電機無差調節(jié)特性，這樣能為列車負載提供穩(wěn)定的工作電壓。當多機組并聯(lián)運行時，并聯(lián)機組不僅輸出電壓要求一致，而且還要求實現(xiàn)滿足無功功率的轉移與合理分配。由此根據(jù)圖1分析得：

參考公式（11），可得負載得無功功率Q為：

由式（12）可知，U、Xt為定值，取cosθ= 1，無功功率Q與感應電動勢E保持一次函數(shù)關系，調整勵磁電流IL同樣能夠實現(xiàn)發(fā)電機無功功率的調節(jié)。當2臺機組并聯(lián)運行時，對無功功率進行轉移操作。參考圖3分析，1號機組為原運行機組，運行感應電動勢負載電流為2號機組為新并網(wǎng)發(fā)電機，運行感應電動勢為負載電流為由式（5）可知，當P、U、Xt保持不變時，Esinθ也保持不變，即發(fā)電機的感應電動勢末端在H1線上運動。由式（7）可知Esinθ=IXtcosφ，即負載電流的末端在K2線上運動。這時為平均分配無功功率，必須增大2號機組的勵磁電流，使末端保持AR1方向運動，同時減小1號發(fā)電機的勵磁電流，使末端保持AR2方向運動，最終使各機組感應電動勢調整后的結果為使根據(jù)發(fā)電機運行相量關系，調節(jié)勵磁電流時，的末端保持AR3方向運動，的末端保持AR4方向運動，最終使各機組負載電流調整后的結果為保證機組無功功率的平均分配[4]。

通過對圖3分析可知，調整勵磁電流可實現(xiàn)并聯(lián)運行機組間的無功功率轉移。但是在實際工程應用中，由于無法直接測量發(fā)電機的感應電動勢，所以通常采用測量發(fā)電機輸出電壓的變化方式調節(jié)勵磁電流。又因為無差調節(jié)方式無法實現(xiàn)并聯(lián)運行機組間無功功率的合理分配[5]，所以并聯(lián)運行的機組采用有差調節(jié)方式。

圖3 無功功率轉移向量分析圖

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

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

同時，根據(jù)調差系數(shù)的定義，Kc為[6]：

結合式（13）～式（15）可得發(fā)電機輸出端電壓與無功電流關系為：

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

對Ⅱ號機組的發(fā)電機進行相同的分析，可獲得圖4特性圖。當型號相同的兩機組并聯(lián)運行時，設置同一調差系數(shù)，按照斜率比例分配無功功率，可實現(xiàn)在兩機組電壓一致條件下進行無功功率的均分時，兩機組輸出電壓一致。

圖4 有差調節(jié)并聯(lián)運行特性分析圖

經(jīng)上述分析，通過監(jiān)測發(fā)電機輸出電壓和無功功率，控制勵磁電流的調節(jié)，可實現(xiàn)機組電壓調節(jié)控制和無功功率分配控制。

4 系統(tǒng)設計

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

自動調壓控制系統(tǒng)主要由調壓器（AVR）、遠程調節(jié)電位計（RS）、發(fā)電機并聯(lián)控制器（GPC）、核心控制器（PLC）和上位機（HMI）組成。如圖5所示，AVR位于發(fā)電機G1和G2內部，是機組電壓調節(jié)的基本控制器。RS、GPC、PLC和HMI均位于發(fā)電車控制屏內，RS是將勵磁控制信號轉化為驅動電壓的驅動器件，GPC是負責機組自動調壓、機組間無功功率自動分配，以及異常運行報警的過程控制器。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)，并將遠程控制指令發(fā)送至PLC，實現(xiàn)人機交互功能。GPC、PLC和HMI通過Profibus-DP現(xiàn)場總線協(xié)議，利用RS485屏蔽雙絞線介質實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的下發(fā)。

圖5 兩機組發(fā)電車調壓系統(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)電機輸出電壓提供[5]。當發(fā)電機開始運行時，原動機帶動發(fā)電機旋轉，AVR利用發(fā)電機剩磁建壓（剩磁電壓5V AC以上，否則發(fā)電機需要充磁），當轉速一定時，依據(jù)電機啟動階段的正反饋特性，AVR控制電壓上升斜率建立電壓，通常電壓建立時間設置為3 s。當電壓建立后，根據(jù)發(fā)電機調壓特性曲線，AVR檢測發(fā)電機輸出的三相電壓和三相電流，按照設定的下垂曲線（調差系數(shù)）閉環(huán)控制勵磁電流的輸出，當無功電流增大時，電壓下降，當無功電流減小時，電壓上升。通常調差系數(shù)設置在5%以內[6]。

