CN109075729B - 用于柴油发电机组的集成控制系统的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种改进柴油发电机组的负载应用/抑制性能的集成控制系统和方法。反馈线性化控制被用于电压调节，移除了自动电压调节和速度调节之间的相互作用。使用负载预期控制将适当的前馈信号发送到调速器。集成控制可降低发动机速度和电压偏差。它在电压调节器中实现，因为它先于发动机识别负载改变。集成控制有助于发动机在发动机识别负载之前预计节流(throttle)调整。试验结果表明，在负载大幅增加或减少之后，发动机速度恢复得到改善。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年2月25日提交的美国临时专利申请No.62/299,744的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及交流发电机，以及更具体地，涉及用于柴油发电机组的集成控制系统的系统和方法。
背景技术
发电机组(genset)用于为包括主电源、备用发电和网络支持的分布式发电系统提供电力。电力公用事业的解除管制的结果是许多客户利用其备用柴油发电机组来改善电力质量或避免高峰电费。
发电机组通常由柴油发动机、同步机和两个控制器(调速器和自动电压调节器)组成。同步机采用凸极转子。图1示出了现有技术系统20发电机组布置。系统20的基本组件包括在图2中也用相同的数字表示的组件。这些组件包括发电机28、励磁机(exciter)26、自动电压调节器(AVR)22、放大器24、调速器30及其相关的燃料泵32。调速器30用于维持恒定的发电机速度ω52。调速器30响应发电机速度ω52的变化以充当反馈控制器以控制燃料泵32的燃料速率，从而最小化由发电机组的实际功率负载的突然变化引起的偏差。
在图1中，Vref 34是发电机电压参考，Vt 36是发电机端电压，以及Efd是励磁机26励磁电压(field voltage)37。Pe 40表示从Vt 2/R确定的实际功率负载，其中R是电阻负载。此外，在1/2H 42中，H表示柴油发动机和发电机旋转部件的总转动惯量，Tm 44表示关于柴油发动机和发电机旋转部件的机械转矩，Tf 46表示柴油发动机和发电机旋转部件的摩擦转矩，Tmax 48表示关于柴油发动机和发电机旋转的最大转矩，以及ωref 50是发电机速度参考，以及ω52表示发电机速度。1/s方框54中的“s”是拉普拉斯算子(在整个图中有时也示为“S”)。
AVR 22通过将发电机端电压Vt 36与发电机电压参考Vref 34相加56，通过借助反馈控制来控制到励磁机26的励磁电流，从而保持恒定的发电机端电压。通过将发电机输出电压与发电机速度ω52相乘58来确定发电机端电压Vt 36。一些现代的基于微处理器的AVR由用于稳定的比例积分微分(PID)控制和各种补充控制系统实现。这种已知的数字调节器在前向路径中使用了PID控制器23，如图1现有技术系统20图示所示。这种PID控制可以在AVR内实现。如图1所示的这种现有技术发电机组包括限制器、变量/功率因子控制器、调谐功能、保护和监视特征，如以下文章中所公开的：K.Kim、M.J.Basler和A.Godhwani，“Supplemental Control in a Modern Digital Excitation System”，IEEE PowerEngineering Society Winter Meeting 2000，Singapore。
实际功率负载Pe 40通过1/ω52馈送到速度控制环路，如方框60所示。发电机速度ω52的标称值是每单元1.0。1/ω方框60阐明了用于速度控制环路的从电功率到转矩的单位转换。速度控制环路通过从发电机速度参考ωref 50中减去62发电机速度ω52来提供发电机速度ω52的反馈控制。
与大型发电机不同，许多发电机组预计在单步负载应用中将运行从无负载变为满负载。这可能导致发电机速度ω52的大的变化或发动机的停转。
发电机组实际功率负载的突然增加会导致发动机的负载转矩增加。由于负载转矩超过发动机的转矩以及发动机调速器不能立即响应，因此发电机速度ω52降低。在检测到该降速之后，调速器增加供应给发动机的燃料。由于产生的电压与发电机速度ω52成比例，因此发电机输出电压由于电枢反应和内部电压下降而降低。电压调节器通过增加机器的励磁电流进行补偿。图1示出了通过电压和速度控制之间的相互作用，在应用电阻负载时具有交叉耦合的简化发电机组模型。
