杨红波，徐卫忠，李东超

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090）

0 引言

孤岛电站单机组运行时，对于外部的负载波动，通常采用自身调节模式。然而，当多机组并列运行时，由于各个机组的性能不同且无统一的分配机制，会造成负荷分配不均衡的问题；当外部负载扰动较大时，甚至会导致个别机组保护跳机。为此，需引入控制系统来对各机组负荷进行分配管理，以达到使孤岛电站平稳运行的目的。

本文的讨论是基于某矿山重油电站项目，该 项目共4 台机组，采用孤岛电网运行模式，为矿山皮带机及港口码头等设施供电。文中对柴油发电机组的性能进行介绍，并对孤岛电站的硬件和软件进行针对性设计，用以解决多机组并列运行所产生的问题。

1 柴油发电机组调速调压系统

柴油发电机组的调速调压系统是孤岛电站的核心系统，是由电力系统供电质量的评价标准（供 电频率、供电电压）决定的，其中供电频率由调速系统决定，供电电压由励磁调压系统决定。

1.1 调速系统

柴油发动机调速系统的作用是维持柴油发动机转速的恒定，从而使输出频率稳定。柴油机组如果没有调速系统，会导致以下结果：当负载减小时，转速升高，循环供油量增大，致使柴油机超过额定转速造成飞车；当负载增加时，转速降低，循环供油量减少，导致柴油机带不动负载而熄火[2]。

柴油发电机组转速调节过程如下：

1）当负荷增加时，阻力矩随之增大，导致转速降低，调速系统控制油门开度变大增加供油量，提高输出转速，实现减速增油调节动作；

2）当负荷减小时，阻力矩相应减小，输出转速升高，此时调速系统控制油门开度变小进而减少供油量，实现增速减油调节动作。

根据达朗贝尔原理，柴油机发电机组动态方程为

式中：M0为柴油机输出扭矩，N·m；Mr为发电机阻扭矩，N·m；ML为负载扭矩，N·m。

由此可知，扭矩是引起转速波动的原因。发电机阻扭矩为定值，而负载扭矩将随着外围负载的波动而变化，这是造成转速波动的主要原因。

控制器的性能决定了调速的性能，控制器输入为设定转速和实际转速的偏差信号，输出为控制执行器的电信号，控制器的模型为

控制执行器一般为小功率的直流伺服电机，电机将输入电信号转化为电机输出扭矩，执行器模型为

式中：K1为增益系数；T1为执行器的时间常数[3]。

调速系统结构图如图1 所示。

图1 调速系统结构图

1.2 励磁调压系统

励磁控制系统的主要作用即利用对发电机励磁绕组的直流电流进行调整，实现对发电机机端电压恒定的有效控制，在发电机正常运行过程中，对发电机组的无功功率进行合理分配控制[1]。因此，励磁控制系统运行的状态，严重影响着柴油发电机的供电质量和运行稳定性，其主要作用包含以下2 个方面：

1）在发电机的运行过程中，如果发电机的负荷产生波动变化，导致发电机的机端电压随着变化，则借助励磁控制系统对励磁电流的增加或减小，以调节发电机的机端电压稳定至给定水平。

2）通过励磁控制系统，可以改善发电机运行过程中的功率特性，提高功率极限；当电力系统中出现故障时，还可以应通过对电流等参量的控制，保障发电机电力系统的稳定性。

本项目同步发电机励磁系统采用自励方式，不设专门的励磁机，而从发电机本身取得励磁电源，经整流后再供给发电机本身励磁。

励磁调压系统结构图如图2 所示。

图2 励磁调压系统结构图

2 多机组并列运行时产生的问题

单机组运行时，自身能够进行电压（无功功率）调节和转速（有功功率）调节，但是在孤岛电站多机组并联运行时，会出现有功无功分配不均及外部大负载启动时频繁跳机的问题。

1）机组有功功率分配失衡

在机组运行后，由于无分配机制，有些机组运行负荷大，有些机组运行负荷小，且无规律性；当分批带载时，前面并行机组带载负荷大，后面并列机组带载负荷小，不能使各机组运行在最佳油耗区。

