PLC对柴油发电机组全过程控制的探讨

标签：PLC 应急供电  发电机

引言

柴油发电机组在应急供电、远离电力网的海岛矿山供电中广泛应用，对供电系统基本要求是提供稳频稳压的电源;柴油发电机组自动化控制特别是多机并列运行机组有其自身特点，因为柴油发电系统容量小，对机组调速器的调整改变的不仅是有功还可能影响系统频率，对机组励磁的调整改变的不仅是无功还可能影响系统电压。在机组的自动化控制方面，已经有一些专用核心控制器在应用，如丹麦DEIF公司的GPC很早就我国在船舶电站中应用;国内也有公司开发出类似控制装置，但主要还是以多个控制模块组合控制为主，如并车模块、负载分配模块等; 本文探讨一种采用PLC为核心控制器和其它电气设计人员熟悉的元件组成的多台柴油发电机组控制系统，可大大提高系统的可靠性和可维护性，且控制方式灵活。

一、典型应用系统方案

某典型应急供电系统含三台发电机组，见图1所示，QF1～3为机组开关，QF4为机组总供电开关，QF5为市电开关，QF6为负载开关。PLC1～3为机组控制元件;ME1～3电力综合仪表为机组电量监视元件，提供机组过电流、逆功率等保护功能;PLC4为公用控制元件，上位监控采用1台触摸屏即可。

公用PLC可完成QF4、QF5的位置监控、公用起动条件监视、起停顺序管理、发出各机组起停命令信号、接受机组起动阻塞信号等，甚至还可以进行大负荷投入的闭锁控制、公用蓄电池管理等。机组控制PLC主要执行机组起动控制、并列元件自动投退、功率分配、机组解列控制等主要控制工作。

对柴油发电机组起停控制、开关闭锁等一些时序控制与逻辑控制，本文不多介绍，重点讨论机组频载控制;当然还应该提到另外两个重要控制元件，电子调速器与并车模块。并车模块与其它发电厂所用的自动准同期装置在原理、功能、接线方式上并无二致，主要区别在于自动准同期装置所加电压信号来自电压互感器，为交流100V;而柴油发电机组的并车模块可以直接接入交流380V电压信号。 电子调速器实际就是一个速度闭环控制模块，单机运行中对保证频率稳定，在机组并列运行中，就应该用到droop功能，即下降曲线控制方式，另外为了减少因为下降曲线控制带来的频率降和实现功率分配，辅助控制电压(AUX)的重要作用就体现出来了，本文所述PLC控制，就是将PLC产生的控制信号作用于辅助控制端而实现的。

二、机组并列运行的频载控制方式和PLC控制探讨

机组能够稳定并列运行的一个基本要求是对转速频率控制、电压无功控制采用有差调节， 其实这两项控制的模式完全一致;为了实现有差调节，频率闭环控制系统的反馈量叠加有功功率分量K· Pf，图2就是一个频率有差调节的框图， k>0的情况下，控制结果为下降曲线，见图3所示;显而易见，曲线3的功率叠加系数大于曲线1的功率跌加系数，所以下垂更加明显;如果k=0，则转变为恒频控制，适合单机运行;假设将频率返回量乘以系数二，则电机频率(转速)为设定值的一半，就可以实现机组怠速运行; 以上所述就是电子调速器的基本原理。如果要对电压无功进行有差调节，只是将频率改为电压，将有功改为无功，由于柴电机组励磁多采用相复励不可控励磁，可以通过多种均压线方式进行无功分配，且电压稳定，这里不做过多论述。

柴电机组并列运行的频载控制方式主要有以下几种：①全部采用下降曲线，②功率均分或按比例分配，③主调电机法，即设一台调频机组，其它机组采用固定功率控制。下面试探讨论采用PLC的PID控制、高速计数、模拟量采集和模拟量输出功能进行机组频载控制的方法。PLC通过高速计数输入口计算速度传感器脉冲数以获取机组转速，被控机组功率和所有并列运行机组总功率通过安装于本机的智能仪表和总电量监视仪表(如图1中的ME4)变送输出，当然也可以采用有功功率变送器。

见图4所示，采用下降曲线控制时，可以设置xset = fN-ff(fN为系统额定频率)，强制xf =0，PLC只是维持系统频率稳定，功率分配由各调速器调差率决定。虽然没有实现功率分配功能，但克服了单纯采用电子调速器下降曲线控制带来的频率偏差。