国际标准ISO8528-5，“Reciprocating Internal Combustion Engine DrivenAlternating Current Generating Sets-Part 5:Specification for GeneratingSets”，1993，被用于评估柴油发电机组性能。发电机组根据一系列关键性能指标进行分类。对于G2分类的现代发电机组，突然负载接受的相对于标称设定点的最大电压偏差不应超过20％。最大电频率偏差不得超过10％。电压恢复时间必须小于6秒，以及频率恢复时间必须小于5秒。由于实际功率与电压的平方成比例，因此快速动作AVR通过快速恢复电压显著地阻碍了发电机速度ω52的恢复；因此给发动机更多负载。
减少发电机速度ω52下降的常用方法是在速度下降期间提供额外的电压暂降(voltage dip)。这可以通过减少实际功率来加快发动机的恢复。在现代AVR中使用各种电压设定点调整(欠频方案)。在如下文章中还建议负载调整模块(LAM)：K.D.Chambers、D.J.McGowan和D.J.Morrow，"A Digital Load Relief Scheme for a Diesel GeneratingSet".IEEE Transactions on Energy Conversion，Vol.13，No.2，June 1998，其全部通过引用并入本文，其在瞬态期间暂时减少电压，并因此有助于发电机速度ω52的恢复。然而，调速器对发电机速度ω52变化的反应远比实际功率变化慢。此外，电压环路受速度响应的影响，因为发电机电压与发电机速度成比例。
如上所提，在发电机组控制系统中，AVR 22提供电压调节，以及调速器30在发电机组以岛模式运行时控制发动机的速度。然而，传统的设计实践是独立设计AVR和调速器，即使在电压和速度控制之间存在相互作用也是如此，如图1所示。因此，通常存在这会产生问题的情况(诸如在制造的发电机组的工厂负载验收测试期间)。
发动机性能受运行速度和负载变化的非线性影响。引入了考虑烟雾和转矩极限图(limit map)的监督控制，诸如在如下出版物中讨论的：A.R.Cooper、D.J.Morrow和K.D.R.Chambers，"Development of a Diesel Generating Set Model for LargeVoltage and Frequency Transients",IEEE Transactions on Energy Conversion，Vol.13,No.2，June 1998。对大的实际负载的发电机速度ω52响应是非线性的，它也受到电压调节器响应的影响，如在所述Cooper的出版物和在如下中讨论的：Seung-Hwan Lee、Jung-Sik Yim、Joon-Hwan Lee和Seung-Ki Sul，"Design of Speed Control Loop of AVariable Speed Diesel Engine Generator by Electric Governor,"IndustryApplications Society Annual Meeting,2008.IAS‘08.IEEE,pp.1-5，2008。
当应用大的实际功率负载时，发电机速度降低，以及因此发电机电压也降低。所以调速器将发动机燃料增加到最大，并且AVR增加激励以将端电压维持在额定值。AVR的反应使速度暂降和恢复恶化。
传统的控制系统和方法通过协调发电机速度ω52和电压偏差之间的折衷来实现各种欠频特性以改善速度性能。不幸的是，要获得这种方法的参数以取得所需的性能并不容易。即使发电机组控制系统由于发电机电压和发电机速度ω52环路的相互作用而变得非线性，AVR也是基于线性方式设计的。所以使用基于线性方式的控制输出可能导致发电机速度和电压调节环路中的过冲。
发明内容
该申请公开了一种集成控制系统和方法，所述系统和方法在应用或移除额定负载(rated load)时解耦电压和速度控制环路之间的交叉耦合项。该集成控制系统公开包括将交叉耦合项移除到电压调节环路中的反馈线性化控制(FLC)子系统。该集成控制系统和方法将FLC子系统与负载预期控制(LAC，也称为LAF)子系统和方法集成在一起。LAC子系统和方法与FLC一体地起作用以有效地降低发电机速度ω52偏差。
附图说明
