工廠、醫院、通信站、體育場等一些重要場所, 對供電可靠性要求非常高, 常用柴油發電機作為備用電源。柴油發電機的投運切換方式有兩種, 一是冷備方式, 即市電停電后啟動柴油發電機供電, 此方式會出現供電中斷問題;二是在線熱備方式, 即在重要時機或可預見的停電期之前,將柴油發電機啟動并入電網運行, 以實現不間斷供電。前者對供電可靠性要求不高, 也無需對柴油發電機進行綜合控制。后者則對柴油發電機的運行控制提出了嚴格要求 ,需要對勵磁系統、調速系統以及兩者之間的協調關系進行綜合控制。

一、系統主體結構

柴油發電機組綜合控制系統主要包括勵磁系統、調速系統、測量機構和一個綜合控制模塊 , 主體結構如圖1所示。

1. 測量機構。

由一系列的電壓互感器、電流互感器和轉速傳感器等元件組成, 主要為控制系統提供機組運行時的狀態信息, 控制系統實時監測機組的運行狀態, 由執行器件適時對其作出相應的調整, 保證系統穩定運行。

2. 勵磁系統。

同步發電機的勵磁系統一般由主勵磁系統和勵磁調節器兩個部分組成。主勵磁系統向同步發電機轉子提供直流電流, 即勵磁電流; 勵磁調節器根據輸入信號和給定的調節準則控制主勵磁系統的輸出。整個勵磁自動控制系統是由勵磁調節器、主勵磁系統和發電機構成的一個反饋控制系統, 勵磁系統的主要作用如下。

( 1) 控制發電機的端電壓 。柴油發電機單機運行時 ,隨著負荷的波動, 需要對勵磁電流進行調節以使母線電壓維持在給定的平。

( 2) 控制無功功率的分配。柴油發電機以熱備用狀態與電網一起向負載供電時, 可以看作是同步發電機與無窮大母線并聯運行, 此時發電機端電壓不隨負荷大小而改變,調節勵磁電流可以改變發電機無功功率的數值。

3. 調速系統。

調速系統主要用來控制柴油機的引擎執行器, 通過執行器改變柴油機油門的大小, 控制柴油機的轉速或協調有功功率的均衡分配問題。調速系統作用如下。

( 1) 穩定發電機輸出功率的頻率在給定等級。在柴油發電機組單機運行時, 調速系統通過改變柴油機油門的開度來改變柴油機的輸入功率, 從而改變機組的轉速, 亦即改變發電機的輸出頻率。帶載運行時, 負載的波動必然會

導致柴油機轉速的變化, 這個變化通過引擎調速器計算放大后輸出給引擎執行器, 由執行器相應地加大或減小油機油門的大小來補償其轉速的變化。

( 2) 控制有功功率的分配。當發電機組并入電網一起向負載供電時, 由于電網的拖動, 發電機輸出功率的頻率與電網嚴格保持一致, 此時調速器的功能由頻率調節轉變為與電網共同分擔負載所需的有功功率。

4. 發電機組綜合控制模塊。

主要承擔勵磁系統和速度系統之間的協調工作, 根據測量機構采集到的電壓、電流等信號, 實時監控機組的運行狀況, 根據負載的波動情況對勵磁調節器和調速器做出相應的調整, 使柴油機發電機組運行在最佳狀態。對于突發事件做出快速有效的響應 ,及時通過勵磁調節器和調速器調整發電機組的運行狀態 ,使其在短時間內恢復正常運行。

二、勵磁系統

勵磁系統主要由主勵磁系統和勵磁調節器兩部分組成,當然一套完整的勵磁控制系統還要包括測量環節及必要的保護環節等, 圖2為一般勵磁控制系統組成框圖。主勵磁系統為發電機的勵磁繞組提供勵磁電流; 勵磁調節器用于對勵磁電流進行調節和控制; 發電機端電壓測量與負載補償環節測量發電機的端電壓, 并對發電機負載電流進行補償;輔助調節器對勵磁調節器輸入輔助控制信號, 最常用的輔助調節器為電力系統穩定器; 保護和限幅環節用以確保機組的各種參數不越過其限值。

考慮到勵磁系統的強勵倍數和響應速度涉及到勵磁系統的結構和造價, 所以選擇方案時應根據發電機在系統中的地位和作用等因素, 采用恰當的指標以適應運行上的要求。本方案選用了DECS- 100型數字自動勵磁調節器, 圖3為其結構框圖。

