鉆機柴油發(fā)電機組自動并網(wǎng)控制系統(tǒng)設計

劉 政

（福建福清核電有限公司，福建福清350318）

1 系統(tǒng)介紹

本設計主要對3臺柴油發(fā)電機組進行控制，實現(xiàn)同期并網(wǎng)、負荷分配等功能，同時對發(fā)電機組運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控。經(jīng)過查閱相關資料，發(fā)電機組并入電網(wǎng)運行，需滿足3個條件：①發(fā)電機輸出電壓要和電網(wǎng)電壓相等；②發(fā)電機的輸出頻率要和電網(wǎng)頻率相同；③發(fā)電機的相位要和電網(wǎng)相位一致（允許相位差在±5°以內(nèi)）。

每臺柴油發(fā)電機組控制系統(tǒng)主要由測量機構、調(diào)壓系統(tǒng)、調(diào)速系統(tǒng)、控制器組成。系統(tǒng)主要結構如圖1所示。

圖1 柴油發(fā)電機組自動并網(wǎng)控制系統(tǒng)結構圖

1.1 測量機構

測量機構由轉速傳感器、電壓互感器和電流互感器組成，為控制系統(tǒng)提供柴油發(fā)電機組的運行信息。通過實時監(jiān)測發(fā)電機組運行參數(shù)，經(jīng)過控制系統(tǒng)邏輯判斷后，由相應的執(zhí)行機構及時作出調(diào)整，來保證發(fā)電機組穩(wěn)定運行。

1.2 調(diào)壓系統(tǒng)

同步發(fā)電機的調(diào)壓系統(tǒng)主要由電壓調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器兩大部分組成。其中電流調(diào)節(jié)器向同步發(fā)電機轉子繞組提供直流勵磁電流，而電壓調(diào)節(jié)器根據(jù)輸入信號和給定的調(diào)節(jié)準則控制電流調(diào)節(jié)器的輸入。整個調(diào)壓系統(tǒng)是由電壓調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、電壓傳感器、電流傳感器和發(fā)電機構成的一個雙閉環(huán)電壓控制反饋系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 電壓控制系統(tǒng)結構圖

調(diào)壓系統(tǒng)的主要作用如下：

（1）根據(jù)發(fā)電機負荷變化相應地調(diào)節(jié)勵磁電流，維持發(fā)電機輸出電壓為設定值；

（2）控制3臺并列運行的柴油發(fā)電機間無功功率分配；

（3）根據(jù)機組運行要求對發(fā)電機實行最大勵磁限制和最小勵磁限制，確保機組的各參數(shù)不越過限值。

本設計選用DECS＿100數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器用于柴油發(fā)電機的輸出電壓控制和無功功率分配。DECS＿100數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器能為各種功率等級的發(fā)電機主磁場或勵磁機磁場提供精確、可靠的控制，并集成了勵磁調(diào)節(jié)、限制、保護、測量、顯示和無功功率分配等功能于一體，具有勵磁電流調(diào)節(jié)（FCR）、自動電壓調(diào)節(jié)（AVR）、功率因素控制（PF）和無功功率控制（VAR）4種控制模式。DECS＿100數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器采用PWM方式輸出，可以控制一臺發(fā)電機與其他發(fā)電機并聯(lián)運行或并網(wǎng)運行，適用于分布式發(fā)電、集中式發(fā)電和調(diào)峰發(fā)電等應用場合。

1.3 調(diào)速系統(tǒng)

調(diào)速系統(tǒng)主要用來控制柴油機的引擎執(zhí)行器，通過執(zhí)行器的調(diào)節(jié)連桿拉動噴油泵齒桿，進行供油量的調(diào)節(jié)，從而使發(fā)電機保持設定轉速或協(xié)調(diào)有功功率的均衡分配問題。調(diào)速系統(tǒng)主要作用如下：