图1显示了在应用限制负载时有交叉耦合的简化发电机组模型；
图2示出了根据发电机组控制系统的各种实施例的适用于集成控制系统和方法的计算机系统的框图，其公开了本发明，包括根据示例性实施例的用于与负载预期控制(LAC)子系统集成的反馈线性化控制(FLC)子系统的信号路径；
图3(a)示出了根据本发明的各种实施例的包括适用于集成控制系统和方法的计算机系统的示意图，其示出了根据示例性实施例的FLC子系统的示例；
图3(b)示出了根据各种实施例的包括适用于集成控制系统和方法的计算机系统的示意图，其示出了根据示例性实施例的负载预期控制(LAC)子系统的示例；
图4(a)是示出测试中的电压响应的曲线图，其中应用实际功率负载和0.8PF负载，以及应用5％电压阶跃，其示出了根据示例性实施例的在电压环路中振荡的交叉耦合效应产生；
图4(b)是示出测试中的电压响应的曲线图，其中应用实际功率负载和0.8PF负载，以及应用5％电压阶跃，其示出了根据示例性实施例的在速度环路中振荡的交叉耦合效应的产生；
图5(a)示出了根据示例性实施例的当用各种负载应用2％的速度阶跃时的测试中的交叉耦合效应，图5(a)示出了在电压环路中观察到的振荡响应；
图5(b)示出了根据示例性实施例的当用各种负载应用2％的速度阶跃时的测试中的交叉耦合效应，图5(b)示出了在速度环路中观察到的振荡响应；
图6(a)和图6(b)显示了根据示例性实施例的发电机组响应与应用100kW负载的情况的比较，图6(a)显示了电压响应，以及图6(b)显示了速度响应，(标识为“提出的”)；
图7(a)和图7(b)示出了根据示例性实施例的用传统AVR方案与提出的包括FLC和LAC的集成控制方案(标识为“提出的”)的发电机电压和发电机速度ω52对100kW突然负载抑制的响应的比较；
图8(a)和图8(b)示出了根据示例性实施例的用传统AVR方案以及三种不同新型控制方案(传统AVR与仅有FLC、与仅有LAC、与有FLC和LAC(标识为“提出的”))的发电机电压和发电机速度ω52对100kW突然负载应用的响应的比较；
图9是根据各种实施例的本文公开的适用于使用FLC和LAC子系统和方法的系统和方法的计算机系统的框图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开或本公开的应用或用途。
发明人已经开发了一种有效的系统和方法来协调和集成电压和速度控制环路之间的相互作用，以最小化交叉耦合项。该申请公开了一种如图2所示的集成控制系统70，其在应用额定负载时将电压和速度控制环路之间的交叉耦合项解耦。图2示出了集成控制系统70测量实际功率的变化以及在瞬态情况期间将与实际功率的变化成比例的前馈信号加到调节器误差求和点。
图2和图3示出了包括适用于本发明的集成控制系统和方法的计算机实现的集成控制系统70的原理图。图2和图3中的每个方框表示拉普拉斯算子形式的传递函数。在下面对于图2和图3的描述中，所描述的传递函数方框由这些方框所表示的物理系统的部分或功能或效果或者通过软件的功能来引用。
图2示出了用于将交叉耦合项移除到电压调节环路中的反馈线性化控制(FLC)子系统72，和用于有效地降低发电机速度ω52的负载预期控制(LAC)子系统74。图2示出了彼此集成的所述FLC子系统72和LAC子系统74的信号路径，以及传统的电压和速度控制系统。集成控制系统70可以被单独地、与FLC子系统72结合地、与LAC子系统74结合地或者与FLC子系统72和LAC子系统74结合地运行。
通常，图2和图3(a)中引用的FLC子系统72被用于消除电压调节环路的非线性，因为发电机电压Vt 36与恒定激励的发电机速度ω52成比例。如果消除由发电机速度ω52的变化引起的电压偏差，则由发电机速度ω52引起的非线性被消除。如果AVR 22反馈信号与被除以每单位发电机速度ω52的感测到的发电机电压Vt 36一起使用，则可以实现该目标。感测到的发电机电压Vt 36可以通过本领域已知的任何方式确定。因为电压和速度控制环路通过FLC子系统72被解耦，所以可以从电压调节和速度环路获得线性响应。
