吳作勛，林榮文，李傳棟

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建福州350002;2.福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州350002;3.福建省電力試驗(yàn)研究院，福建 福州350007)

柴油發(fā)電機(jī)以其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、熱效率高、起動(dòng)迅速、控制靈活等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用在醫(yī)療等部門(mén)，也可用在電網(wǎng)無(wú)法到達(dá)的偏遠(yuǎn)施工現(xiàn)場(chǎng).雙柴油發(fā)電機(jī)組與同容量單臺(tái)機(jī)組相比，運(yùn)行方式靈活、投資少、使用率高，在負(fù)荷變化較大時(shí)節(jié)能效果明顯.兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并列時(shí)可將正在運(yùn)行的機(jī)組當(dāng)成“小電網(wǎng)”.待并機(jī)組與運(yùn)行機(jī)組并列相當(dāng)于發(fā)電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)并電網(wǎng).

文獻(xiàn)［1－5］提出在發(fā)電機(jī)組并列操作時(shí)，頻差、壓差和相角差都會(huì)影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行、壽命及穩(wěn)定性.為了避免非同期操作對(duì)電機(jī)的傷害，一般發(fā)電機(jī)都必須是準(zhǔn)同期并列.

目前國(guó)內(nèi)以ZZQ5為代表的模擬式同期裝置因合閘速度慢、準(zhǔn)確性差，不能進(jìn)行狀態(tài)自檢.而計(jì)算機(jī)具有高速運(yùn)算和邏輯判斷功能，再加上先進(jìn)的算法，能使發(fā)電機(jī)快速準(zhǔn)確地并入電網(wǎng)，但是價(jià)格昂貴，僅適合大電機(jī)并大電網(wǎng).

本文設(shè)計(jì)的柴油發(fā)電機(jī)組微機(jī)式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置具有硬件簡(jiǎn)單、功能齊全、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，適合中小容量發(fā)電機(jī)的并列;通過(guò)對(duì)自動(dòng)準(zhǔn)同期存在的壓差、頻差、相角差的不同方案分別進(jìn)行分析、論證，給出本裝置的設(shè)計(jì)方法，并加以仿真驗(yàn)證.

1 準(zhǔn)同期并列的條件

同期是指待并機(jī)組與運(yùn)行機(jī)組滿(mǎn)足如下條件:(1)兩電壓幅值相等，即U1=U2;(2)兩電壓角頻率相等，即ω1=ω2;(3)合閘瞬間的相角差為零，即δ=00.

將滿(mǎn)足以上3個(gè)條件的發(fā)電機(jī)組稱(chēng)為準(zhǔn)確同期并列(簡(jiǎn)稱(chēng)準(zhǔn)同期并列).

在存在電壓差和頻率差的情況下，并列會(huì)造成無(wú)功功率和有功功率的沖擊，也就是說(shuō)在斷路器合上的那一瞬間，電壓高的發(fā)電機(jī)向電壓低的發(fā)電機(jī)輸送一定數(shù)值的無(wú)功功率，頻率高的發(fā)電機(jī)向頻率低的發(fā)電機(jī)輸送一定數(shù)值的有功功率.在具有相角差的情況下，并列的后果更為嚴(yán)重.相角差是指發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子直軸(d軸)和定子三相電流合成的同步旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁軸之間的角差.在斷路器合上的那一瞬間，三相電流合成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將產(chǎn)生一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，迫使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系以ω1角速度牽入同步.一個(gè)極大質(zhì)量的轉(zhuǎn)子軸系于極短時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，可造成繞組線(xiàn)棒變形松脫，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)或多點(diǎn)接地，連軸器螺栓扭曲，主軸出現(xiàn)裂紋等，甚至誘發(fā)次同期諧振.

文獻(xiàn)［1］指出準(zhǔn)同期操作的要求是“快速準(zhǔn)確”.準(zhǔn)確并列是對(duì)斷路器兩端的壓差、頻差及相角差提出一定的要求，使發(fā)電機(jī)在沖擊不大的情況下平穩(wěn)地并入電網(wǎng);而快速并列是發(fā)電機(jī)往往具有一定的承受沖擊的能力，因此沒(méi)有必要把壓差、頻差限制在太小的范圍，否則會(huì)延遲并列的時(shí)間，在系統(tǒng)儲(chǔ)備不足的情況下會(huì)造成嚴(yán)重后果，而且發(fā)電機(jī)空轉(zhuǎn)對(duì)能源也是一種浪費(fèi).相角差的危害很大，要撲捉第1次出現(xiàn)δ=0的時(shí)機(jī).