（1）穩(wěn)定發(fā)電機輸出功率的頻率在設定等級內(nèi)，以滿足機組并網(wǎng)的頻率要求。柴油發(fā)電機單機運行時，調(diào)速系統(tǒng)通過執(zhí)行器的調(diào)節(jié)連桿來改變柴油機油門的大小，控制發(fā)電機保持設定轉速，從而控制發(fā)電機輸出功率的頻率在設定等級內(nèi)。

（2）控制有功功率的均衡分配。柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，會遇到負載不均衡的情況，這就要求發(fā)電機組在無轉速差的情況下保持有功功率的均衡。將有功功率的差值比例變換，加到油門信號中去改變油門的平衡位置。油門開度增大，動力矩增大，負載的阻力矩增大；油門開度減少，動力矩減小，負載的阻力矩減小。由此來實現(xiàn)有功功率的調(diào)節(jié)。

本設計選用2301E數(shù)字式速度調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)柴油發(fā)電機的速度控制和有功功率均衡分配。2301E數(shù)字式速度調(diào)節(jié)器基于32位高性能微處理器設計，可以通過串口與PC機通訊來完成各種參數(shù)設置和調(diào)整，還能為柴油機提供完整的控制功能，其包括啟動、怠速、額定速度等狀態(tài)的控制和各速度間的穩(wěn)定過渡控制。在多臺柴油發(fā)電機組并列運行情況下，能夠精確地控制發(fā)電機組有功輸出，滿足調(diào)速系統(tǒng)對有功均衡分配的要求。

圖3 2301E速度調(diào)節(jié)器調(diào)速原理圖

調(diào)速系統(tǒng)主要由電子調(diào)速器單元、轉速檢測單元和執(zhí)行機構組成。如圖3所示為2301E速度調(diào)節(jié)器組成的調(diào)速系統(tǒng)。轉速檢測單元主要由轉速電磁傳感器和飛輪齒圈組成，電磁傳感器安裝在飛輪殼上，柴油機轉動時，飛輪齒圈隨之轉動，傳感器與齒輪的間隙發(fā)生變化，從而傳感器磁路中磁通量發(fā)生變化，產(chǎn)生類似正弦波信號。該信號經(jīng)轉換器轉換成數(shù)字信號，與給定轉速進行比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過一個PID控制環(huán)節(jié)被送往引擎執(zhí)行器，從而控制柴油機油門增大或減小，使柴油機轉速與給定轉速相等。當發(fā)電機并網(wǎng)運行時，此時轉速給定變?yōu)樨摵砂俜直冉o定，即發(fā)電機輸出功率占負荷總功率的百分比，其差值經(jīng)過PID控制環(huán)節(jié)輸出給執(zhí)行器，通過調(diào)節(jié)柴油機的有功出力，而使發(fā)電機輸出設定的有功功率。

1.4 控制器

控制器主要用來協(xié)調(diào)調(diào)壓系統(tǒng)和調(diào)速系統(tǒng)的工作，根據(jù)測量機構采集的電壓、電流信號，實時監(jiān)測發(fā)電機組的運行狀況。當負載發(fā)生波動時，對調(diào)壓器和調(diào)速器進行相應的調(diào)整，使發(fā)電機組處于最佳的運行狀態(tài)。

為協(xié)調(diào)DECS＿100和2301E對柴油發(fā)電機組的控制，使發(fā)電機組發(fā)揮最優(yōu)的性能，選用easY－gen－3200綜合控制模塊作為DECS＿100和2301E的上位控制器。圖1所示給出了它們之間的連接關系。easYgen－3200綜合控制模塊以強大的微處理器為基礎，集成了對發(fā)電機組的引擎、發(fā)電機、母線的監(jiān)控以及保護功能，能夠很好的實現(xiàn)柴油發(fā)電機組的并網(wǎng)控制。在滿足控制要求的情況下，因其控制速度快、抗干擾性強、易于維護、使用簡單、針對性強和性價比高等優(yōu)勢，被廣泛應用于柴油發(fā)電機組并網(wǎng)控制。easYgen－3200綜合控制模塊主要功能如下：