通过修改AVR 22反馈路径的发电机电压来实现FLC子系统72，如图3(a)所示。当施加恒定激励时，发电机电压Vt 36与发电机速度ω52成比例。因此，如果AVR 22反馈信号与被除以每单位测量的发电机速度ω52的发电机端电压Vt36一起被使用，则消除了由发电机速度ω52的变化引起的电压偏差。带有时间常数TFL和拉普拉斯算子“S”的低通滤波器76移除发电机电压Vt 36中的测量噪声。低通滤波器76的时间常数TFL被确定为电压阶跃响应上升时间的大约百分之一，其值范围为0到0.1秒。0.01的值被用于下文讨论的测试中的发电机组。经滤波的发电机端电压Vt 36在图3(a)中示为“x”。低通滤波器76也可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、高阶滤波器或巴特沃斯型低通滤波器。本领域技术人员将认识到，可以使用诸如带通滤波器的其他类型的滤波器，以及可以使用诸如模糊逻辑控制的其他控制方案来获得类似的结果而不脱离本公开的范围。
由于发电机速度ω52缓慢变化，带有时间常数TFL和拉普拉斯算子“S”的低通滤波器78移除了发电机速度ω52中的测量噪声。低通滤波器78的时间常数TFL被确定为电压阶跃响应上升时间的大约百分之一，其值范围为0到0.1秒。0.01的值被用于下文讨论的测试中的发电机组。尽管低通滤波器76和低通滤波器78在图3(a)中示出为使用相同的时间常数TFL，但是本领域技术人员将认识到这些滤波器可以使用不同的时间常数值而不脱离本公开的范围。低通滤波器78也可以是有限脉冲响应(FIR)滤波器、高阶滤波器或巴特沃斯型低通滤波器。本领域技术人员将认识到，可以使用诸如带通滤波器的其他类型的滤波器，以及可以使用诸如模糊逻辑控制的其他控制方案来获得类似的结果而不脱离本公开的范围。
经滤波的发电机速度ω52在图3(a)中显示为“y”。滤波后的发电机端电压Vt 36除以80经滤波的发电机速度ω52，以产生反馈线性化发电机电压Vt_FLC 84，并指向使能方框82。
使用具有时间常数TW1的冲失滤波器(washout filter)100确定发电机实际功率的变化率(ΔPe1 88)。时间常数TW1被确定为所需电压环路上升时间的约百分之一，推荐值为0到0.1秒。0.01的值被用于下文讨论的测试中的发电机组。本领域技术人员将认识到除了冲失滤波器之外的方法，诸如具有数值微分(诸如ΔPe＝[P(t)-P(t-Ts)]/Ts，其中Ts是采样时间，ΔPe表示实际功率的变化率)的低通滤波器，例如模糊逻辑控制。
接下来，如图3(a)所示，在92处将ΔPe1 90的绝对值与可编程参数ΔPe_THRESHOLD 94进行比较，其可以在每单位每秒0到10的范围内。值2被用于下文讨论的测试中的发电机组。
如果ΔPe1 90大于ΔPe_THRESHOLD 94，则使能输出94为真。如果ΔPe190不大于ΔPe_THRESHOLD 94，则使能输出94为假。因此，当发电机实际功率的变化率大于可编程的量时，启用FLC子系统72。FLC子系统72仅在实际功率负载增加或减小的瞬态期间被启用，以避免当稳态情况下的发电机速度ω52从额定速度变化时的电压调节误差。当启用FLC子系统72时，反馈线性化发电机电压Vt_FLC 84充当从启用方框96发送的电压反馈信号，并因此从FLC子系统72发送到图2的求和105。当FLC子系统72未被启用时，发电机端电压Vt 36充当从启用方框96发送的电压反馈信号，并因此从FLC子系统72发送到图2的求和105。本领域技术人员将认识到替代的控制环路设计，使得电压误差信号为Verr＝Vref–Vt或者Verr＝Vref–Vt_filtered/w_filterd，或者可表示为Verr＝k1*(Vref–Vt)+k2*(Vref–Vt_filtered/w_filtered)，其中k1和k2被调整以获得与图2中所示的控制环路类似的结果，而不脱离本公开的范围。
图2和图3(b)中引用的负载预期控制(LAC)子系统74包括用于集成控制系统的特征，以改善在如下出版物中公开的发电机组实际功率负载的突然增加时的速度性能：Kiyong Kim和Jeff Burnworth,"Load Anticipation Feature and Its Tuning Methodfor a Diesel Generating Set",2016 Clemson University Power SystemsConference,Clemson SC USA,2016，和2014年7月24日提交的美国临时专利申请No.62/028,653和2014年8月5日提交的美国临时申请No.62/033,482和美国非临时专利申请No.14/718504、题为"System And Method For A Load Anticipation Feature And ItsTuning Method For A Generating Set"，和从所述临时申请中授权的美国专利No.9,574,511；所有这些都通过引用结合到本文中。调速器30对由于负载应用引起的速度变化的反应比由于实际功率引起的变化慢。实际功率测量在本领域已知的AVR中可用。因此，为了在应用大的实际功率负载时减小速度偏差，LAC 74比基于特定的欠频曲线改变电压调节器设定点的传统方法更加有效。
