PLC對柴油發(fā)電機組全過(guò)程控制的探討

標簽：PLC 應急供電 發(fā)電機

引言

柴油發(fā)電機組在應急供電、遠離電力網(wǎng)的海島礦山供電中廣泛應用，對供電系統基本要求是提供穩頻穩壓的電源;柴油發(fā)電機組自動(dòng)化控制特別是多機并列運行機組有其自身特點(diǎn)，因為柴油發(fā)電系統容量小，對機組調速器的調整改變的不僅是有功還可能影響系統頻率，對機組勵磁的調整改變的不僅是無(wú)功還可能影響系統電壓。在機組的自動(dòng)化控制方面，已經(jīng)有一些專(zhuān)用核心控制器在應用，如丹麥DEIF公司的GPC很早就我國在船舶電站中應用;國內也有公司開(kāi)發(fā)出類(lèi)似控制裝置，但主要還是以多個(gè)控制模塊組合控制為主，如并車(chē)模塊、負載分配模塊等; 本文探討一種采用PLC為核心控制器和其它電氣設計人員熟悉的元件組成的多臺柴油發(fā)電機組控制系統，可大大提高系統的可靠性和可維護性，且控制方式靈活。

一、典型應用系統方案

某典型應急供電系統含三臺發(fā)電機組，見(jiàn)圖1所示，QF1～3為機組開(kāi)關(guān)，QF4為機組總供電開(kāi)關(guān)，QF5為市電開(kāi)關(guān)，QF6為負載開(kāi)關(guān)。PLC1～3為機組控制元件;ME1～3電力綜合儀表為機組電量監視元件，提供機組過(guò)電流、逆功率等保護功能;PLC4為公用控制元件，上位監控采用1臺觸摸屏即可。

公用PLC可完成QF4、QF5的位置監控、公用起動(dòng)條件監視、起停順序管理、發(fā)出各機組起停命令信號、接受機組起動(dòng)阻塞信號等，甚至還可以進(jìn)行大負荷投入的閉鎖控制、公用蓄電池管理等。機組控制PLC主要執行機組起動(dòng)控制、并列元件自動(dòng)投退、功率分配、機組解列控制等主要控制工作。

對柴油發(fā)電機組起?？刂?、開(kāi)關(guān)閉鎖等一些時(shí)序控制與邏輯控制，本文不多介紹，重點(diǎn)討論機組頻載控制;當然還應該提到另外兩個(gè)重要控制元件，電子調速器與并車(chē)模塊。并車(chē)模塊與其它發(fā)電廠(chǎng)所用的自動(dòng)準同期裝置在原理、功能、接線(xiàn)方式上并無(wú)二致，主要區別在于自動(dòng)準同期裝置所加電壓信號來(lái)自電壓互感器，為交流100V;而柴油發(fā)電機組的并車(chē)模塊可以直接接入交流380V電壓信號。 電子調速器實(shí)際就是一個(gè)速度閉環(huán)控制模塊，單機運行中對保證頻率穩定，在機組并列運行中，就應該用到droop功能，即下降曲線(xiàn)控制方式，另外為了減少因為下降曲線(xiàn)控制帶來(lái)的頻率降和實(shí)現功率分配，輔助控制電壓(AUX)的重要作用就體現出來(lái)了，本文所述PLC控制，就是將PLC產(chǎn)生的控制信號作用于輔助控制端而實(shí)現的。

二、機組并列運行的頻載控制方式和PLC控制探討

機組能夠穩定并列運行的一個(gè)基本要求是對轉速頻率控制、電壓無(wú)功控制采用有差調節， 其實(shí)這兩項控制的模式完全一致;為了實(shí)現有差調節，頻率閉環(huán)控制系統的反饋量疊加有功功率分量K· Pf，圖2就是一個(gè)頻率有差調節的框圖， k>0的情況下，控制結果為下降曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3所示;顯而易見(jiàn)，曲線(xiàn)3的功率疊加系數大于曲線(xiàn)1的功率跌加系數，所以下垂更加明顯;如果k=0，則轉變?yōu)楹泐l控制，適合單機運行;假設將頻率返回量乘以系數二，則電機頻率(轉速)為設定值的一半，就可以實(shí)現機組怠速運行; 以上所述就是電子調速器的基本原理。如果要對電壓無(wú)功進(jìn)行有差調節，只是將頻率改為電壓，將有功改為無(wú)功，由于柴電機組勵磁多采用相復勵不可控勵磁，可以通過(guò)多種均壓線(xiàn)方式進(jìn)行無(wú)功分配，且電壓穩定，這里不做過(guò)多論述。

柴電機組并列運行的頻載控制方式主要有以下幾種：①全部采用下降曲線(xiàn)，②功率均分或按比例分配，③主調電機法，即設一臺調頻機組，其它機組采用固定功率控制。下面試探討論采用PLC的PID控制、高速計數、模擬量采集和模擬量輸出功能進(jìn)行機組頻載控制的方法。PLC通過(guò)高速計數輸入口計算速度傳感器脈沖數以獲取機組轉速，被控機組功率和所有并列運行機組總功率通過(guò)安裝于本機的智能儀表和總電量監視儀表(如圖1中的ME4)變送輸出，當然也可以采用有功功率變送器。

見(jiàn)圖4所示，采用下降曲線(xiàn)控制時(shí)，可以設置xset = fN-ff(fN為系統額定頻率)，強制xf =0，PLC只是維持系統頻率穩定，功率分配由各調速器調差率決定。雖然沒(méi)有實(shí)現功率分配功能，但克服了單純采用電子調速器下降曲線(xiàn)控制帶來(lái)的頻率偏差。