2 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)

組成柴油發(fā)電機(jī)組自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的硬件模塊較多，但主要由基本的單片機(jī)系統(tǒng)，人機(jī)交互、檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理部件，以及輸入、輸出部件等組成(圖1).

圖1 數(shù)字式自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置邏輯框圖Fig.1 Logic diagram of digital automatic quasi-synchronization

微處理器型號(hào)為AT89S52，它有8K字節(jié)的閃爍存貯器和8K字節(jié)的程序空間，多余的程序存貯空間可作為將來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)所用.故選此機(jī)型可以不必在外部擴(kuò)展程序存貯器，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路，減少系統(tǒng)成本［6］.

壓差檢測(cè)采用A/D轉(zhuǎn)換電路，將電壓傳感器傳來(lái)的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，由CPU進(jìn)行判別處理.電壓測(cè)量電路的測(cè)量速度不能太慢，要及時(shí)跟蹤電壓的變化，尤其是發(fā)電機(jī)電壓的變化.勵(lì)磁調(diào)壓要根據(jù)測(cè)得的電壓值對(duì)發(fā)電機(jī)電壓及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié).同期的快速性也要求電壓測(cè)量速度快，最好在1－2個(gè)周期內(nèi)就能夠獲取待并點(diǎn)兩側(cè)的電壓值.

頻差相角差檢測(cè)的方法是:來(lái)自并列點(diǎn)斷路器兩側(cè)的二次電壓經(jīng)過(guò)隔離電路后通過(guò)相敏電路將正弦波轉(zhuǎn)化為相同周期的矩形波;通過(guò)對(duì)矩形波電壓的過(guò)零檢測(cè)，即可從頻差、相角差鑒別電路中獲取待并發(fā)電機(jī)側(cè)及運(yùn)行發(fā)電機(jī)側(cè)的頻率f1、f2，進(jìn)而獲得頻差fd、角頻率差ωd.

輸出電路實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的均壓、均頻和合閘控制的功能，控制命令由加速、減速、升壓、降壓、合閘、同步閉鎖等繼電器執(zhí)行.

2.1 電壓差檢測(cè)

對(duì)于發(fā)電機(jī)電壓差的檢測(cè)一般采用電壓變送器法和交流采樣法

電壓變送器法:通過(guò)交流電壓變送電路將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，經(jīng)采樣、放大后由A/D接口進(jìn)入主機(jī);CPU讀得有效值后，經(jīng)軟件計(jì)算做出是否符合并列條件的判斷.

對(duì)每臺(tái)發(fā)電機(jī)可采用運(yùn)算放大和有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)電壓變送電路，其中有效值轉(zhuǎn)換電路采用AD736芯片，運(yùn)算放大采用高精度的OP07.該方法的特點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但輸入幅度變化時(shí)響應(yīng)較慢.

交流采樣具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)對(duì)電壓量的計(jì)算采用交流采樣法，設(shè)計(jì)的硬件電路如圖2所示:

圖2 信號(hào)調(diào)理電路Fig.2 Signal processing circuit

輸入電壓Uin經(jīng)隔離變壓器降壓后，通過(guò)電阻分壓輸出，輸出電壓Uout作為AD采樣的輸入信號(hào)，AD的輸出信號(hào)送到CPU，計(jì)算電壓的真有效值.軟件設(shè)計(jì)的思路是將一個(gè)周期信號(hào)在一定條件下展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù).根據(jù)傅里葉算法，設(shè)一個(gè)周期信號(hào)f(t)=f(t+T)，其周期為T(mén)，滿(mǎn)足［0，T］上絕對(duì)可積，則f(t)可展開(kāi)為級(jí)數(shù):

式中，n為自然數(shù)，an和bn分別為n次諧波的余弦和正弦的幅值.