现在转到LAC子系统74的更具体的讨论，LAC子系统74与作为调速器30的控制器修改器的FLC子系统72相互作用。利用具有时间常数TW2和拉普拉斯算子“S”的冲失滤波器100获得实际功率的变化率ΔPe2 101。基于速度控制环路响应确定时间常数TW2，其值范围从0到1.0。0.4的值被用于下文讨论的测试中的发电机组。
由调速器和致动器引起的实际功率变化率(ΔPe2 101)的相位滞后由具有相位超前常数TLD、滞后时间常数TLG和拉普拉斯算子“S”的超前滞后滤波器102补偿。然后将该补偿信号乘以增益KLAF 104。然后将该相乘后的信号加到调速器求和点130(见图2)，以获得使用模拟输出的速度偏置信号(在现代电压调节器中可用)。
时间常数TLD是超前滞后滤波器102的相位超前时间常数，并且表示相位超前的交越频率(cross-over frequency)处的时间常数。它的值取决于速度控制环路响应，以及其值范围从0到1.0。0.5的值被用于下文讨论的测试中的发电机组。
时间常数TLG是超前滞后滤波器102的相位滞后时间常数，并且表示相位滞后的交越频率处的时间常数。它基于速度控制环路响应来确定，以及其值范围从0到1.0。0.01的值被用于下文讨论的测试中的发电机组。
超前滞后滤波器102时间常数和增益的优选值是Tw2＝0.4，TLD＝0.5，TLG＝0.01和KLAF＝0.7。
计算机操作环境
参考图9，用于包括如本文所述的LAC(LAF)系统和方法的AVR或调速器的系统和/或方法的所示实施例的操作环境是具有计算机202(包括至少一个高速中央处理单元(CPU)204，结合存储器系统206)、输入设备210和输出设备212的计算机系统200。这些元件通过至少一个总线结构208互连。在替代实施例中，LAF系统和方法可以在独立运行(stand-alone)设备中实现，或者并入到提供刚刚描述的操作环境的系统中的另一个组件中。
计算机202可包括用于接收应用于柴油发电机组的实际功率负载的测量的输入数据接口，和操作地耦合到调速器30的通信接口的通信接口。计算机202的通信接口可以将控制输出传送到调速器30的通信接口。
如上所述，输入和输出设备可以包括包括图形用户接口的通信接口。网络接口和通信系统和方法的任何或所有计算机组件可以是任何计算设备，包括但不限于膝上型电脑、PDA、蜂窝/移动电话以及可能的专用设备。软件可以实现为其上的任何“app”，并仍然在本公开的范围内。
所示的CPU 204是熟悉的设计，以及包括用于执行计算的算术逻辑单元(ALU)214、用于数据和指令的暂时存储器的寄存器集合216以及用于控制计算机系统200的操作的控制单元218。对于CPU 204，各种微处理器中的任何一种同样优选但不限于此。该示出的实施例在被设计成可移植到任何这些处理平台的操作系统上操作。
存储器系统206通常包括以介质形式的高速主存储器220，诸如在非瞬态计算机可记录介质上典型的随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)半导体设备。本公开不限于此，并且还可以包括以长期存储介质形式的二级存储装置222，诸如软盘、硬盘、磁带、CD-ROM、闪存等，以及使用电、磁和光或其他记录介质存储数据的其他设备。在一些实施例中，主存储器220还可以包括用于通过显示设备(未示出)显示图像的视频显示存储器。本领域的那些技术人员将认识到，存储器系统206可包括具有各种存储容量的各种替代组件。
在适用的情况下，输入设备210和输出设备212也可以在如本文所述的系统或其实施例中提供。输入设备210可以包括任何键盘、鼠标、物理换能器(例如麦克风)，以及可以经由诸如图形用户接口的与上述包括用于无线通信的天线接口的通信接口相关联或分离的输入接口224互连到计算机202。输出设备212可以包括显示器、打印机、换能器(例如扬声器)等，以及经由可以包括上述包括天线接口的通信接口的输出接口226互连到计算机202。诸如网络适配器或调制解调器的某些设备可用作输入和/或输出设备。
