陸 浩 周杰娜 盧江宇杰 肖小兵 林 萍

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院,貴陽 550003）

交流柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行及并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，各機(jī)組的總負(fù)載不變，但由于各機(jī)組的制造工藝和供油的不均，會(huì)引起一臺(tái)機(jī)組的功率增加和另一臺(tái)機(jī)組的功率減少。通常把這種現(xiàn)象稱為功率交互振蕩，俗稱“游車”。功率的變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)輸出頻率的波動(dòng)，頻率能否快速恢復(fù)穩(wěn)定，對電氣設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。柴油發(fā)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境一般容量小，頻率波動(dòng)大。對并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，改變發(fā)電機(jī)間的有功功率分配，是通過改變各臺(tái)發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的油門大小，即單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入氣缸的燃油量來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)電機(jī)輸出的有功功率是由原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化來的，隨著負(fù)荷的變化需要經(jīng)常調(diào)整原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保持電網(wǎng)頻率的恒

定，其頻率與原動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)密切相關(guān)。由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的比例關(guān)系，因此在下文的仿真中也很容易直接建立頻率與功率關(guān)系的模型。

1 柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行

1.1 并聯(lián)運(yùn)行

柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行必須同時(shí)滿足4個(gè)條件：電壓相等、頻率相等、相序相同以及相位一致。誤差允許范圍：電壓偏差6±%，頻率偏差0.15±Hz，相位偏差6±°。在滿足以上條件下，使機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，否則會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊電流，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的干擾和破壞。

柴油發(fā)電機(jī)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，某一轉(zhuǎn)速（頻率）對應(yīng)輸出某一有功功率；對并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，某一頻率對應(yīng)著每個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出功率。所以，并聯(lián)機(jī)組有功功率分配與電力系統(tǒng)頻率調(diào)整密切相關(guān)。系統(tǒng)有功功率平衡破壞造成電網(wǎng)頻率的變化。因此調(diào)節(jié)頻率和凋節(jié)有功功率是直接相關(guān)的，二者的調(diào)節(jié)歸根到底都是調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的是油門的大小。

在同容量、同型號的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，可進(jìn)行二次調(diào)頻，將系統(tǒng)的總負(fù)荷平均分配給參與運(yùn)行的各臺(tái)機(jī)組；當(dāng)不同容量的發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，則將系統(tǒng)的總負(fù)荷按各臺(tái)發(fā)電機(jī)容量成比例的分配給運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，以增強(qiáng)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

1.2 自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載方法

自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置維持電力系統(tǒng)頻率恒定和有功功率按比例分配，實(shí)際是通過步進(jìn)電機(jī)對原動(dòng)機(jī)電子調(diào)速器的預(yù)緊彈簧壓力作微調(diào)。方法有以下5種。

1）主調(diào)發(fā)電機(jī)法。這種方法是在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組中選擇一臺(tái)作為“主調(diào)機(jī)”，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變化而出現(xiàn)頻差時(shí)，由主調(diào)機(jī)組進(jìn)行頻率的二次調(diào)節(jié)，改變油門的開度，使電網(wǎng)頻率維持穩(wěn)定，該主調(diào)機(jī)還承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)荷的變化量。而參與并聯(lián)的其他機(jī)組則總是帶固定的負(fù)荷，稱為“基載機(jī)”。主調(diào)發(fā)電機(jī)法原理簡單，但缺點(diǎn)是使主調(diào)機(jī)和基載機(jī)的功率因數(shù)不一致，且隨負(fù)載的變化而變化，這樣當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，調(diào)頻過程就會(huì)很慢，因?yàn)橹挥兄髡{(diào)機(jī)組在起調(diào)整作用。

2）有差調(diào)節(jié)。利用具有有差調(diào)速特性且調(diào)差系數(shù)相近的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行來實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定及負(fù)載分配的頻載調(diào)節(jié)方法。這種方法無自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置，無法進(jìn)行二次調(diào)節(jié)，各機(jī)組只由具有有差特性的調(diào)速器來控制，因此不能很好地維持頻率恒定，負(fù)載分配一般也不均勻。此外，它不能自動(dòng)轉(zhuǎn)移負(fù)荷。

3）主從控制法。主從控制法是在并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組中選擇一臺(tái)作為主控機(jī)，主控機(jī)的主要作用維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。它不斷地把系統(tǒng)頻率與給定頻率相比較，當(dāng)系統(tǒng)頻率高于給定頻率時(shí)，其調(diào)節(jié)器輸出減速信號，通過主控機(jī)的調(diào)速伺服馬達(dá)調(diào)小原動(dòng)機(jī)的油門；反之，則加大油門，力圖維持系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定，有時(shí)也稱其為Master，相應(yīng)地其余的機(jī)組稱為slaver，專門負(fù)責(zé)負(fù)荷分配，對頻率的變化則不過問。

