PLC對柴油發(fā)電機組全過程控制的探討

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、遠離電力網的海島礦山供電中廣泛應用，對供電系統(tǒng)基本要求是提供穩(wěn)頻穩(wěn)壓的電源;柴油發(fā)電機組自動化控制特別是多機并列運行機組有其自身特點，因為柴油發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)頻率，對機組勵磁的調整改變的不僅是無功還可能影響系統(tǒng)電壓。在機組的自動化控制方面，已經有一些專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;國內也有公司開發(fā)出類似控制裝置，但主要還是以多個控制模塊組合控制為主，如并車模塊、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(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性，且控制方式靈活。

一、典型應用系統(tǒng)方案

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

公用PLC可完成QF4、QF5的位置監(jiān)控、公用起動條件監(jiān)視、起停順序管理、發(fā)出各機組起停命令信號、接受機組起動阻塞信號等，甚至還可以進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(zhí)行機組起動控制、并列元件自動投退、功率分配、機組解列控制等主要控制工作。

對柴油發(fā)電機組起停控制、開關閉鎖等一些時序控制與邏輯控制，本文不多介紹，重點討論機組頻載控制;當然還應該提到另外兩個重要控制元件，電子調速器與并車模塊。并車模塊與其它發(fā)電廠所用的自動準同期裝置在原理、功能、接線方式上并無二致，主要區(qū)別在于自動準同期裝置所加電壓信號來自電壓互感器，為交流100V;而柴油發(fā)電機組的并車模塊可以直接接入交流380V電壓信號。 電子調速器實際就是一個速度閉環(huán)控制模塊，單機運行中對保證頻率穩(wěn)定，在機組并列運行中，就應該用到droop功能，即下降曲線控制方式，另外為了減少因為下降曲線控制帶來的頻率降和實現功率分配，輔助控制電壓(AUX)的重要作用就體現出來了，本文所述PLC控制，就是將PLC產生的控制信號作用于輔助控制端而實現的。

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(wěn)定并列運行的一個基本要求是對轉速頻率控制、電壓無功控制采用有差調節(jié)， 其實這兩項控制的模式完全一致;為了實現有差調節(jié)，頻率閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋量疊加有功功率分量K· Pf，圖2就是一個頻率有差調節(jié)的框圖， k>0的情況下，控制結果為下降曲線，見圖3所示;顯而易見，曲線3的功率疊加系數大于曲線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。如果要對電壓無功進行有差調節(jié)，只是將頻率改為電壓，將有功改為無功，由于柴電機組勵磁多采用相復勵不可控勵磁，可以通過多種均壓線方式進行無功分配，且電壓穩(wěn)定，這里不做過多論述。

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，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行機組頻載控制的方法。PLC通過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安裝于本機的智能儀表和總電量監(jiān)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。

見圖4所示，采用下降曲線控制時，可以設置xset = fN-ff(fN為系統(tǒng)額定頻率)，強制xf =0，PLC只是維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，功率分配由各調速器調差率決定。雖然沒有實現功率分配功能，但克服了單純采用電子調速器下降曲線控制帶來的頻率偏差。

各機組額定功率相同時，可以采用功率均分控制，以圖1所示系統(tǒng)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，則該機組運行曲線上移，斜率不變，機組承擔更多有功;反之機組運行曲線下移，減少有功出力;各機組功率不斷調整，直到實現功率均分;當系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時所有并列運行發(fā)電機組共同調整。各機組額定功率不等時，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，可采用功率最大的機組作為主調機組，承擔系統(tǒng)主要功率，其電子調速器采用恒轉速控制，PLC實現頻率微調功能，設置方式與下降曲線控制一致;機組控制與下降曲線控制的主要區(qū)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(tǒng)中只能設置一臺主調電機，否則無法并機工作。

三、過渡過程的控制分析

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渡運行過程的控制策略。所有機組起動時，怠速時間內，PLC不參轉速與控制，只進行怠速時間計時，怠速時間結束后，采用轉速閉環(huán)控制，以方便接受自動準同期的增速、減速命令。如圖1所示，市電停電后，PLC4跳開斷路器QF5并禁止QF5合閘，向G1發(fā)起機命令，G1啟動建壓后檢測到QF1～QF3全部分位，則不檢同期合閘;機組單機運行時，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號機組起動成功后，檢測到QF1合位，則接通同步模塊回路，進行準同步并網。并網成功后，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(采用下降曲線控制)，機組1控制曲線下移，機組2控制曲線上移，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，功率控制目標為Pz / 3，3臺機組并機運行時，功率控制目標為Pz / 3。當所需功率下降時，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(wěn)定;在1號機組有功負載降至額定值20%以下后，可擇機斷開斷路器QF1，機組1解列后，按停機流程停止運行。繼續(xù)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開始解列操作的信息以開關量信號通知2號、3號機組控制器，則功率轉移的過程更平穩(wěn)。

四、系統(tǒng)的可實現性和穩(wěn)定性析

通過以上分析，為實現頻載控制，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關量。公用控制器以開關量為主，當然，如果機組數量增加，也就相應增加輸入輸出點數量。可見西門子S7-200這個層級的PLC就能勝任控制任務，即使增加AVR控制功能，也不在話下。

從系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面來說，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(tǒng)的穩(wěn)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，智能電量儀表提供了電量保護功能，系統(tǒng)的安全性得到保障。

五、結束語

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，可以實現柴油發(fā)電機組并列運行的各項自動控制功能，可以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)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(tǒng)的可維護性。

參考文獻.

[1]船舶電站.王文義.哈爾濱工程大學出版社.2006年9月

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