CN1038903A - 并联柴油发电机组频率、电压综合控制器 - Google Patents

Abstract

一种并联柴油发电机组频率、电压综合控制器。属于电力系统自动化技术领域。本发明是利用线性系统最优控制理论设计的，由模拟和数字集成电路实现。用其控制并联运行的柴油发电机组，可得到较高的静态和动态性能指标，可使机组承受负载频繁变化能力加强。此外还实现了自动准同期合闸、自动功率分配、在任何条件下自动限制机端电压和转速三项自动功能。

Description

本发明属于电力系统自动化技术领域。涉及多台柴油发电机并联最优控制技术。

在远离电网的石油钻机现场、施工工地等场所，随着电力设备的迅速增长，要求若干台柴油发电机并联运行。柴油发电机组能否并联运行取决于其调速器和电压调节器的性能。对于采用机械式调速器的柴油发电机组，其并联运行的稳定性和静态、动态指标均不能令人满意。对有并联运行要求且采用电子调速器的柴油发电机组，目前国内外对其控制器的设计均采用经典控制理论。调速控制器采取单一转速负反馈，励磁控制器采取单一机端电压负反馈，在整体设计时没有从理论上考虑这两部分控制之间的配合。因此，采用经典控制理论设计的柴油发电机组频率，电压控制器虽可获得令人满意的静态指标，但动态响应指标不高，机组承受负载频繁变化的能力不强。

本发明的目的旨在提出一种采用线性系统二次型性能指标下的最优控制理论，在整体设计上同时考虑到调速、励磁控制以及并联运行机组间功率自动分配控制的柴油发电机组频率、电压综合控制器方案，使并联运行的机组具有较高的静态、动态指标和承受负载频繁变化冲击的能力。本发明的励磁、调速控制规律为机组的全状态量PI（比例积分）反馈，负载的自动分配控制规律为机组功率分配差的I（积分）反馈，各反馈回路的放大倍数可接理论统一设计。此外，为提高自动化操作水平和加强机组自身安全保护，本发明还设计了自动准同期控制和频率、电压限制两项自动功能。

本发明主要技术环节是由自动准同期电路、运行参量测量电路、功率分配电路、反馈量处理环节、怠速状态控制环节、综合最优控制环节、限制环节、综合放大环节、功率放大环节组成。自动准同期电路是采用机端与母线电压差的PI负反馈方式调整励磁;机端与母线的频率差和相角差的PI负反馈方式调整转速。综合最优控制环节为机组全状态量的PI综合反馈。功率分配电路采用机组功率分配差的积分负反馈方式调整电压和转速给定。限制环节采用将单一作用方向的、高放大倍数的强负反馈引入励磁、转速调节从而限制电压、频率的方式。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

（1）静态性能指标为电压变化率小于1%，频率变化率小于0.1Hz。动态响应指标为10秒钟之内结束过渡过程，超调量均小于10%;承受负载频繁变化的能力，以10秒为间隔，可以连续投切与机组容量相当的异步机负载。

（2）可在10秒钟之内实现主开关的自动准同期合闸操作。

（3）实现并联机组间有功功率、无功功率自动分配，分配差小于2%。

（4）可在机组可能出现的任何运行工况下限制机端电压不超过110%额定电压，转速不超过105%额定转速。

附图说明：

图1.柴油发电机组的主接线原理图;

图中：1.电子调速器;2.调速线圈;3.柴油机;4.励磁绕组;5.机端侧;6.发电机主开关;7.母线侧。

图2.本发明的结构框图;

图中：8.自动准同期电路;9.运行参量测量电路;10.功率分配电路;11.反馈量处理环节;12.综合最优控制环节;13.怠速状态控制环节;14.限制环节;15.综合放大环节;16.功率放大环节。

图3.自动准同期电路原理图;

图4.运行参量电路原理图;

图5.功率分配电路原理图;

图6.反馈量处理环节电线原理图;

图7.调速控制电路原理图;

图8.励磁控制电路原理图;

图9.功率放大电路图。

下面结合附图进一步描述本发明的结构。

1.图3是自动准同期电路原理图：实现机组与母线之间同步操作自动化。当机端的电压、频率与母线的电压、频率有差时，要实现准同期合闸就要调整机组电压、频率，使之与母线相符，同时要求调整相角差值小于±10°。机端电压Vt与母线电压Vs同时送至A₁加法器，其测量的电压差，经A₂作为PI负反馈量调整励磁;与此同时，机端电压信号Vt和母线电压信号Vs分别送至电压比较器A₃、A₇，经微分、单稳态电路、反向、经加法器A₅;测得的频率差，经A₆作为频率差的PI负反馈调整转速;同时机端电压信号Vt和母线电压信号Vs分别送至电压比较器A₁₀、A₁₅，经微分、2分频、相位比较器，其输出信号送至A₆作为相角差的PI负反馈调整转速。

2.图4是运行参量测量电路原理图。实现对机组运行参量的快速测量。主要是测量机端电压Vt、有功功率P、无功功率Q、机组转速ω、发电机励磁电压V_L。机端电压Vt经三相半波整流后送至A₁₈、A₁₉测出机端电压。利用A₂₀、A₂₃模拟乘法器AD534，接成二表法测功的接线方法实现测量P和Q。测速传感器信号经A₂₆电压比较器到有源滤波器A₂₈，测量出机组转速ω。