4）積差法。積差調(diào)整法是按頻差△f對時(shí)間的積分 ΔF=K∫ Δfdt來進(jìn)行調(diào)頻的，同時(shí)引入與各機(jī)組實(shí)際功率成正比的功率信號進(jìn)行比較來校正負(fù)荷分配。它的特點(diǎn)是調(diào)整結(jié)束時(shí)總是保持恒頻和按比例分配負(fù)荷。

5）虛有差法。虛有差法是在參與并聯(lián)的每一臺(tái)發(fā)電機(jī)上都裝設(shè)按頻差和功率分配差進(jìn)行調(diào)整的控制系統(tǒng)。在它們的控制下能經(jīng)常地保持電網(wǎng)的頻率為額定值，電力系統(tǒng)的負(fù)荷則按給定比例進(jìn)行分配。雖然每臺(tái)發(fā)電機(jī)所裝置的調(diào)速器仍為有差特性，且調(diào)差系數(shù)都不為零，也不會(huì)影響調(diào)整結(jié)果。這就是“虛有差”這一名稱的含義。目前它在自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。

本文采用比較優(yōu)越且應(yīng)用廣泛的虛有差法作為自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載的方法，虛有差法仿真時(shí)都假設(shè)有功功率已經(jīng)平均分配。

2 虛有差法調(diào)頻及Matlab仿真

2.1 虛有差法調(diào)節(jié)原理（見圖1）[3]

自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置由測頻器、測功器、調(diào)整器組成。假設(shè)兩臺(tái)同容量機(jī)組作并聯(lián)運(yùn)行，裝置按照平均分配有功的原則進(jìn)行調(diào)整。

圖1 虛有差法調(diào)節(jié)原理圖

2.2 頻率信號測量和阻尼電路的傳遞函數(shù)

該電路輸入量為Δ?（轉(zhuǎn)速相對偏差），輸出量似乎電壓信號UΔf，其傳遞函數(shù)可近似為一個(gè)比例環(huán)節(jié)與慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)。

頻率調(diào)整，假設(shè)各臺(tái)發(fā)電機(jī)的有功功率已經(jīng)平均分配，那么上圖中個(gè)測功器輸出端“1”、“4”兩點(diǎn)間直流電壓相等，又因?yàn)椤?”連成一點(diǎn)，故“4”等電位，可得到如圖2的等效電路。

如fw＞fe,測頻器f輸出端路“2”為負(fù)、“3”為正。

如fw＜fe，測頻器f輸出端路“2”為正、“3”為負(fù)。

調(diào)整器輸入綜合信號Vsri為正時(shí)（即“4”為負(fù)、“3”為正），發(fā)出減速脈沖，當(dāng)Vsri為負(fù)時(shí)（即“3”為負(fù)、“4”為正），發(fā)出加速脈沖。

圖2 測頻器等效電路

當(dāng)fw＞fe，因?yàn)椤?”為負(fù)，“3”為正，每個(gè)調(diào)整器的輸入端均是“4”為負(fù)，“3”為正，故均發(fā)出減速脈沖信號，使各機(jī)組油門減小，輸出的頻率下降，直到fw=fe，測頻器輸出Vf=KfΔf= 0 時(shí)，調(diào)速器輸入Vsri都為零時(shí)，調(diào)整結(jié)束。

當(dāng)fw＜fe，調(diào)整器將進(jìn)行相反的調(diào)節(jié)，直到靜態(tài)頻差為零，調(diào)整過程完畢。

2.3 功率信號測量和比較電路的傳遞函數(shù)

按相敏原理制成的功率變換器，其輸出電壓up與發(fā)電機(jī)實(shí)際功率的相對值PD成正比，即，up=Kp PD；經(jīng)功率比較，得到的功率分配偏差信號為

式中，n為并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組數(shù)；P為第i臺(tái)機(jī)組的輸出功率（i=1,2…n）。

功率分配，假定在調(diào)整過程中頻率始終保持額定值，則測頻器輸出為零。測功器因輸出直流電壓信號，可看做是一個(gè)直流電源，并忽略其內(nèi)阻，裝置的等效電路變換為

圖3 測功器等效電路

調(diào)整器從各自的均功電阻R上取得輸入信號。假設(shè)有n臺(tái)機(jī)組參與并聯(lián)運(yùn)行，各測功器上輸出的電壓、電流分別為Vpi和Ii，由歐姆定律得到各支路電流為

整理得

由此可見，每個(gè)均功電阻上的電壓（調(diào)整器的輸入信號）就是功差信號。如果1號發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率大于參與并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的平均功率，則在該機(jī)組控制電路中的均功電阻上將有電壓Vsri

這個(gè)“3”正，“4”負(fù)的信號電壓加于調(diào)整器T1輸入端，就會(huì)令1號機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行減小油門的二次調(diào)整，使之減負(fù)載；同時(shí)，必然有另外機(jī)組的均功電阻上的電信號小于零，以使相應(yīng)的調(diào)整器發(fā)出加速信號，使之加負(fù)載，一直到各機(jī)組的負(fù)載都相等時(shí)為止。此時(shí)，各均功電阻上的電壓均為零調(diào)整結(jié)束。