DECS- 100 是一個高性能、低成本的數字式自動勵磁調節器, 采用了微處理器技術, 可以精確控制10MW及以下容量的無刷勵磁同步發電機的輸出電壓, 在并網運行時還能實時控制發電機組的無功輸出, 具有很好的無功補償能力。DECS- 100提 供 了 自 動 電 壓 調 節 ( AVR) 、 勵磁電流調 節( FCR) 、無功功率控制 ( VAR) 、功率因數控制 ( PF) 四種工作模式, 具備過勵關斷、發電機過電壓關斷、發電機檢測電壓失去關斷或切換、過勵限制四種保護功能, 以及并網電壓匹配功能, 其工作模式和各種功能均能通過BEST-COMS軟件選擇及進行相應的調整控制。

三、調速系統

柴油發動機調速系統是通過安裝在飛輪殼上的轉速電磁傳感器檢測出轉速的變化, 通過引擎調速器的控制,由執行器帶動油門拉桿, 調節供油量大小, 從而實現轉速自動調節的目的。調速系統主要由轉速檢測單元、電子調速器單元及執行機構等部分組成。

檢測部分主要由轉速電磁傳感器及飛輪齒圈組成, 電磁傳感器從飛輪齒圈測得發動機的轉速, 并將其變換成與轉速成正比的脈沖信號輸入給電子調速器, 電子調速器將轉速信號與給定轉速信號進行對比, 并進行相應的控制運算, 再由功率輸出環節驅動執行器改變供油量大小, 自動調節柴油機的轉速。

本方案選用了2301D數字式速度調節器用于柴油發電機組的速度控制和負荷分配, 其所有控制功能都是通過一個32位的微處理器來完成, 可以通過串口與PC機通信來完成各種參數的設定和調整。圖4為2301D速度調節器組成的調速系統。2301D速度調節器對柴油機提供了完整的控制 功能, 包括啟動、怠速、額定速度等狀態的控制以及各速度之間的穩定過渡控制, 在同期負載分配模式下, 能夠精確控制發電機組的有功輸出, 完全滿足系統對有功分配功能的需求。

該調速系統中, 速度傳感器產生的頻率正比于柴油機轉速的交流信號, 經過轉換器被轉換成一個代表柴油機轉速的數字, 通過與速度給定值的比較, 如果兩個值不相等,可以控制多機 的并列運行 , 還可以控制機組的并網運。

其差值經過一個PID環節被送往引擎執行器, 從而使得柴油機的油門加大或減小, 這個過程將反復進行, 直至轉速與給定值相等。在發電機組并列運行或并網運行時, 可以進行負荷分配控制, 此時速度給定變為負荷百分比給定,比

較的對象變為運行時發電機輸出功率對負荷總功率的比例,其差值經過PID環節輸出給執行器, 調節原動機的有功出力, 經過反復調整最終使得發電機組輸出設定的有功份額。

四、綜合控制

為了協調DECS- 100和2301D對柴油機發電機組的控制,使發電機組發揮出最優的性能, 采用EGCP- 3發電機組綜合控制模塊作為DECS- 100和2301D的上位控制機構, 圖1給出了它們之間的連接關系。EGCP- 3以功能強大的微處理器為基礎, 是一種幾乎可用于所有場合的發電機組控制和管理模塊。它本身集成了對發電機組引擎、發電機、母線等的

監控以及保護功能, 主要功能如下。

1. 有功功率的分配與控制。能夠根據電壓和電流互感器的信號精確計算功率有效值; 為引擎調速系統提供速度偏差信號; 對加載和卸載斜率進行控制; 并列運行時,對機組與電網的負載分配百分比進行控制; 可以外部或手動調整有功輸出份額。

2. 無功功率的分配與控制。為勵磁調節系統提供電壓偏差信號; 加載和卸載斜率的控制; 負載無功功率在機組和電網之間的百分比額度控制; 無功功率或功率因數的外部調節; 手動電壓控制。

3. 同期。電壓、頻率、相序匹配; 自動并網; 人工并網操作。除了以上幾個重要功能,EGCP- 3還提供了其他許多自動控制功能, 比如機組從啟動經過怠速到額定速度運行這一過程的自動控制等, 其性能可滿足系統對發電機組的控制需要。

五、結束語

ECS- 100數字式勵磁調節器能夠精確控制柴油發電機單機運行時的輸出電壓和并網運行時的無功輸出, 2301D數字調速器能夠精確控制柴油發電機單機運行時的頻率和并網運行時的有功輸出, EDCP- 3發電機綜合控制模塊可以控制DECS- 100和2301D兩個模塊協調工作, 構成了一個完整的柴油發電機組綜合控制系統。該系統實現了柴油發電機從啟動、運行到停止的所有過程的控制, 既可以手動控制, 又可以自動控制; 既可以控制單機的運行,

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