工厂、医院、通信站、体育场等一些重要场所, 对供电可靠性要求非常高, 常用柴油发电机作为备用电源。柴油发电机的投运切换方式有两种, 一是冷备方式, 即市电停电后启动柴油发电机供电, 此方式会出现供电中断问题;二是在线热备方式, 即在重要时机或可预见的停电期之前,将柴油发电机启动并入电网运行, 以实现不间断供电。前者对供电可靠性要求不高, 也无需对柴油发电机进行综合控制。后者则对柴油发电机的运行控制提出了严格要求 ,需要对励磁系统、调速系统以及两者之间的协调关系进行综合控制。

一、系统主体结构

柴油发电机组综合控制系统主要包括励磁系统、调速系统、测量机构和一个综合控制模块 , 主体结构如图1所示。

1. 测量机构。

由一系列的电压互感器、电流互感器和转速传感器等元件组成, 主要为控制系统提供机组运行时的状态信息, 控制系统实时监测机组的运行状态, 由执行器件适时对其作出相应的调整, 保证系统稳定运行。

2. 励磁系统。

同步发电机的励磁系统一般由主励磁系统和励磁调节器两个部分组成。主励磁系统向同步发电机转子提供直流电流, 即励磁电流; 励磁调节器根据输入信号和给定的调节准则控制主励磁系统的输出。整个励磁自动控制系统是由励磁调节器、主励磁系统和发电机构成的一个反馈控制系统, 励磁系统的主要作用如下。

( 1) 控制发电机的端电压 。柴油发电机单机运行时 ,随着负荷的波动, 需要对励磁电流进行调节以使母线电压维持在给定的平。

( 2) 控制无功功率的分配。柴油发电机以热备用状态与电网一起向负载供电时, 可以看作是同步发电机与无穷大母线并联运行, 此时发电机端电压不随负荷大小而改变,调节励磁电流可以改变发电机无功功率的数值。

3. 调速系统。

调速系统主要用来控制柴油机的引擎执行器, 通过执行器改变柴油机油门的大小, 控制柴油机的转速或协调有功功率的均衡分配问题。调速系统作用如下。

( 1) 稳定发电机输出功率的频率在给定等级。在柴油发电机组单机运行时, 调速系统通过改变柴油机油门的开度来改变柴油机的输入功率, 从而改变机组的转速, 亦即改变发电机的输出频率。带载运行时, 负载的波动必然会

导致柴油机转速的变化, 这个变化通过引擎调速器计算放大后输出给引擎执行器, 由执行器相应地加大或减小油机油门的大小来补偿其转速的变化。

( 2) 控制有功功率的分配。当发电机组并入电网一起向负载供电时, 由于电网的拖动, 发电机输出功率的频率与电网严格保持一致, 此时调速器的功能由频率调节转变为与电网共同分担负载所需的有功功率。

4. 发电机组综合控制模块。

主要承担励磁系统和速度系统之间的协调工作, 根据测量机构采集到的电压、电流等信号, 实时监控机组的运行状况, 根据负载的波动情况对励磁调节器和调速器做出相应的调整, 使柴油机发电机组运行在最佳状态。对于突发事件做出快速有效的响应 ,及时通过励磁调节器和调速器调整发电机组的运行状态 ,使其在短时间内恢复正常运行。

二、励磁系统

励磁系统主要由主励磁系统和励磁调节器两部分组成,当然一套完整的励磁控制系统还要包括测量环节及必要的保护环节等, 图2为一般励磁控制系统组成框图。主励磁系统为发电机的励磁绕组提供励磁电流; 励磁调节器用于对励磁电流进行调节和控制; 发电机端电压测量与负载补偿环节测量发电机的端电压, 并对发电机负载电流进行补偿;辅助调节器对励磁调节器输入辅助控制信号, 最常用的辅助调节器为电力系统稳定器; 保护和限幅环节用以确保机组的各种参数不越过其限值。

考虑到励磁系统的强励倍数和响应速度涉及到励磁系统的结构和造价, 所以选择方案时应根据发电机在系统中的地位和作用等因素, 采用恰当的指标以适应运行上的要求。本方案选用了DECS- 100型数字自动励磁调节器, 图3为其结构框图。