以電壓為例，將其離散數(shù)字信號(hào)的積分改為求和，如果每周期采樣12點(diǎn)(N=12)，基波信號(hào)的實(shí)部和虛部分別為:

借鑒文獻(xiàn)［7－9］，建立壓差檢測(cè)的Matlab仿真模型，如圖3所示.模型的工作原理是:假設(shè)G1發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定工作電壓不變，設(shè)為常數(shù)1，待并發(fā)電機(jī)U2的電壓值為0－2 V，在測(cè)出1號(hào)、2號(hào)電機(jī)電壓的真有效值之后，對(duì)U1、U2進(jìn)行比較運(yùn)算;若則滿(mǎn)足壓差條件，輸出高電平;若不滿(mǎn)足壓差條件，輸出低電平;若U2＞U1，負(fù)脈沖通過(guò)信號(hào)交換和積分器，調(diào)壓信號(hào)發(fā)出降壓信號(hào);若U2＜U1，正脈沖通過(guò)信號(hào)交換和積分器，調(diào)壓器發(fā)出升壓信號(hào);當(dāng)滿(mǎn)足壓差條件時(shí)，觸發(fā)子系統(tǒng)鎖存當(dāng)前的積分值，調(diào)壓器輸出觸發(fā)子系統(tǒng)里的采樣保持值.仿真結(jié)果如圖4所示.

2.2 頻率與頻差的檢測(cè)

發(fā)電機(jī)頻率的測(cè)定也有如下2種方法.方法一、檢測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，通過(guò)(p為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù))，求出頻率.這種方法誤差較大.

圖3 壓差檢測(cè)仿真模型Fig.3 Simulation model of voltage amplitude difference detection

圖4 電壓差滿(mǎn)足時(shí)的采樣保持值Fig.4 Sampling and holding value when voltage amplitude difference was satisfied

方法二、來(lái)自并列點(diǎn)兩側(cè)的二次電壓經(jīng)過(guò)隔離傳感器后通過(guò)相敏電路將正弦波轉(zhuǎn)換為相同周期的矩形波，對(duì)矩形波的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)CPU計(jì)算矩形波的上升沿與下降沿的時(shí)間，即可獲取發(fā)電機(jī)的頻率.因?yàn)檫@種方法能夠利用CPU的運(yùn)算能力提高測(cè)頻的精度，所以本設(shè)計(jì)采用方法二測(cè)定發(fā)電機(jī)頻率，硬件電路如圖5所示.

圖5 零交比較電路Fig.5 Comparison circuit of passing zero

輸入信號(hào)Uin經(jīng)過(guò)比較器LM311后，變?yōu)榉讲?，方波的頻率與輸入電壓的頻率相同.方波的高電平為VCC，低電平為GND.圖5中的輸入電壓Uin通過(guò)電阻R2接到U1的反相輸入端PIN3，與同相輸入端的低電位進(jìn)行比較.R1與R2的阻值相等.采用CPU的計(jì)數(shù)器計(jì)算輸出信號(hào)Uout，求出頻率.

頻率檢測(cè)仿真模型如圖6所示.具體仿真實(shí)現(xiàn)的過(guò)程是:先將正弦波整成矩形方波，然后檢測(cè)方波的上升與下降情況，將下降時(shí)刻減去上升時(shí)刻后得到半個(gè)周期，去除首個(gè)半周期干擾之后，把得到的半周期乘以2，取絕對(duì)值再求倒數(shù)，最后得到發(fā)電機(jī)頻率f.仿真結(jié)果如圖7所示.而頻率差的檢測(cè)方法與電壓差的檢測(cè)方法一樣.

圖6 頻率檢測(cè)仿真模型Fig.6 Simulation model of frequency detection

2.3 相角差檢測(cè)

相角差檢測(cè)模型是將電壓交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻、同相的方波.U1、U2的2個(gè)方波信號(hào)，并接到異或門(mén);當(dāng)2個(gè)方波輸入電平不同時(shí)，異或門(mén)輸出為高電平，通過(guò)檢測(cè)異或方波上升時(shí)間和下降時(shí)間得到一系列有規(guī)律變化的方波.方波的高度值代表相角差的大小.最后利用CPU的計(jì)數(shù)器計(jì)算時(shí)間和相角差δ.硬件電路見(jiàn)圖8，仿真模型見(jiàn)圖9.