（1）有功功率的分配和控制。能夠根據(jù)電流和電壓互感器的信號精確計算功率有效值，對并列運行的發(fā)電機組進行負荷均衡分配；

（2）無功功率的分配和控制。為電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供電壓偏差信號，對負載無功功率在電網(wǎng)和機組間的百分比額度進行控制；

（3）同期并網(wǎng)。對電壓、頻率和相序進行匹配，以滿足自動并網(wǎng)和人工并網(wǎng)操作。

除以上幾個主要功能，easYgen－3200綜合控制模塊還提供了很多自動控制功能，如機組從啟動經(jīng)過怠速再到額定速度運行過程的自動控制，其性能能夠滿足本設計對柴油發(fā)電機組的控制要求。

2 程序設計

石油鉆采控制系統(tǒng)中，一般選擇技術成熟的PLC作為核心控制器，而柴油發(fā)電機組并網(wǎng)控制系統(tǒng)屬于其中的一部分，可以利用PLC與觸摸屏來實時監(jiān)測發(fā)電機組的各種參數(shù)。國內(nèi)知名的石油鉆采系統(tǒng)生產(chǎn)廠家某電氣傳動研究所采用的控制器就是S7－300 PLC，本方案以S7－300 PLC為硬件基礎進行程序設計。

在軟件設計中采用模塊化設計思想，將整個監(jiān)控系統(tǒng)分解成5個功能塊，把每一個功能做成一個子程序，然后在主程序OB1塊中調(diào)用子程序。這5個功能塊分別是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標準化、最大功率比較、超額定功率報警處理和計算視在功率，如圖4所示為OB1主程序塊。下面簡單地介紹其中幾個子程序塊。

圖4 OB1主程序塊

2.1 數(shù)據(jù)采集子程序設計

柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)中，需要將3臺發(fā)電機組輸出的三相電流、電壓、無功功率、有功功率、頻率和功率因數(shù)等數(shù)據(jù)顯示在監(jiān)控畫面上。在數(shù)據(jù)傳送過程時，STEP7軟件中的I/O存取命令不允許用單字節(jié)、單字或雙字命令去存取具有3個或大于4字節(jié)的相連續(xù)的DP數(shù)據(jù)區(qū)域（模塊）。為了讀取這種封閉結構相連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)域，使用系統(tǒng)功能塊SFC14。

將DP從站采集上來的數(shù)據(jù)包送到主站，通過調(diào)用SFC14“DPRD＿DAT”功能塊將數(shù)據(jù)解包至數(shù)據(jù)塊DB10。在主站中將采集的數(shù)據(jù)通過標準化處理，以滿足觸摸屏的顯示要求。經(jīng)查easYgen－3200綜合控制器產(chǎn)品說明書可知，采集上來的A、B、C三相電流以及無功和有功功率都需乘以系數(shù)0.1，對電壓不做處理，功率因數(shù)乘以系數(shù)0.001，頻率乘以系數(shù)0.01，最后將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)塊DB100中，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

2.2 功率過限報警子程序設計

在程序中，設置 M30.0、M30.1、M30.2、M30.3四個點，分別作為無功功率高額報警點、無功功率超額報警點、有功功率高額報警點和有功功率超額報警點。當3臺柴油發(fā)電機組中的無功功率最大值占相應的額定功率的90%以上時，M30.0置位，觸發(fā)無功功率高額報警；當3臺柴油發(fā)電機組中的無功功率的最大值占相應的額定功率的95%以上時，M30.1置位，產(chǎn)生無功功率超額報警。有功功率的報警情況設置同無功功率的報警設置，在此不再復述。當出現(xiàn)報警時，需維護人員采取相應的措施，防止設備損壞。