如本领域那些技术人员所熟悉的，计算机系统200还包括操作系统和至少一个应用程序。操作系统是控制计算机系统的操作和资源分配的软件集合。应用程序是使用通过操作系统可获得的计算机资源来执行LAF的系统和方法和/或任何上述过程和过程步骤所期望的任务的软件集合。
根据计算机编程领域的技术人员的实践，下面参考由计算机系统200执行的操作的符号表示来描述本公开。这些操作有时被称为计算机执行的。应当理解，符号地表示的操作包括CPU 204对表示数据比特的电信号的操纵和存储器系统206中的存储器位置处的数据比特的维持，以及信号的其他处理。维持数据比特的存储器位置是具有对应于数据比特的特定电、磁或光特性的物理位置。一个或多个实施例可以以有形的形式实现在由可以存储在计算机可读介质上的计算机可执行指令定义的程序中。计算机可读介质可以是上面结合存储器系统206描述的任何设备或设备的组合。
试验结果
为了在工业环境中显示其有效性和适用性，集成控制系统20被实施为为小型发电机组(小于10MVA)开发的商用电压调节器。此类成本效益的调节器具有有限的存储器和计算能力。这种基于微处理器的电压调节器包括用于发电机电压、电流和脉冲宽度调制(PWM)调节器输出的信号调理电路。在抗混叠滤波器之后，以12比特分辨率对发电机电压和电流进行采样。每四分之一周期(对于60赫兹系统，为4.16毫秒)执行发电机电压的均方根计算。
提出的公开的系统和方法使用具有125kVA、208Vac、1,800rpm三相同步发电机的涡轮增压柴油发电机组上的商用数字调节器进行测试。该发电机的空载激励由自激0.3Adc、7Vdc、ac励磁机提供。
使用IEEE型AC8B激励系统。其PID增益为KPR＝5，KIR＝10，KDR＝0.2，TDR＝0.01，和KA＝0.2。还选择了标准的欠频滚降特性。
为了研究交叉耦合效应，当连接负载时应用5％的电压阶跃。在图4和图5中，“P”和“Q”分别代表实际功率和无功功率的众所周知的符号。图4显示未应用负载时发电机速度没有变化。然而，当应用负载时，交叉耦合效应会在电压环路(图4-a)和速度环路(图4-b)中都造成振荡。
图5显示了在对调速器设定点调整应用2％的速度阶跃时的有负载连接的发电机电压和发电机速度ω52响应。无负载应用的速度响应透露调速器调谐(tune)良好。然而，当应用负载时，在电压环路(图5(a))和速度环路(图5(b))中观察到振荡响应。这些振荡明显是由交叉耦合项造成的。
图6(a)和图6(b)示出了用传统(现有技术)AVR系统和方法，与本公开的集成控制系统和方法的发电机电压和发电机速度ω52对100kW突然负载应用的响应的比较。图6(b)示出，对于这个特定的100kW负载阶跃，采用传统的AVR，发电机速度ω52偏离超过最大允许的ISO8528-5G2极限。这证明，与传统的AVR系统和方法相比，利用本集成控制系统和方法，可以显著降低最大电压和发电机速度ω52偏差。
图7(a)和图7(b)呈现了用传统(现有技术)AVR系统和方法，与本发明的集成控制系统和方法，当100kW突然负载被抑制时，发电机电压和发电机速度ω52响应的比较。显然，本申请的集成控制系统和方法优于现有技术，并且对于负载抑制是有效的。
图8(a)和图8(b)示出了用传统(现有技术)AVR方案与三种不同控制系统和方法，发电机电压和发电机速度ω52对100kW突然负载应用的响应的比较。图8示出了LAC和振荡行为有效降低了速度偏差的证明。这是因为FLC可以降低耦合效应。当本公开的LAC和FLC控制都被使用时，获得最佳的电压和速度性能。
上面讨论的负载测试结果显示，申请人的公开内容的集成控制系统和方法容易实现发电机电压和发电机速度ω52偏差的改善的响应。由于交叉耦合效应，FLC可以实现大过冲的改善的阻尼。在负载发生较大变化后，LAC有效地改善发电机速度ω52的恢复。本公开的集成控制系统和方法提供在瞬态期间增强的发电机电压调节和有较大负载阶跃的发电机组负载接受性能。
利用本公开的集成控制系统和方法，可以以优异的性能结果快速完成对制造的发电机组的工厂负载验收测试的调试。
因此，前述公开内容公开了多个系统和方法，其可以由在特定时间或特定设置中使用的任何特定系统或方法中可能存在或可能不存在的各种元件和步骤组成，以及因此公开了系统和方法的许多排列。前述公开允许取决于用户的特征、元件和步骤的变化和选择。
Claims (26)
