CN103138284A - 一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制电路，由负荷检测电路模块、信号调理电路模块、速降控制电路模块组成，负荷检测电路模块由三组电路构成。本发明通过对每台发电机电压、电流信号的采集，自动调整发电机组之间的输出电压、频率、相位角，实现不同机组之间的同步、自动合闸、并网，有效避免了机组之间的并机冲击。本发明可以解决柴油发电多机并网运行时的负荷分配与均衡控制问题，包括并网系统内每台发电机供电频率的同步问题、不同机组之间的负荷分配与均衡问题，以提高并网发电机组的供电质量与供电可靠性。

Description

一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制电路

技术领域

本发明属于一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制技术领域，具体涉及一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制电路。

背景技术

在通用动力供给技术领域中，电能占据着重要地位，电能的产生主要包括核电、火电、水电等方式。核电清洁高效，但人类还不能有效控制；火电技术成熟，人类应用最久；柴油发电作为火电技术中的一种，主要应用于应急发电、特殊环境发电。而且柴油发电以其节能、高效、经济等优点，应用十分广泛，如船舶发电、核电机组应急发电、工程机械发电等。

目前，造船技术的发展拉动了船舶发电的需求，特别是随着大吨位、高载重、强续航能力船舶的广泛应用，柴油发电机单机供电模式越来越不能满足现代船舶的发展需求，多机并网发电逐步取代单机供电模式。目前市面上较为流行的速度控制器基本能够满足柴油发电机的单机发电与控制，但对并网发电的机组控制效果不佳，主要表现在：

（1）单机供电不能保证发电机供电质量（电压、频率的稳定性）和可靠性（发生故障就停电)，无法实现供电的灵活性和经济性。但这些缺点可以通过多机并联发电的方式来改善。现代电厂都是把几台同步发电机并联，并接到同一个汇流排上，组成一个强大的电网系统。

（2）单机供电不需要对电网用电负荷的检测，也不涉及不同机组之间的负荷分配与同步，控制方式较为简单，转速信号是唯一需要控制的变量。

（3）多机并网供电要求不同机组之间的供电电压、供电频率、供电相位相同。

实现多机自动化并网技术，必须实时检测每台发电机的负荷，必须对每台发电机的负荷进行再分配与均衡控制。

（4）从形式上来讲，目前的柴油发电机速度控制与负荷分配技术大致采用2种方式：液压调速与手动分配、电子调速与自动分配。前者控制精度差、操作程序复杂；后者控制精度高，操作简单。

发明内容

本发明就是要解决柴油发电多机并网运行时的负荷分配与均衡控制问题，包括并网系统内每台发电机供电频率的同步问题、不同机组之间的负荷分配与均衡问题，以提高并网发电机组的供电质量与供电可靠性。

本发明通过以下技术方案实现：一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制电路，其特征在于：由负荷检测电路模块、信号调理电路模块、速降控制电路模块组成，负荷检测电路模块由三组电路构成：第一组输入为Va/Aø、第二组输入为Vb/Bø、第三组输入为Vc/Cø；第一组电路中输入端Va通过电阻R1连接到光耦合器O1输入端发光二极管正极，O1输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D1与O1的输入端并接，D1的正极接O1输入端发光二极管负极，D1的负极接O1输入端发光二极管正极；输入端Va通过电容C1接速度控制器壳体地（PGND），电流变换器T1的一次端，一端接Aø+，另一端接Aø–，T1的二次端，一端通过电容C4接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C5并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T1，电阻R7与电容C10并联，并联后一端接互感器T1的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O1的发射极与互感器T1的信号端相连；第二组电路中输入端Vb通过电阻R2连接到光耦合器O2输入端发光二极管正极，O2输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D2与O2的输入端并接，D2的正极接O2输入端发光二极管负极，D2的负极接O2输入端发光二极管正极；输入端Vb通过电容C2接速度控制器壳体地（PGND）；电流变换器T2的一次端，一端接Bø+，另一端接Bø–，T1的二次端，一端通过电容C6接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C7并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T2，电阻R8与电容C11并联，并联后一端接互感器T2的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O2的发射极与互感器T2的信号端相连；第三组电路中输入端Vc通过电阻R3连接到光耦合器O3输入端发光二极管正极，O3输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D3与O3的输入端并接，D3的正极接O3输入端发光二极管负极，D3的负极接O3输入端发光二极管正极；输入端Vc通过电容C3接速度控制器壳体地（PGND）；电流变换器T3的一次端，一端接Cø+，另一端接Cø–，T3的二次端，一端通过电容C8接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C9并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T3，电阻R9与电容C12并联，并联后一端接互感器T3的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O3的发射极与互感器T3的信号端相连；