4.2 GPC 在系統(tǒng)中的功能作用

系統(tǒng)中GPC設定發(fā)電機的輸出電壓值，通過回采機組的輸出實際電壓U閉環(huán)調節(jié)控制信號v1給RS，RS根據(jù)v1信號驅動AVR調節(jié)發(fā)電機的空載輸出電壓U0，AVR根據(jù)新設置的U0，采集發(fā)電機的實際輸出電壓U，閉環(huán)調節(jié)勵磁電流IL以維持調差系數(shù)Kc的特性曲線（圖2）。經(jīng)過GPC的大閉環(huán)調壓控制和AVR的小閉環(huán)調差系數(shù)控制，實現(xiàn)了機組相同調差系數(shù)下的多條電壓調整特性曲線的輸出?？刂七^程如圖6所示。

圖6 閉環(huán)調節(jié)機組電壓控制圖

GPC監(jiān)測機組的電流，計算各機組的無功功率和功率因數(shù)，并聯(lián)運行時，按照機組有差調節(jié)并聯(lián)運行特性（參考圖4），調節(jié)勵磁電流，實現(xiàn)無功功率的均分。

GPC監(jiān)控機組的運行情況，設置多級報警閾值以實現(xiàn)異常運行情況下的報警處理。當出現(xiàn)過欠壓時，如果在報警閾值范圍內或者故障持續(xù)時間較短，GPC導向報警提示，如果超過報警閾值且故障持續(xù)時間超限，GPC將直接控制主斷路器斷開，切斷機組輸出。通常情況下，當無功功率大于50%額定功率，延時時間超過10 s時，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，在預定的周期內與從站循環(huán)地交換信息，并對總線通信進行控制和管理，GPC通過GSD文件作為從站，根據(jù)H3配置選項，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)議選項解析數(shù)據(jù)內容。數(shù)據(jù)內容包括機組電壓、電流、無功功率、功率因數(shù)等系統(tǒng)運行過程參數(shù)，主開關等設備的當前狀態(tài)，以及過欠壓等報警狀態(tài)[8]。

PLC根據(jù)GPC采集的數(shù)據(jù)，進行上層邏輯運算。當PLC判斷調壓故障時，置位相關標志位，通過HMI報警具體顯示故障信息，并記錄故障歷史。當發(fā)生嚴重故障時，PLC作為后備保護控制器，通過I/O拓展模塊，獨立于GPC控制對主開關進行分閘卸載操作，提高系統(tǒng)運行的可靠性[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)做報警處理。HMI根據(jù)相關標志位置位狀態(tài)，觸發(fā)故障界面事件，當前界面顯示運行故障，實現(xiàn)故障報警提示功能。HMI的部分解析信息顯示及故障報警組態(tài)如圖7所示。

圖7 HMI界面顯示及報警組態(tài)

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

手動調壓系統(tǒng)由現(xiàn)場工作人員根據(jù)實際機組運行情況，參考電壓表、電流表、功率因數(shù)表，調節(jié)調壓旋鈕S1或S2，具體工作原理為：當單機組運行時，通過調節(jié)調壓旋鈕S等比例控制RS驅動信號，進而改變機組勵磁電流。手自動電壓調節(jié)執(zhí)行原理如圖8所示[10]。

圖8 手自動電壓調節(jié)執(zhí)行原理

當機組并聯(lián)運行，2機組出現(xiàn)無功功率分配不均時，參考無功功率轉移向量分析圖（圖3），調大承擔無功功率較小的機組調壓旋鈕，調小承擔無功功率較大的機組調壓旋鈕，調節(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)定轉移，實現(xiàn)兩機組無功功率的均分。

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

圖9 手自一體化調壓控制系統(tǒng)組成簡圖

當調壓旋鈕S置于手動位時，PLC檢測到自動控制信號低電平，封鎖調壓控制邏輯中的所有輸出點。PLC失去系統(tǒng)的控制權，但保持系統(tǒng)監(jiān)測功能，HMI能顯示 PLC的過程數(shù)據(jù)，并具備報警提示功能。此時發(fā)電機的調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。

當調壓旋鈕S置于自動位時，自動控制信號為高電平，PLC會打開之前封閉的輸出點，接管發(fā)電機的控制，實現(xiàn)自動控制。

由于PLC的監(jiān)測功能不受調壓旋鈕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)重新進行調壓和無功功率分配操作。

5 結論

通過對發(fā)電機調壓控制原理和無功功率分配原理的詳細分析，本設計利用AVR、GPC和PLC作為自動控制器，實現(xiàn)了發(fā)電車供電系統(tǒng)調壓控制和無功功率分配的自動控制功能，同時自動功能與手動功能兼容，實現(xiàn)了手自一體化控制功能。

該系統(tǒng)成功應用在某型出口發(fā)電車上 ，經(jīng)長時間運行驗證及售后反饋，該系統(tǒng)運行可靠，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、檢修強度及運營成本。