DECS- 100 是一个高性能、低成本的数字式自动励磁调节器, 采用了微处理器技术, 可以精确控制10MW及以下容量的无刷励磁同步发电机的输出电压, 在并网运行时还能实时控制发电机组的无功输出, 具有很好的无功补偿能力。DECS- 100提 供 了 自 动 电 压 调 节 ( AVR) 、 励磁电流调 节( FCR) 、无功功率控制 ( VAR) 、功率因数控制 ( PF) 四种工作模式, 具备过励关断、发电机过电压关断、发电机检测电压失去关断或切换、过励限制四种保护功能, 以及并网电压匹配功能, 其工作模式和各种功能均能通过BEST-COMS软件选择及进行相应的调整控制。

三、调速系统

柴油发动机调速系统是通过安装在飞轮壳上的转速电磁传感器检测出转速的变化, 通过引擎调速器的控制,由执行器带动油门拉杆, 调节供油量大小, 从而实现转速自动调节的目的。调速系统主要由转速检测单元、电子调速器单元及执行机构等部分组成。

检测部分主要由转速电磁传感器及飞轮齿圈组成, 电磁传感器从飞轮齿圈测得发动机的转速, 并将其变换成与转速成正比的脉冲信号输入给电子调速器, 电子调速器将转速信号与给定转速信号进行对比, 并进行相应的控制运算, 再由功率输出环节驱动执行器改变供油量大小, 自动调节柴油机的转速。

本方案选用了2301D数字式速度调节器用于柴油发电机组的速度控制和负荷分配, 其所有控制功能都是通过一个32位的微处理器来完成, 可以通过串口与PC机通信来完成各种参数的设定和调整。图4为2301D速度调节器组成的调速系统。2301D速度调节器对柴油机提供了完整的控制 功能, 包括启动、怠速、额定速度等状态的控制以及各速度之间的稳定过渡控制, 在同期负载分配模式下, 能够精确控制发电机组的有功输出, 完全满足系统对有功分配功能的需求。

该调速系统中, 速度传感器产生的频率正比于柴油机转速的交流信号, 经过转换器被转换成一个代表柴油机转速的数字, 通过与速度给定值的比较, 如果两个值不相等,可以控制多机 的并列运行 , 还可以控制机组的并网运。

其差值经过一个PID环节被送往引擎执行器, 从而使得柴油机的油门加大或减小, 这个过程将反复进行, 直至转速与给定值相等。在发电机组并列运行或并网运行时, 可以进行负荷分配控制, 此时速度给定变为负荷百分比给定,比

较的对象变为运行时发电机输出功率对负荷总功率的比例,其差值经过PID环节输出给执行器, 调节原动机的有功出力, 经过反复调整最终使得发电机组输出设定的有功份额。

四、综合控制

为了协调DECS- 100和2301D对柴油机发电机组的控制,使发电机组发挥出最优的性能, 采用EGCP- 3发电机组综合控制模块作为DECS- 100和2301D的上位控制机构, 图1给出了它们之间的连接关系。EGCP- 3以功能强大的微处理器为基础, 是一种几乎可用于所有场合的发电机组控制和管理模块。它本身集成了对发电机组引擎、发电机、母线等的

监控以及保护功能, 主要功能如下。

1. 有功功率的分配与控制。能够根据电压和电流互感器的信号精确计算功率有效值; 为引擎调速系统提供速度偏差信号; 对加载和卸载斜率进行控制; 并列运行时,对机组与电网的负载分配百分比进行控制; 可以外部或手动调整有功输出份额。

2. 无功功率的分配与控制。为励磁调节系统提供电压偏差信号; 加载和卸载斜率的控制; 负载无功功率在机组和电网之间的百分比额度控制; 无功功率或功率因数的外部调节; 手动电压控制。

3. 同期。电压、频率、相序匹配; 自动并网; 人工并网操作。除了以上几个重要功能,EGCP- 3还提供了其他许多自动控制功能, 比如机组从启动经过怠速到额定速度运行这一过程的自动控制等, 其性能可满足系统对发电机组的控制需要。

五、结束语

ECS- 100数字式励磁调节器能够精确控制柴油发电机单机运行时的输出电压和并网运行时的无功输出, 2301D数字调速器能够精确控制柴油发电机单机运行时的频率和并网运行时的有功输出, EDCP- 3发电机综合控制模块可以控制DECS- 100和2301D两个模块协调工作, 构成了一个完整的柴油发电机组综合控制系统。该系统实现了柴油发电机从启动、运行到停止的所有过程的控制, 既可以手动控制, 又可以自动控制; 既可以控制单机的运行,

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