PLC對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組全過(guò)程控制的探討

標(biāo)簽：PLC 應(yīng)急供電 發(fā)電機(jī)

引言

柴油發(fā)電機(jī)組在應(yīng)急供電、遠(yuǎn)離電力網(wǎng)的海島礦山供電中廣泛應(yīng)用，對(duì)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(jī)組自動(dòng)化控制特別是多機(jī)并列運(yùn)行機(jī)組有其自身特點(diǎn)，因?yàn)椴裼桶l(fā)電系統(tǒng)容量小，對(duì)機(jī)組調(diào)速器的調(diào)整改變的不僅是有功還可能影響系統(tǒng)頻率，對(duì)機(jī)組勵(lì)磁的調(diào)整改變的不僅是無(wú)功還可能影響系統(tǒng)電壓。在機(jī)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(yīng)用，如丹麥DEIF公司的GPC很早就我國(guó)在船舶電站中應(yīng)用;國(guó)內(nèi)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(fù)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(shè)計(jì)人員熟悉的元件組成的多臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，可大大提高系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性，且控制方式靈活。

一、典型應(yīng)用系統(tǒng)方案

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

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

對(duì)柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組頻載控制;當(dāng)然還應(yīng)該提到另外兩個(gè)重要控制元件，電子調(diào)速器與并車(chē)模塊。并車(chē)模塊與其它發(fā)電廠所用的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在原理、功能、接線方式上并無(wú)二致，主要區(qū)別在于自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置所加電壓信號(hào)來(lái)自電壓互感器，為交流100V;而柴油發(fā)電機(jī)組的并車(chē)模塊可以直接接入交流380V電壓信號(hào)。 電子調(diào)速器實(shí)際就是一個(gè)速度閉環(huán)控制模塊，單機(jī)運(yùn)行中對(duì)保證頻率穩(wěn)定，在機(jī)組并列運(yùn)行中，就應(yīng)該用到droop功能，即下降曲線控制方式，另外為了減少因?yàn)橄陆登€控制帶來(lái)的頻率降和實(shí)現(xiàn)功率分配，輔助控制電壓(AUX)的重要作用就體現(xiàn)出來(lái)了，本文所述PLC控制，就是將PLC產(chǎn)生的控制信號(hào)作用于輔助控制端而實(shí)現(xiàn)的。

二、機(jī)組并列運(yùn)行的頻載控制方式和PLC控制探討

機(jī)組能夠穩(wěn)定并列運(yùn)行的一個(gè)基本要求是對(duì)轉(zhuǎn)速頻率控制、電壓無(wú)功控制采用有差調(diào)節(jié)， 其實(shí)這兩項(xiàng)控制的模式完全一致;為了實(shí)現(xiàn)有差調(diào)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(gè)頻率有差調(diào)節(jié)的框圖， k>0的情況下，控制結(jié)果為下降曲線，見(jiàn)圖3所示;顯而易見(jiàn)，曲線3的功率疊加系數(shù)大于曲線1的功率跌加系數(shù)，所以下垂更加明顯;如果k=0，則轉(zhuǎn)變?yōu)楹泐l控制，適合單機(jī)運(yùn)行;假設(shè)將頻率返回量乘以系數(shù)二，則電機(jī)頻率(轉(zhuǎn)速)為設(shè)定值的一半，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組怠速運(yùn)行; 以上所述就是電子調(diào)速器的基本原理。如果要對(duì)電壓無(wú)功進(jìn)行有差調(diào)節(jié)，只是將頻率改為電壓，將有功改為無(wú)功，由于柴電機(jī)組勵(lì)磁多采用相復(fù)勵(lì)不可控勵(lì)磁，可以通過(guò)多種均壓線方式進(jìn)行無(wú)功分配，且電壓穩(wěn)定，這里不做過(guò)多論述。

柴電機(jī)組并列運(yùn)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(diào)電機(jī)法，即設(shè)一臺(tái)調(diào)頻機(jī)組，其它機(jī)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(jì)數(shù)、模擬量采集和模擬量輸出功能進(jìn)行機(jī)組頻載控制的方法。PLC通過(guò)高速計(jì)數(shù)輸入口計(jì)算速度傳感器脈沖數(shù)以獲取機(jī)組轉(zhuǎn)速，被控機(jī)組功率和所有并列運(yùn)行機(jī)組總功率通過(guò)安裝于本機(jī)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(dāng)然也可以采用有功功率變送器。

見(jiàn)圖4所示，采用下降曲線控制時(shí)，可以設(shè)置xset = fN-ff(fN為系統(tǒng)額定頻率)，強(qiáng)制xf =0，PLC只是維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，功率分配由各調(diào)速器調(diào)差率決定。雖然沒(méi)有實(shí)現(xiàn)功率分配功能，但克服了單純采用電子調(diào)速器下降曲線控制帶來(lái)的頻率偏差。

各機(jī)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(tǒng)為例，可將xset設(shè)置為(fN-ff )+Pz / 3，xf設(shè)置為Pf(Pf為被控機(jī)組的有功反饋，Pz為負(fù)載消耗功率)，若該機(jī)組輸出功率小于功率平均值，則該機(jī)組運(yùn)行曲線上移，斜率不變，機(jī)組承擔(dān)更多有功;反之機(jī)組運(yùn)行曲線下移，減少有功出力;各機(jī)組功率不斷調(diào)整，直到實(shí)現(xiàn)功率均分;當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時(shí)所有并列運(yùn)行發(fā)電機(jī)組共同調(diào)整。各機(jī)組額定功率不等時(shí)，如圖1所示，假設(shè)G1、G2、G3額定功率分別為