1.一种用于控制柴油发电机组的方法，所述柴油发电机组包括柴油发动机、具有端电压和发电机输出电压量值和频率响应的发电机、具有励磁机励磁电压的励磁机、具有发电机速度参考和第一通信接口的调速器和具有发电机参考电压和第二通信接口的自动电压调节器，所述方法包括如下步骤：
通过自动电压调节器，使用滤波后的发电机端电压除以经滤波的每单位发电机速度来确定电压反馈控制输出电压；
通过自动电压调节器，使用由电压反馈控制输出电压修改的发电机参考电压来控制励磁机励磁电压；
通过自动电压调节器来测量发电机的实际功率输出；
通过自动电压调节器来确定发电机实际功率输出的变化率；
通过自动电压调节器基于发电机实际功率输出的变化率来确定速度反馈控制输出；
通过自动电压调节器通过第一通信接口将速度反馈控制输出传送到调速器；
通过调速器接收来自自动电压调节器的速度反馈控制输出；
通过调速器，通过基于速度反馈控制输出修改发电机速度参考来调整柴油发动机的速度；和
通过自动电压调节器，通过确定速度反馈控制输出连同电压反馈控制输出，最小化相对于标称值的发电机输出电压量值和频率响应的变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过自动电压调节器，使用滤波后的发电机端电压除以经滤波的每单位发电机速度来确定电压反馈控制输出电压的步骤还包括以下步骤：
测量柴油发电机组的发电机的端电压；
测量柴油发电机组的发电机的速度；
对发电机的端电压进行滤波；
对发电机的速度进行滤波；和
通过自动电压调节器，基于滤波后的发电机的端电压除以滤波后的发电机的速度来确定电压反馈控制输出电压。
3.如权利要求1所述的方法，其中通过自动电压调节器基于发电机实际功率输出的变化率来确定速度反馈控制输出的步骤还包括以下步骤：
测量发电机的实际功率输出；
通过对测量的发电机实际功率输出进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率；和
通过对发电机实际功率输出的变化率进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率的相位滞后。
4.如权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：
从发电机实际功率输出的变化率的绝对值和预定阈值生成使能输出，其中当发电机实际功率输出的变化率的绝对值超过预定阈值时，所述使能输出为真，否则为假；和
当使能输出为假时，阻断电压反馈控制输出电压。
5.如权利要求2所述的方法，其中对发电机的端电压进行滤波的步骤进一步包括，用从低通滤波器或带通滤波器中选择的滤波器对发电机的端电压进行滤波。
6.如权利要求2所述的方法，其中对发电机的速度进行滤波的步骤进一步包括，用从低通滤波器或带通滤波器中选择的滤波器对发电机的速度进行滤波。
7.如权利要求2所述的方法，其中对发电机的端电压进行滤波的步骤进一步包括，使用模糊逻辑控制来确定滤波后的发电机的端电压。
8.如权利要求2所述的方法，其中对发电机的速度进行滤波的步骤进一步包括，使用模糊逻辑控制来确定滤波后的发电机的速度。
9.如权利要求3所述的方法，其中通过对发电机实际功率输出的变化率进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率的相位滞后的步骤包括，用超前滞后滤波器对发电机实际功率输出的变化率进行滤波。
10.如权利要求3所述的方法，其中通过对测量的发电机实际功率输出进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率的步骤包括，用从冲失滤波器或低通滤波器中选择的滤波器对测量的发电机实际功率输出进行滤波。
11.如权利要求3所述的方法，其中通过对测量的发电机实际功率输出进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率的步骤包括，基于发电机实际功率输出的当前值和发电机实际功率输出的先前值基于采样时间的数值微分。
12.如权利要求3所述的方法，其中通过对发电机实际功率输出的变化率进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率的相位滞后的步骤包括，使用模糊逻辑控制来确定对发电机实际功率输出的变化率进行滤波。
13.如权利要求3所述的方法，其中通过对测量的发电机实际功率输出进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率的步骤包括，使用模糊逻辑控制来确定滤波后的测量的发电机实际功率输出。