圖7 頻率測(cè)量結(jié)果Fig.7 Result of frequency detection

圖8 相角差檢測(cè)電路Fig.8 Detection circuit of phase angle difference

圖9 相角差測(cè)量仿真模型Fig.9 Simulation Model of phase angle difference detection

圖10的一系列異或門(mén)輸出的矩形波寬度τi與相角差δi相對(duì)應(yīng).

圖10 相角差測(cè)量波形分析Fig.10 Waveform analysis of phase angle difference detection

設(shè)1#機(jī)的電壓方波寬度為已知，等于二分之一周期π(180°)，相角差可以按式(7)求得.

式中:τi表示異或方波對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值;τ1表示1號(hào)機(jī)半周波對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值.式(7)中得到τ1和τi值，CPU可從定時(shí)計(jì)數(shù)器讀入求得.

相位差在脈動(dòng)電壓從零變化到最大值的前半個(gè)周期內(nèi)是逐漸增大的，在后半個(gè)周期內(nèi)是逐漸減小的.因此，合閘只能在后半個(gè)周期進(jìn)行［10］.

3 雙柴油發(fā)電機(jī)并列合閘控制

在檢測(cè)完壓差、頻差、相角差之后，還必須考慮合閘開(kāi)關(guān)的動(dòng)作時(shí)間tDC.采用導(dǎo)前相角的方法能解決這個(gè)問(wèn)題.導(dǎo)前相角的計(jì)算推導(dǎo)如下:

式中:ωsi為計(jì)算點(diǎn)的滑差角速度;δi和δi－1分別為本計(jì)算點(diǎn)和上一計(jì)算點(diǎn)的角度值;2τx為兩計(jì)算點(diǎn)之間的時(shí)間;tDC為CPU單元發(fā)出合閘信號(hào)到斷路器主觸頭閉合時(shí)需要經(jīng)歷的時(shí)間.

雙柴油發(fā)電機(jī)合閘并列的仿真模型如圖11所示.

根據(jù)本設(shè)計(jì)的對(duì)象，選擇2臺(tái)發(fā)電機(jī)采用SSM模型(50 MVA，10.5 kV，50 Hz)，連接方式3-wire Y，三相斷路器采用由外部信號(hào)控制合閘，仿真算法采用ode15s(stiff/NDF).

3.1 帶壓差非同期并列合閘

假設(shè)1號(hào)發(fā)電機(jī)為運(yùn)行機(jī)組，2號(hào)發(fā)電機(jī)為待并列機(jī)組，通過(guò)設(shè)置發(fā)電機(jī)輸入勵(lì)磁參數(shù)E，使2臺(tái)發(fā)電機(jī)在有電壓差的情況下合閘，得到的仿真結(jié)果如圖12所示.由電壓和沖擊電流的波形圖可知，帶電壓幅值差合閘引起的沖擊電流為無(wú)功電流.

3.2 帶頻差非同期并列合閘

通過(guò)設(shè)置不同發(fā)電機(jī)頻率，使2臺(tái)發(fā)電機(jī)在有頻率差的情況下合閘，得到的仿真結(jié)果如圖13所示.由電壓和沖擊電流的波形圖可知，帶頻率差合閘引起的沖擊電流為有功電流.

圖11 雙柴油發(fā)電機(jī)組并列合閘控制模型Fig.11 Parallel controlling model of two diesel generators

圖12 帶壓差合閘2號(hào)發(fā)電機(jī)電壓與沖擊電流關(guān)系Fig.12 Relationship of the second generator voltage and impact current when voltage amplitude was different

圖13 帶頻率差合閘2號(hào)發(fā)電機(jī)電壓與沖擊電流關(guān)系Fig.13 Relationship of the second generator voltage and impact current when frequency was different

3.3 帶相角差非同期并列合閘

通過(guò)設(shè)置2臺(tái)發(fā)電機(jī)相角差，使2臺(tái)發(fā)電機(jī)在有相角差的情況下合閘，得到的仿真結(jié)果如圖14所示:

圖14 帶相角差合閘2號(hào)發(fā)電機(jī)電壓與沖擊電流關(guān)系Fig.14 Relationship of the second generator voltage and impact current when phase angle was different

由電壓和沖擊電流的波形圖可知，帶相角差合閘時(shí)會(huì)有較大的沖擊電流，并且在一定范圍內(nèi)，越大的相角差引起的沖擊電流越大.