3.图5是功率分配电路原理图。柴油发电机组并联运行，其经济、安全的运行方式是每台机组所发出的有功、无功功率是相同的。即每台机发出总负载功率的平均值功率。为实现这一目标，就需要调整每台机组的励磁、转速给定。此电路负责调整机组的有功、无功功率为总负载的平均值。电路由两部分组成，一是由A₂₉、A₃₁测量负载功率的平均值;二是采用功率分配差经A₃₀、A₃₂积分负反馈，调整机组的电压和转速给定部分。图中K_G＝（K_H+K_I）·K_D·K_H·K_I为其它两台机组主开关辅助节点逻辑。V_P1、V_P2为其它两台机组的有功功信号，V_P3是本机组的有功功率信号。V_Q1、V_Q2为其它两台机组的无功功率信号，V_Q3为本机组的无功功率信号。

4.图6是反馈量处理电路原理图。主要是为励磁、转速的调节环节做准备工作。柴油发电机有两个重要的运行指标：机端电压额定值为400V;机组额定频率为50Hz。为保证这两个量，故设置有机端电压给定V ，频率给定ω₀。对于其它的参入反馈控制的量，采取动偏差量的方式从V_t、V_L、ω三个获得。动偏差环节的传递函数为 (S)/(1+S) ，动偏差量是动偏差环节的输出：

DV_t＝ (S)/(1+S) ·V_t

DV_L＝ (S)/(1+S) ·V_L

Dω＝ (S)/(1+S) ·ω

从动偏差量的传递函数可知，在机组稳态运行条件下，DV_t、DV_L、Dω均等于0，只有动态过程中DV_t、DV_L、Dω才有值输出。本控制器正是利用这一点在动态过程中让所有状态变量均参入到励磁、调速控制，从而快速平息动态过程。图中A₃₃至A₃₇分别完成转速动偏差、机端电压动偏差、转子电压动偏差、转速给定、励磁给定之功能。图中K_C为准同期控制逻辑，K_D为发电机主开关辅助节点逻辑。

5.怠速状态控制环节：怠速状态是柴油机由静止状态启动后，为稳定机械运行状况而在60%转速下空载运行的时间，主要是满足机械上的要求，控制方式为简单的比例反馈。图7、图8中的A₄₀、A₄₅的组成部分是怠速状态控制电路原理图。

6.综合最优控制环节：承担机组的励磁、转速主调节。用线性最优控制理论设计的控制器，其控制规律量有全状态量的线性组合的特点。对于柴油发电机组，状态量只有三个：V_t、V_L、ω。其中对励磁的控制规律用数学公式表达为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{yt}}=-(K_{t{P}_1}+\frac{{\mathrm{KtI}}_1}{S})\·(V_t-V_{t_D})$ $-(K_{L{P}_1}+\frac{K_{L{I}_1}}{S})\·{\mathrm{DV}}_L$ $+(K_{{\mathrm{\ωP}}_1}+\frac{K_{{\mathrm{\ωI}}_1}}{S})\·\mathrm{D\ω}$

对调速的控制规律用数学公式表达为：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{y\ω}}=-(K_{t{P}_c}+\frac{{\mathrm{KtI}}_a}{S})\·{\mathrm{DV}}_t$ $+(K_{{\mathrm{LP}}_c}+\frac{K_{L{P}_c}}{S})\·{\mathrm{DV}}_L$ $-(K_{{\mathrm{\ωP}}_1}+\frac{K_{\mathrm{\ω}{I}_c}}{S})\·(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_a)$

式中：（1）负号为负反馈，正号为正反馈;

（2）规律是比例（P）+积分（I）;

（3）所有系数K均为正常数;

（4）V 、ω₀分别为V_t、ω的给定值。

在图7中的A₃₈、A₃₉为调速控制中的最优控制电路原理图;图8中的A₄₃、A₄₄为励磁中的最优控制电路原理图。图中的K_A为怠速状态逻辑，K_B为运行状态逻辑。

7.限制环节：主要作用是在机组可能出现的任何情况下限制机端电压不超过110%额定电压，转速不超过105%的额定转速。其原理是设置机端电压和转速的最高允许值（限制值）为限制环节动作门坎，将限制值与运行值进行偏差，并将此偏差值通一个单一方向的、高放大倍数（200倍以上）的强负反馈分别引入励磁、转速调节。在图7、图8中的A₄₂、A₄₇组成限制环节电路。

8.综合放大环节：通过运算放大器加法运算，综合各个环节对励磁和转速的调节。在图7、图8中的A₄₁、A₄₆组成综合放大电路。

9.图9是功率放大电路原理图，是实现控制器调节部分到执行部分之间的功率放大。图中A₄₈为调速功率放大部分，采用达林顿三极管射极跟随放大器形式。A₄₉是励磁功率放大部分，采用大功率三极管的脉宽调制（PWM）放大形式。

Claims (5)

1、一种并联柴油发电机组频率、电压综合控制器，其特征在于是由自动准同期电路、运行参量测量电路、功率分配电路、反馈量处理环节、怠速状态控制环节、综合最优控制环节、限制环节、综合放大环节、功率放大环节组成。

2、根据权利要求1所述的综合控制器，其特征在于频率、电压控制规律是用线性系统二次型性能指标下的最优控制理论设计的全状态量的PI综合反馈。

3、根据权利要求1所述的综合控制器，其特征在于自动准同期控制采用机端与母线电压差的PI负反馈方式调整励磁，机端与母线的频率差和相角差的PI负反馈方式调整转速。

4、根据权利要求1所述的综合控制器，其特征在于自动功率分配电路采用功率分配差的积分负反馈方式调整机组的电压和转速给定。

5、根据权利要求1所述的综合控制器，其特征在于限制环节是将单一作用方向的、高放大倍数的强负反馈引入了励磁、转速调节，从而实现在任何条件下限制机组的机端电压和转速。

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