2.3 計算視在功率子程序設計

由于視在功率無法測量，而3臺柴油發(fā)電機組的無功功率和有功功率是可以測量的，因此，由已知的無功功率和有功功率可以計算出總的視在功率。

先計算總無功功率Qtotal和總有功功率Ptotal，其中：

式中，Q1、Q2、Q3分別是 3臺柴油發(fā)電機組的無功功率；P1、P2、P3分別是3臺柴油發(fā)電機組的有功功率。再計算總無功功率的平方Qsq和總有功功率的平方Psq如下式所示：

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以計算出總視在功率的平方Wsq：

然后，再對總視在功率的平方Wsq開方，就可得到總視在功率Wtotal：

最后將總視在功率Wsq輸出顯示在畫面中。

2.4 人機界面設計

為了便于和S7－300 PLC通訊，本方案采用WinCC flexible軟件來設計組態(tài)畫面。發(fā)電機組數(shù)據(jù)通過Profibus－DP總線傳輸至PLC，經(jīng)PLC處理后存放在DB100數(shù)據(jù)塊中，監(jiān)控系統(tǒng)只需從數(shù)據(jù)塊中讀取所需的數(shù)據(jù)即可顯示。如圖6所示為柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)畫面，圖中模擬兩臺發(fā)電機組并網(wǎng)運行，且觸發(fā)了無功功率和有功功率超額報警。

圖6 柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)畫面

柴油發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)提供了友好的人機界面，可以通過文字、圖像、動畫等效果形象地表示控制系統(tǒng)的工作狀況和被控參數(shù)，同時由于其強大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能，為操作人員提供了極大的方便。

3 通訊的實現(xiàn)

easYgen－3200綜合控制模塊帶有 CAN＃1、CAN ＃2、RS 232和RS 485總線通信接口。easYgen－3200綜合控制模塊上的CAN＃1接口最多能實現(xiàn)32臺綜合控制模塊互連，從而對發(fā)電機組進行負荷分配；CAN＃2為擴展卡件接口，本設計中無需對綜合模塊進行功能擴展；RS 232是與計算機通訊的接口，計算機通過RS 232接口能對綜合控制模塊進行參數(shù)設定；RS 485接口能實現(xiàn)綜合控制模塊與PLC通訊，發(fā)電機組的運行數(shù)據(jù)經(jīng)RS 485總線送往PLC進行處理。

圖7所示為easYgen－3200綜合控制模塊與PLC通訊原理圖。3臺發(fā)電機組的綜合控制模塊經(jīng)CAN＃1口通訊，實現(xiàn)負荷均衡分配。PB－B－Modbus總線橋為Modbus協(xié)議設備（3臺綜合控制模塊）連接到Profibus總線網(wǎng)絡提供解決方案。可實現(xiàn)Modbus協(xié)議232/485設備接入Profibus總線網(wǎng)絡（S7－300 PLC）的異構網(wǎng)絡需求。PB－B－Modbus總線橋帶有雙重性質(zhì)，它既作為Modbus的主站，又作為Profibus的從站，由此實現(xiàn)3臺easYgen－3200綜合控制模塊與PLC通訊。

圖7 easYgen－3200綜合控制模塊與PLC通訊原理圖

4 結束語

DECS＿100數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器能夠準確控制柴油發(fā)電機單機運行的輸出電壓和并網(wǎng)時的無功功率，2301E速度調(diào)節(jié)器能夠精確控制發(fā)電機單機運行的頻率和并網(wǎng)時的有功功率。easYgen－3200綜合控制模塊可以控制DECS＿100數(shù)字電壓調(diào)節(jié)器和2301E速度調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)工作，檢測電壓、頻率和相序是否滿足并網(wǎng)條件，同時對3臺柴油發(fā)電機組進行負荷均衡分配。PLC采集發(fā)電機組并網(wǎng)運行的各種參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后顯示在人機畫面上。由上述幾部分，構成了一個完整的柴油發(fā)電機組并網(wǎng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對柴油發(fā)電機從啟動、運行、停止整個過程控制，以及對機組運行狀況的實時監(jiān)控。