3.4 自動(dòng)準(zhǔn)同期并列合閘

裝置配合自動(dòng)調(diào)壓、調(diào)頻控制，使2臺(tái)發(fā)電機(jī)壓差、頻差、相角差在合閘允許的范圍.自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置模型與自動(dòng)調(diào)壓調(diào)速模型如圖15、16所示.

圖15 自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置模型Fig.15 Model of automatic quasi-synchronization device

圖16 自動(dòng)調(diào)壓調(diào)頻模型Fig.16 Model of automatic voltage and frequency regulation

在準(zhǔn)同期條件下合閘得到的波形如圖17所示，準(zhǔn)同期合閘，沖擊電流很小，有效地保護(hù)了發(fā)電機(jī).

4 討論

(1)在2臺(tái)發(fā)電機(jī)組非同期并列時(shí)，頻率差、電壓差和相角差都會(huì)影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行、壽命及穩(wěn)定性.即電壓高的發(fā)電機(jī)向電壓低的發(fā)電機(jī)輸送一定數(shù)值的無(wú)功功率，頻率高的發(fā)電機(jī)向頻率低的發(fā)電機(jī)輸送一定數(shù)值的有功功率，但在發(fā)電機(jī)空載或輕載的情況下，即使存在較大的電壓差和較大的頻率差，其所對(duì)應(yīng)的無(wú)功功率和有功功率也是有限的，所以不會(huì)損壞發(fā)電機(jī).而且發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行中本來(lái)就能承受較大的負(fù)荷波動(dòng).但是，并列瞬間大的相角差會(huì)引起機(jī)組很大的振動(dòng)，因在這一瞬間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在電磁力作用下與系統(tǒng)同步，這種機(jī)械沖擊會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)棒與軸承的損壞，還會(huì)帶來(lái)巨大的沖擊電流.因此在準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)上，相角差的大小要嚴(yán)格控制.

圖17 自動(dòng)準(zhǔn)同期并列2號(hào)發(fā)電機(jī)電壓與沖擊電流的關(guān)系Fig.17 Relationship of the second generator voltage and impact current with automatic quasi-synchronization

(2)當(dāng)壓差、頻差不滿(mǎn)足并列條件時(shí)，自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，送到調(diào)壓器、調(diào)速器，從而對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)整，以滿(mǎn)足并列的要求.在本設(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)方式采用的是傳統(tǒng)的PID控制.文獻(xiàn)［11］指出如果要避免超調(diào)、調(diào)節(jié)過(guò)快過(guò)慢等現(xiàn)象，應(yīng)加入其它先進(jìn)的控制算法，使電壓和頻率能快速滿(mǎn)足并列要求.

(3)Matlab仿真證明本設(shè)計(jì)的方法可行，且適用的對(duì)象靈活，可用于大多數(shù)中小容量柴油發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同期并列裝置的設(shè)計(jì)與研究.

［1］葉念國(guó).由我國(guó)同期裝置的現(xiàn)狀所引發(fā)的思考［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22(12):74－77.

［2］李先彬，王哲明.非確定性滑差的微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期原理［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1990，10(3):54－59.

［3］黃純，何怡剛，江亞群.一種新的自動(dòng)準(zhǔn)同期并列算法的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(3):60－64.

［4］吳作勛.無(wú)人值守雙柴油發(fā)電機(jī)組的微機(jī)監(jiān)控裝置［D］.福州:福建農(nóng)林大學(xué)，2006.

［5］張炳達(dá)，羅彬，張潔華.基于正序基波電壓合成相量的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件核算法［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(16):52－56.

［6］涂時(shí)亮，張友德.單片機(jī)控制技術(shù)［M］.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社，1994.

［7］王晶.電力系統(tǒng)的MATLAB/SIMULINK仿真與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［8］趙景波.MATLAB控制系統(tǒng)仿真與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［9］李傳棟.向量化編程技術(shù)及其在大型電網(wǎng)潮流計(jì)算中的應(yīng)用［J］.福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，36(5):537－541.

［10］楊冠城.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理［M］.4版.北京:中國(guó)電力出版社，2007.

［11］劉金琨.先進(jìn)PID控制MATLAB仿真［M］.3版.北京:電子工業(yè)出版社，2011.