各機組額定功率相同時(shí)，可以采用功率均分控制，以圖1所示系統為例，可將xset設置為(fN-ff )+Pz / 3，xf設置為Pf(Pf為被控機組的有功反饋，Pz為負載消耗功率)，若該機組輸出功率小于功率平均值，則該機組運行曲線(xiàn)上移，斜率不變，機組承擔更多有功;反之機組運行曲線(xiàn)下移，減少有功出力;各機組功率不斷調整，直到實(shí)現功率均分;當系統頻率發(fā)生變化時(shí)所有并列運行發(fā)電機組共同調整。各機組額定功率不等時(shí)，如圖1所示，假設G1、G2、G3額定功率分別為

機組額定功率相差懸殊時(shí)，可采用功率最大的機組作為主調機組，承擔系統主要功率，其電子調速器采用恒轉速控制，PLC實(shí)現頻率微調功能，設置方式與下降曲線(xiàn)控制一致;機組控制與下降曲線(xiàn)控制的主要區別是禁止了電子調速器的droop功能。功率很小的機組只作為功率補充之用，電子調速器必須設置droop功能，PLC采用功率閉環(huán)控制。這樣的系統中只能設置一臺主調電機，否則無(wú)法并機工作。

三、過(guò)渡過(guò)程的控制分析

現按照機組并列運行后采用功率均分方式運行分析機組過(guò)渡運行過(guò)程的控制策略。所有機組起動(dòng)時(shí)，怠速時(shí)間內，PLC不參轉速與控制，只進(jìn)行怠速時(shí)間計時(shí)，怠速時(shí)間結束后，采用轉速閉環(huán)控制，以方便接受自動(dòng)準同期的增速、減速命令。如圖1所示，市電停電后，PLC4跳開(kāi)斷路器QF5并禁止QF5合閘，向G1發(fā)起機命令，G1啟動(dòng)建壓后檢測到QF1～QF3全部分位，則不檢同期合閘;機組單機運行時(shí)，電子調速器采用恒速控制;PLC4合上斷路器QF4、QF6，向負載供電。由于負載增加，QF4向2號機組控制器發(fā)起機命令，2號機組起動(dòng)成功后，檢測到QF1合位，則接通同步模塊回路，進(jìn)行準同步并網(wǎng)。并網(wǎng)成功后，1、2號機組控制器檢測到QF1、QF2合位，立即轉入功率均分運行模式，兩機組電子調速器投入droop功能(采用下降曲線(xiàn)控制)，機組1控制曲線(xiàn)下移，機組2控制曲線(xiàn)上移，機組1向機組2轉移負荷，最終達到平衡;同樣機組3并入后，機組1、機組2同時(shí)向機組3轉移負荷并最終達到平衡;不同之處在于2臺機組并機運行時(shí)，功率控制目標為Pz / 3，3臺機組并機運行時(shí)，功率控制目標為Pz / 3。當所需功率下降時(shí)，可以減少一臺機組運行，假設1號機組接到解列命令，首先將其功率控制目標改為0，其控制曲線(xiàn)緩慢下降，機組逐漸甩負荷;由于另外兩臺機組的控制目標仍然為Pz / 3，可能會(huì )導致機組出力不足，但將頻率差引入控制目標，保證了頻率穩定;在1號機組有功負載降至額定值20%以下后，可擇機斷開(kāi)斷路器QF1，機組1解列后，按停機流程停止運行。繼續運行機組檢測到有兩臺斷路器處于合位，則將功率控制目標修改為Pz / 2。當然，如果將機組1開(kāi)始解列操作的信息以開(kāi)關(guān)量信號通知2號、3號機組控制器，則功率轉移的過(guò)程更平穩。

四、系統的可實(shí)現性和穩定性析

通過(guò)以上分析，為實(shí)現頻載控制，機組控制PLC應具備1路PID運算功能、1路高速計速功能，需2路模擬量(本機有功、總有功變送)輸入、1路電壓模擬量輸出，另外還需要為數不多的開(kāi)關(guān)量。公用控制器以開(kāi)關(guān)量為主，當然，如果機組數量增加，也就相應增加輸入輸出點(diǎn)數量?？梢?jiàn)西門(mén)子S7-200這個(gè)層級的PLC就能勝任控制任務(wù)，即使增加AVR控制功能，也不在話(huà)下。

從系統的穩定性方面來(lái)說(shuō)，PLC頻載控制指示對機組調速器控制的輔助控制，作為補充功能;PLC控制器以比例積分控制為主，系統的穩定性快速性得到保障。由于電子調速器提供了轉速限制功能，智能電量?jì)x表提供了電量保護功能，系統的安全性得到保障。

五、結束語(yǔ)

PLC除具備邏輯運算功能外，還具有豐富的數值計算、模擬量處理、高速計速、數據通訊等功能;充分利用PLC的各項功能，并配以必要的變送器，可以實(shí)現柴油發(fā)電機組并列運行的各項自動(dòng)控制功能，可以保證系統運行的穩定性可靠性，由于所采用的元件為廣大電氣人員所熟悉，增強了系統的可維護性。

參考文獻.

[1]船舶電站.王文義.哈爾濱工程大學(xué)出版社.2006年9月

[2]S7-200可編程序控制器.西門(mén)子(中國)有限公司自動(dòng)化與驅動(dòng)集團.2005