信号调理电路模块中光耦合器O1、O2、O3的集电极分别通过电阻R4、R5、R6接到运算放大器U1的反向输入端2，U1的同向输入端3接信号地（GND），去耦电容C14的一端接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的负供电电源端4，U1的负供电电源端4接－12V，去耦电容C15的一端接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的正供电电源端8，U1的正供电电源端8接电源＋12V。电阻R10、电容C13并联后，一端接增益电位器W1的中间端，另一端接运算放大器U1的反向输入端2，电位器W1的一端通过电阻R11接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的输出端1；

速降控制电路模块中U1的输出端1通过电阻R12、速降电位器W2、电阻R13串联后接信号地（GND），W2的一端与中间端相接，电阻R13的另一端通过电阻R16接运算放大器U1的同向输入端5，U1的同向输入端5通过电容C16接信号地（GND），电阻R17、C17并联后接到运算放大器U1的反向输入端6与输出端7之间，U1的输出端7通过电阻R14、R18串联后信号地（GND），U1的输出端1与反向输入端6之间接电阻R15，Vo与分压电阻R14、R18的分压点相连。

拟并网的每台发电机均安装电流互感器

CT1/CT2/CT3，每台发电机输出的3根相线

U/V/W分别垂直穿越电流互感器

，并穿心安装，电流互感器

的输出Aø+、Aø–、Bø+、Bø–、Cø+、Cø–分别接到速度控制器的Aø、Bø、Cø接线端所对应的端子上。

在发电机端必须保证电流互感器的Aø+、Bø+、Cø+为同极性，且为电流输出方向；Aø–、Bø–、Cø–为同极性，且为电流输入方向，Aø–、Bø–、Cø–必须接保护地（PGND）。

拟并网的每台发电机均安装电压互感器PT－电压互感器，每台发电机输出的3根相线

U/V/W分别串联电压互感器

，电压互感器

的输出Va、Vb、Vc分别接到速度控制器的Va、Vb、Vc接线端。

机组主电网的3根相线通过并网开关

与每台发电机输出的3根相线

U/V/W相连，每台发电机的零线N直接与并网机组主电网的零线相连。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过对每台发电机电压、电流信号的采集，自动调整发电机组之间的输出电压、频率、相位角，实现不同机组之间的同步、自动合闸、并网，有效避免了机组之间的并机冲击。本发明应用了以下技术，且具备如下优点：

（1）本发明使用了电工与电子技术相结合的方案，集强电检测、弱电控制于一体，在传统速度控制器转速闭环控制回路的基础上，将发动机调速控制、发电机负荷检测、机组负荷分配有效结合在一起。

（2）本发明通过直接测量发电机电压、电流的方法，真实反映了机组的负荷情况，与通过检测“柴油机供油执行机构电流来反馈机组负荷情况的方法”有着本质上的区别，后者属于间接测量法，不能如实反映机组的负载情况，更谈不上对并网机组的负荷分配与平衡控制。

（3）本发明通过对每台机组负载的实时检测，快速修正速度控制器的给定转速，对不同机组进行实时功率分配与平衡控制，实现了并网机组的软卸载与软加载，保证了并机时的零功率分闸与合闸，提高了机组的供电质量。