各机组额定功率相同时，可以采用功率均分控制，以图1所示系统为例，可将xset设置为(fN-ff )+Pz / 3，xf设置为Pf(Pf为被控机组的有功反馈，Pz为负载消耗功率)，若该机组输出功率小于功率平均值，则该机组运行曲线上移，斜率不变，机组承担更多有功;反之机组运行曲线下移，减少有功出力;各机组功率不断调整，直到实现功率均分;当系统频率发生变化时所有并列运行发电机组共同调整。各机组额定功率不等时，如图1所示，假设G1、G2、G3额定功率分别为

机组额定功率相差悬殊时，可采用功率最大的机组作为主调机组，承担系统主要功率，其电子调速器采用恒转速控制，PLC实现频率微调功能，设置方式与下降曲线控制一致;机组控制与下降曲线控制的主要区别是禁止了电子调速器的droop功能。功率很小的机组只作为功率补充之用，电子调速器必须设置droop功能，PLC采用功率闭环控制。这样的系统中只能设置一台主调电机，否则无法并机工作。

三、过渡过程的控制分析

现按照机组并列运行后采用功率均分方式运行分析机组过渡运行过程的控制策略。所有机组起动时，怠速时间内，PLC不参转速与控制，只进行怠速时间计时，怠速时间结束后，采用转速闭环控制，以方便接受自动准同期的增速、减速命令。如图1所示，市电停电后，PLC4跳开断路器QF5并禁止QF5合闸，向G1发起机命令，G1启动建压后检测到QF1～QF3全部分位，则不检同期合闸;机组单机运行时，电子调速器采用恒速控制;PLC4合上断路器QF4、QF6，向负载供电。由于负载增加，QF4向2号机组控制器发起机命令，2号机组起动成功后，检测到QF1合位，则接通同步模块回路，进行准同步并网。并网成功后，1、2号机组控制器检测到QF1、QF2合位，立即转入功率均分运行模式，两机组电子调速器投入droop功能(采用下降曲线控制)，机组1控制曲线下移，机组2控制曲线上移，机组1向机组2转移负荷，最终达到平衡;同样机组3并入后，机组1、机组2同时向机组3转移负荷并最终达到平衡;不同之处在于2台机组并机运行时，功率控制目标为Pz / 3，3台机组并机运行时，功率控制目标为Pz / 3。当所需功率下降时，可以减少一台机组运行，假设1号机组接到解列命令，首先将其功率控制目标改为0，其控制曲线缓慢下降，机组逐渐甩负荷;由于另外两台机组的控制目标仍然为Pz / 3，可能会导致机组出力不足，但将频率差引入控制目标，保证了频率稳定;在1号机组有功负载降至额定值20%以下后，可择机断开断路器QF1，机组1解列后，按停机流程停止运行。继续运行机组检测到有两台断路器处于合位，则将功率控制目标修改为Pz / 2。当然，如果将机组1开始解列操作的信息以开关量信号通知2号、3号机组控制器，则功率转移的过程更平稳。

四、系统的可实现性和稳定性析

通过以上分析，为实现频载控制，机组控制PLC应具备1路PID运算功能、1路高速计速功能，需2路模拟量(本机有功、总有功变送)输入、1路电压模拟量输出，另外还需要为数不多的开关量。公用控制器以开关量为主，当然，如果机组数量增加，也就相应增加输入输出点数量。可见西门子S7-200这个层级的PLC就能胜任控制任务，即使增加AVR控制功能，也不在话下。

从系统的稳定性方面来说，PLC频载控制指示对机组调速器控制的辅助控制，作为补充功能;PLC控制器以比例积分控制为主，系统的稳定性快速性得到保障。由于电子调速器提供了转速限制功能，智能电量仪表提供了电量保护功能，系统的安全性得到保障。

五、结束语

PLC除具备逻辑运算功能外，还具有丰富的数值计算、模拟量处理、高速计速、数据通讯等功能;充分利用PLC的各项功能，并配以必要的变送器，可以实现柴油发电机组并列运行的各项自动控制功能，可以保证系统运行的稳定性可靠性，由于所采用的元件为广大电气人员所熟悉，增强了系统的可维护性。

参考文献.

[1]船舶电站.王文义.哈尔滨工程大学出版社.2006年9月

[2]S7-200可编程序控制器.西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.2005