2.4 綜合調(diào)整

裝置在實(shí)際調(diào)整過程中，隨著功率的變化，系統(tǒng)的頻率也會(huì)有變化，所以各調(diào)速器實(shí)際接受“功差”和“頻差”的綜合信號

各調(diào)整器按接受的Vsri進(jìn)行調(diào)整，直到滿足各調(diào)整器輸入的“頻差”與“功差”信號均為零時(shí)，調(diào)整才完成。

綜上所述，這種自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置不論對于頻率的恒定還是對于有功功率的平均分配，在理論上都能夠?qū)崿F(xiàn)無差調(diào)整，盡管調(diào)速器本身是有差特性，故這種調(diào)節(jié)方式稱為虛有差法。

3 控制方法及仿真研究

3.1 控制模塊設(shè)計(jì)

本文的控制最關(guān)鍵的就是先判斷功率的變化時(shí)負(fù)荷還是供油干擾引起的，如果是負(fù)荷的原因則由上述的“頻差”與“功差”調(diào)整器調(diào)節(jié)；如果是供油干擾，則控制加入。

圖4 控制模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

由上分析可知，當(dāng)加入干擾力矩時(shí)，Δω和ΔPE二者變化一致，二者符號一樣，故采用角速度ω、發(fā)電機(jī)電磁功率PE作為被采集量，為了使他們變化時(shí)間一致，在PE側(cè)加入了延時(shí)模塊，然后對兩個(gè)量求導(dǎo)相乘，到switch模塊，作為控制信號。取為反饋量，控制點(diǎn)在調(diào)速器始端，考慮發(fā)生功率交互振蕩時(shí)，機(jī)組剛啟動(dòng)帶負(fù)荷時(shí)值較大，可采用PID控制規(guī)律對其進(jìn)行處理。

當(dāng)有供油干擾時(shí)，它必將導(dǎo)致機(jī)械功率變化，為ΔPT，此時(shí)：①當(dāng)柴油機(jī)的功率突然增加ΔPT＞0時(shí)，轉(zhuǎn)子就被加速即發(fā)電機(jī)角速度ω增大，PE將增大；②當(dāng)柴油機(jī)的功率突然增加 ΔPT＜ 0 時(shí)，轉(zhuǎn)子就被加速即發(fā)電機(jī)角速度ω減小，PE將減小。

此種消除功率交互振蕩的控制方法，優(yōu)點(diǎn)如下：①只要供油干擾產(chǎn)生干擾力矩，不管是由于哪種原因產(chǎn)生的，這種控制方法能判斷出來，將其引起的功率交互振蕩現(xiàn)象消除；②所采集的信號來自本臺(tái)機(jī)組，采集方便；③控制的對象是單臺(tái)機(jī)組，當(dāng)其它機(jī)組改變運(yùn)行方式不會(huì)帶來改變參數(shù)的不便。

3.2 仿真結(jié)果分析

本文采用柴油發(fā)電機(jī)雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，用Matlab仿真該系統(tǒng)。兩臺(tái)機(jī)組為同型號，勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)均相同，負(fù)荷參數(shù)：PL= 6 .5e5W，QL= 2000var[4]。

設(shè)置供油干擾為 Δgr=ksin(ωt+α)，施加到 1號機(jī)組，此時(shí)會(huì)引起整個(gè)發(fā)電機(jī)組功率交互振蕩，并會(huì)干擾系統(tǒng)的頻率輸出。圖5－圖8是加入控制前后1號機(jī)組電磁功率和系統(tǒng)頻率的曲線。

圖5 交互振蕩時(shí)1號機(jī)組電磁功率曲線

圖6 加入控制后1號機(jī)組電磁功率曲線

圖7 功率交互振蕩時(shí)系統(tǒng)頻率曲線

圖8 加入控制后系統(tǒng)頻率曲線

由圖5—圖8可看出，當(dāng)1號機(jī)組受擾動(dòng)后，其輸出電磁功率出現(xiàn)振蕩，系統(tǒng)的頻率也隨之連續(xù)波動(dòng)；當(dāng)加入控制后，1號機(jī)組輸出的電磁功率振蕩消除，系統(tǒng)的頻率也得到改善。

4 結(jié)論

柴油發(fā)電機(jī)組在并聯(lián)運(yùn)行中常出現(xiàn)由于供油干擾引起的功率交互振蕩，功率的振蕩進(jìn)而會(huì)引起系統(tǒng)頻率的波動(dòng)。本文的控制方式是先對產(chǎn)生功率振蕩的原因進(jìn)行分析、判斷，再采用“虛有差”法調(diào)節(jié)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的各機(jī)組分配的功率。Matlab仿真結(jié)果表明，該控制方法能夠有效地抑制機(jī)組間的功率交互振蕩，并能提高系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定性。

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