機(jī)組額定功率相差懸殊時(shí)，可采用功率最大的機(jī)組作為主調(diào)機(jī)組，承擔(dān)系統(tǒng)主要功率，其電子調(diào)速器采用恒轉(zhuǎn)速控制，PLC實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)功能，設(shè)置方式與下降曲線控制一致;機(jī)組控制與下降曲線控制的主要區(qū)別是禁止了電子調(diào)速器的droop功能。功率很小的機(jī)組只作為功率補(bǔ)充之用，電子調(diào)速器必須設(shè)置droop功能，PLC采用功率閉環(huán)控制。這樣的系統(tǒng)中只能設(shè)置一臺(tái)主調(diào)電機(jī)，否則無(wú)法并機(jī)工作。

三、過(guò)渡過(guò)程的控制分析

現(xiàn)按照機(jī)組并列運(yùn)行后采用功率均分方式運(yùn)行分析機(jī)組過(guò)渡運(yùn)行過(guò)程的控制策略。所有機(jī)組起動(dòng)時(shí)，怠速時(shí)間內(nèi)，PLC不參轉(zhuǎn)速與控制，只進(jìn)行怠速時(shí)間計(jì)時(shí)，怠速時(shí)間結(jié)束后，采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，以方便接受自動(dòng)準(zhǔn)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(jī)命令，G1啟動(dòng)建壓后檢測(cè)到QF1～QF3全部分位，則不檢同期合閘;機(jī)組單機(jī)運(yùn)行時(shí)，電子調(diào)速器采用恒速控制;PLC4合上斷路器QF4、QF6，向負(fù)載供電。由于負(fù)載增加，QF4向2號(hào)機(jī)組控制器發(fā)起機(jī)命令，2號(hào)機(jī)組起動(dòng)成功后，檢測(cè)到QF1合位，則接通同步模塊回路，進(jìn)行準(zhǔn)同步并網(wǎng)。并網(wǎng)成功后，1、2號(hào)機(jī)組控制器檢測(cè)到QF1、QF2合位，立即轉(zhuǎn)入功率均分運(yùn)行模式，兩機(jī)組電子調(diào)速器投入droop功能(采用下降曲線控制)，機(jī)組1控制曲線下移，機(jī)組2控制曲線上移，機(jī)組1向機(jī)組2轉(zhuǎn)移負(fù)荷，最終達(dá)到平衡;同樣機(jī)組3并入后，機(jī)組1、機(jī)組2同時(shí)向機(jī)組3轉(zhuǎn)移負(fù)荷并最終達(dá)到平衡;不同之處在于2臺(tái)機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時(shí)，功率控制目標(biāo)為Pz / 3，3臺(tái)機(jī)組并機(jī)運(yùn)行時(shí)，功率控制目標(biāo)為Pz / 3。當(dāng)所需功率下降時(shí)，可以減少一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，假設(shè)1號(hào)機(jī)組接到解列命令，首先將其功率控制目標(biāo)改為0，其控制曲線緩慢下降，機(jī)組逐漸甩負(fù)荷;由于另外兩臺(tái)機(jī)組的控制目標(biāo)仍然為Pz / 3，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出力不足，但將頻率差引入控制目標(biāo)，保證了頻率穩(wěn)定;在1號(hào)機(jī)組有功負(fù)載降至額定值20%以下后，可擇機(jī)斷開(kāi)斷路器QF1，機(jī)組1解列后，按停機(jī)流程停止運(yùn)行。繼續(xù)運(yùn)行機(jī)組檢測(cè)到有兩臺(tái)斷路器處于合位，則將功率控制目標(biāo)修改為Pz / 2。當(dāng)然，如果將機(jī)組1開(kāi)始解列操作的信息以開(kāi)關(guān)量信號(hào)通知2號(hào)、3號(hào)機(jī)組控制器，則功率轉(zhuǎn)移的過(guò)程更平穩(wěn)。

四、系統(tǒng)的可實(shí)現(xiàn)性和穩(wěn)定性析

通過(guò)以上分析，為實(shí)現(xiàn)頻載控制，機(jī)組控制PLC應(yīng)具備1路PID運(yùn)算功能、1路高速計(jì)速功能，需2路模擬量(本機(jī)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(shù)不多的開(kāi)關(guān)量。公用控制器以開(kāi)關(guān)量為主，當(dāng)然，如果機(jī)組數(shù)量增加，也就相應(yīng)增加輸入輸出點(diǎn)數(shù)量?？梢?jiàn)西門(mén)子S7-200這個(gè)層級(jí)的PLC就能勝任控制任務(wù)，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(lái)說(shuō)，PLC頻載控制指示對(duì)機(jī)組調(diào)速器控制的輔助控制，作為補(bǔ)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(diào)速器提供了轉(zhuǎn)速限制功能，智能電量?jī)x表提供了電量保護(hù)功能，系統(tǒng)的安全性得到保障。

五、結(jié)束語(yǔ)

PLC除具備邏輯運(yùn)算功能外，還具有豐富的數(shù)值計(jì)算、模擬量處理、高速計(jì)速、數(shù)據(jù)通訊等功能;充分利用PLC的各項(xiàng)功能，并配以必要的變送器，可以實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行的各項(xiàng)自動(dòng)控制功能，可以保證系統(tǒng)運(yùn)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(qiáng)了系統(tǒng)的可維護(hù)性。

參考文獻(xiàn).

[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(guó))有限公司自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán).2005