（4）本发明采用模块化设计，将机组的负荷检测独立于柴油机的速度控制，本发明可作为整体功能模块与速度控制器匹配、集成，共同实现发电机组的速度控制与负荷分配。

（5）本发明采用了光电隔离技术，既保证了强、弱电之间的安全隔离，又实现了负荷检测信号的无失真、线形传输。

附图说明

图1为本发明的电路图，

－负荷检测电路

－信号调理电路

－速降控制电路

图2为负荷检测技术接线图，

CT1/CT2/CT3－电流互感器 PT－电压互感器

K－并网开关 U/V/W－发电机相线

电网－发电机主电网

图3为发电机组并机方法与流程图。

具体实施方式

一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制电路，其特征在于：由负荷检测电路模块、信号调理电路模块、速降控制电路模块组成，负荷检测电路模块由三组电路构成：第一组输入为Va/Aø、第二组输入为Vb/Bø、第三组输入为Vc/Cø；第一组电路中输入端Va通过电阻R1连接到光耦合器O1输入端发光二极管正极，O1输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D1与O1的输入端并接，D1的正极接O1输入端发光二极管负极，D1的负极接O1输入端发光二极管正极；输入端Va通过电容C1接速度控制器壳体地（PGND），电流变换器T1的一次端，一端接Aø+，另一端接Aø–，T1的二次端，一端通过电容C4接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C5并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T1，电阻R7与电容C10并联，并联后一端接互感器T1的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O1的发射极与互感器T1的信号端相连；第二组电路中输入端Vb通过电阻R2连接到光耦合器O2输入端发光二极管正极，O2输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D2与O2的输入端并接，D2的正极接O2输入端发光二极管负极，D2的负极接O2输入端发光二极管正极；输入端Vb通过电容C2接速度控制器壳体地（PGND）；电流变换器T2的一次端，一端接Bø+，另一端接Bø–，T1的二次端，一端通过电容C6接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C7并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T2，电阻R8与电容C11并联，并联后一端接互感器T2的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O2的发射极与互感器T2的信号端相连；第三组电路中输入端Vc通过电阻R3连接到光耦合器O3输入端发光二极管正极，O3输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D3与O3的输入端并接，D3的正极接O3输入端发光二极管负极，D3的负极接O3输入端发光二极管正极；输入端Vc通过电容C3接速度控制器壳体地（PGND）；电流变换器T3的一次端，一端接Cø+，另一端接Cø–，T3的二次端，一端通过电容C8接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C9并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T3，电阻R9与电容C12并联，并联后一端接互感器T3的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O3的发射极与互感器T3的信号端相连；

信号调理电路模块中光耦合器O1、O2、O3的集电极分别通过电阻R4、R5、R6接到运算放大器U1的反向输入端2，U1的同向输入端3接信号地（GND），去耦电容C14的一端接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的负供电电源端4，U1的负供电电源端4接－12V，去耦电容C15的一端接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的正供电电源端8，U1的正供电电源端8接电源＋12V。电阻R10、电容C13并联后，一端接增益电位器W1的中间端，另一端接运算放大器U1的反向输入端2，电位器W1的一端通过电阻R11接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的输出端1；

速降控制电路模块中U1的输出端1通过电阻R12、速降电位器W2、电阻R13串联后接信号地（GND），W2的一端与中间端相接，电阻R13的另一端通过电阻R16接运算放大器U1的同向输入端5，U1的同向输入端5通过电容C16接信号地（GND），电阻R17、C17并联后接到运算放大器U1的反向输入端6与输出端7之间，U1的输出端7通过电阻R14、R18串联后信号地（GND），U1的输出端1与反向输入端6之间接电阻R15，Vo与分压电阻R14、R18的分压点相连。

（1）电流互感器的选型

电流互感器CT用于感应发电机输出的3相电流，电流互感器应按照“5A/发电机额定电流”的原则进行选型。

（2）电压互感器的选型

电压互感器PT用于感应发电机输出的3相电压，电压互感器应按照“90-120Vac/发电机额定电压”的原则进行选型。

（3）电流互感器的安装

发电机输出的3根相线与电流互感器呈垂直关系，并穿心安装，每根相线单独对应一个电流互感器，在电流互感器的次级，电流流入端（右手定则）接保护地，电流输出端接速度控制器。

（4）电压互感器的安装

电压互感器应分别并接在发电机输出的3根相线之间，电压互感器的接线形式为“三角形接线”，在电压互感器的次级，接线方式严格遵照图2，按照右手定则判定电压互感器的同名级。

（5）速度控制器参数的计算

Va、Vb、Vc分别代表了发电机产生的3相交流电源电压信号，它们之间频率相同、振幅相同、相位互差120°，用公式可以表示为：

Va＝Vsin(wt)，Vb＝Vsin(wt+120º)，Vc＝Vsin(wt–120º)

Aø+、Bø+、Cø+分别代表了发电机产生的3相交流电源的电流信号，它们之间频率相同、振幅相同、相位互差120°，用公式可以表示为：

Aø+＝Isin(wt)，Bø+＝Isin(wt+120º)，Cø+＝Isin(wt–120º)

3相交流电压信号Va、Vb、Vc分别通过R1/O1、R2/O2、R3/O3及公共端COM形成“三角形连接”回路，3相交流电流信号Aø+、Bø+、Cø+分别通过电流变换器T1、T2、T3在采样电阻R7、R8、R9上形成电压信号。

Va、Vb、Vc分别与Aø+、Bø+、Cø+之间频率相同、相位相同，在Va的正半周，光耦O1导通，R7上的电压信号通过O1的CE极、R4加到后续信号调理电路模块，其它2路（Vb、Vc）信号同理。本电路实质上属于3相交流整流电路的范畴，主要完成对反映发电机负荷电流信号的传输。