14.一种用于控制柴油发电机组的系统，所述柴油发电机组包括柴油发动机、具有端电压和发电机输出电压量值和频率响应的发电机、具有励磁机励磁电压的励磁机、具有发电机速度参考和第一通信接口的调速器和具有发电机参考电压和第二通信接口的自动电压调节器，所述系统包括：
计算机数据处理器装置，操作地耦合到包含计算机可执行指令的非暂时性计算机存储器，所述计算机可执行指令当由一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器进行以下操作：
通过自动电压调节器，使用滤波后的发电机端电压除以经滤波的每单位发电机速度来确定电压反馈控制输出电压；
通过自动电压调节器，使用由电压反馈控制输出电压修改的发电机参考电压来控制励磁机励磁电压；
通过自动电压调节器来测量发电机的实际功率输出；
通过自动电压调节器来确定发电机实际功率输出的变化率；
通过自动电压调节器基于发电机实际功率输出的变化率来确定速度反馈控制输出；
通过自动电压调节器通过第一通信接口将速度反馈控制输出传送到调速器；
通过调速器接收来自自动电压调节器的速度反馈控制输出；
通过调速器，通过基于速度反馈控制输出修改发电机速度参考来调整柴油发动机的速度；以及
通过自动电压调节器，通过确定速度反馈控制输出连同电压反馈控制输出，最小化相对于标称值的发电机输出电压量值和频率响应的变化。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述计算机可执行指令在由一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器：
测量柴油发电机组的发电机的端电压；
测量柴油发电机组的发电机的速度；
对发电机的端电压进行滤波；
对发电机的速度进行滤波；和
通过自动电压调节器，基于滤波后的发电机的端电压除以滤波后的发电机的速度来确定电压反馈控制输出电压。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述计算机可执行指令在由一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器：
确定发电机的实际功率输出；
通过对测量的发电机实际功率输出进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率；和
通过对发电机实际功率输出的变化率进行滤波来确定发电机实际功率输出的变化率的相位滞后。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述计算机可执行指令在由一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器：
从发电机实际功率输出的变化率的绝对值和预定阈值生成使能输出，其中当发电机实际功率输出的变化率的绝对值超过预定阈值时，所述使能输出为真，否则为假；和
当使能输出为假时，阻断电压反馈控制输出电压。
18.如权利要求15所述的系统，其中用从低通滤波器或带通滤波器中选择的滤波器对发电机的端电压进行滤波。
19.如权利要求15所述的系统，其中用从低通滤波器或带通滤波器中选择的滤波器对发电机的速度进行滤波。
20.如权利要求15所述的系统，其中使用模糊逻辑控制来确定发电机的端电压，以确定滤波后的发电机的端电压。
21.如权利要求15所述的系统，其中对发电机的速度进行滤波的步骤是使用模糊逻辑控制来确定的。
22.如权利要求16所述的系统，其中用超前滞后滤波器对发电机实际功率输出的变化率进行滤波。
23.如权利要求16所述的系统，其中用从冲失滤波器或低通滤波器中选择的滤波器对测量的发电机实际功率输出进行滤波。
24.如权利要求16所述的系统，其中从基于发电机实际功率输出的当前值和发电机实际功率输出的先前值基于采样时间的数值微分确定滤波后的测量的发电机实际功率输出。
25.如权利要求16所述的系统，其中使用模糊逻辑控制来确定发电机实际功率输出的变化率的相位滞后。
26.如权利要求16所述的系统，其中使用模糊逻辑控制来确定滤波后的测量的发电机实际功率输出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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