（6）速度控制器参数的调整

在信号调理电路模块，对3路负荷电流检测信号进行求和、放大、滤波，调整电位器W1可以改变信号调理电路的增益，以匹配速降控制电路的输入与负荷检测电流信号调理电路的输出。

在速降控制电路模块，对信号调理电路模块输出的信号进行差分式放大、滤波，调整电位器W2可以改变速降控制电路输出信号幅值，以满足速度控制器对发电机负荷信号的速降要求（即调速率）。

（7）初次并网

当拟组网系统内的任意两台发电机并网时，先调整其中一台发电机速度控制器的给定转速，使得发电机空载工况下的稳定工作频率为额定频率的105％（电位器W2调整到最小），然后发电机加载到满载的50％，调整W2使得发电机工作频率接近额定频率，如果不能满足要求可调整电位器W1直至满足要求。

卸载发电机负荷到空载，重复步骤。

然后调整另一台发电机速度控制器、负荷分配与控制单元参数，重复上述步骤

、。

完成步骤

～

，即可进行初次并网。

（8）正常使用

通过上述步骤的调整，拟组网系统内的任意两台发电机、速度控制器之间的负荷分配与控制参数都已经完成匹配，至此即可进行发电机组的并网，而且不再需要进行调整参数。

Claims (1)

1.一种柴油发电机组速度控制器的负荷分配与控制电路，其特征在于：由负荷检测电路模块、信号调理电路模块、速降控制电路模块组成，负荷检测电路模块由三组电路构成：第一组输入为Va/Aø、第二组输入为Vb/Bø、第三组输入为Vc/Cø；第一组电路中输入端Va通过电阻R1连接到光耦合器O1输入端发光二极管正极，O1输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D1与O1的输入端并接，D1的正极接O1输入端发光二极管负极，D1的负极接O1输入端发光二极管正极；输入端Va通过电容C1接速度控制器壳体地（PGND），电流变换器T1的一次端，一端接Aø+，另一端接Aø–，T1的二次端，一端通过电容C4接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C5并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T1，电阻R7与电容C10并联，并联后一端接互感器T1的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O1的发射极与互感器T1的信号端相连；第二组电路中输入端Vb通过电阻R2连接到光耦合器O2输入端发光二极管正极，O2输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D2与O2的输入端并接，D2的正极接O2输入端发光二极管负极，D2的负极接O2输入端发光二极管正极；输入端Vb通过电容C2接速度控制器壳体地（PGND）；电流变换器T2的一次端，一端接Bø+，另一端接Bø–，T1的二次端，一端通过电容C6接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C7并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T2，电阻R8与电容C11并联，并联后一端接互感器T2的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O2的发射极与互感器T2的信号端相连；第三组电路中输入端Vc通过电阻R3连接到光耦合器O3输入端发光二极管正极，O3输入端发光二极管负极接公共端COM，保护二极管D3与O3的输入端并接，D3的正极接O3输入端发光二极管负极，D3的负极接O3输入端发光二极管正极；输入端Vc通过电容C3接速度控制器壳体地（PGND）；电流变换器T3的一次端，一端接Cø+，另一端接Cø–，T3的二次端，一端通过电容C8接壳体地（PGND），另一端接信号地（GND），电容C9并接在信号地（GND）与壳体地（PGND）之间，且尽可能靠近互感器T3，电阻R9与电容C12并联，并联后一端接互感器T3的信号端，另一端接信号地（GND），光耦合器O3的发射极与互感器T3的信号端相连；

信号调理电路模块中光耦合器O1、O2、O3的集电极分别通过电阻R4、R5、R6接到运算放大器U1的反向输入端2，U1的同向输入端3接信号地（GND），去耦电容C14的一端接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的负供电电源端4，U1的负供电电源端4接－12V，去耦电容C15的一端接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的正供电电源端8，U1的正供电电源端8接电源＋12V，电阻R10、电容C13并联后，一端接增益电位器W1的中间端，另一端接运算放大器U1的反向输入端2，电位器W1的一端通过电阻R11接信号地（GND），另一端接运算放大器U1的输出端1；

速降控制电路模块中U1的输出端1通过电阻R12、速降电位器W2、电阻R13串联后接信号地（GND），W2的一端与中间端相接，电阻R13的另一端通过电阻R16接运算放大器U1的同向输入端5，U1的同向输入端5通过电容C16接信号地（GND），电阻R17、C17并联后接到运算放大器U1的反向输入端6与输出端7之间，U1的输出端7通过电阻R14、R18串联后信号地（GND），U1的输出端1与反向输入端6之间接电阻R15，Vo与分压电阻R14、R18的分压点相连。

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