2）机组无功功率分配失衡

由于是孤岛运行，不能采取恒功率因数模式，只能采用恒无功模式以保持孤岛电站电压恒定，这就导致不同机组无功功率无法平衡分配及控制，一些机组无功功率较大，一些机组无功功率较小，甚至某些机组会从孤岛电站电网吸收无功，不能使各机组运行在发电机出厂0.8 功率因数附近的范围内，对发电机长期运行的工况不利[4]。

3）机组在外部大负载启动时频繁跳机

由于各机组独立运行，由于没有协调控制机制，有的机组运行负荷较大，有的机组运行负荷较小；在外部大容量变压器上电及外部大负载启动时，运行负荷大的机组由于剩余功率不足，无法满足负载大电流启动的要求而导致停机；运行负荷小的机组由于其余机组停机而自身无法承担外部负载，也会导致停机，最终将造成孤岛电站所有机组停机。

3 多机组并列运行控制策略

3.1 控制要求

孤岛电站的控制策略需要对一系列设备整体特性和限值条件等因素进行综合考虑，其中包括柴油机特性、发电机特性、负载特性等，在考虑到上述所有特性和限制条件的情况下，进行控制策略的优化。静态时，需要考虑的因素相对简单；动态时，控制策略的重要性更能体现出来，这其中涉及到柴油机负载加载率的限制、可用功率的限制、负载对电站电压和频率的影响等[5]。

3.2 发电机组的控制

孤岛电站电力供应大多来自于发电机组，其驱动动力的来源主要来自燃油，通过柴油机将热能转化为机械能。然而，柴油机工作效率受到负荷的影响较大，在低负荷区域会导致工作效率急剧下降，一般通过设定柴油机最佳工作区域进行控制（通过燃油调节阀实现），并通过增减发电机组来保证电力供应的需求。

3.3 防失电的控制

防失电控制是以电力系统中出现发电机跳闸为考虑对象，兼顾孤网电压和频率规范要求的情况下，以防止孤网失电为控制目标。基本的要求可以描述为：在发生机组故障引起发电机跳闸的情况下，剩余在网发电机组依然能保证电站电力供应而不会引起跳闸。

3.4 负载扰动的控制

为了减少外部负载扰动引起的柴油机过度应力和频率波动，需要内部设置有负载分配及重载问询功能。如果没有负载分配及重载问询，外部负载波动时将会使孤网的某些机组产生较大的突加突减扰动，严重时可能会导致孤网系统失电。

3.5 系统配置

本项目硬件系统配置见图3。

该系统主要包括：

1）西门子PLC S7-1500 模块。

2）同步表、手动按钮、指示灯，用于实现手动同期及手动调压、调速功能。

3）西门子触摸屏。

4）机组控制器：DGC-2020HD，该控制器属于自适应控制器，主要用于负载分配，具有机组控制、测量的基本功能，通过以太网分配有功负载和无功负载。

PLC 模块和触摸屏，主要用以采集和显示机组各项参数信息，实现远程遥控、遥测、遥调、遥信功能，并具备自动、手动并车控制功能，各机组控制器间通过以太网进行通信。

图3 系统配置模型

4 系统控制策略

根据电站自身的特点，需要根据柴油机特性、配电系统特性、外部负载特性编制PLC 系统控制逻辑，调压、调速功能根据DGC-2020HD 控制器自动脉冲指令及手动调速、调压指令来实现，分配指令分别下达给各运行机组，达到协调控制的目的，其逻辑原理图如图4 和图5 所示。

图4 调压控制逻辑

在自动模式下，控制系统根据负载功率状态进行在网机组的启停、自动并车、自动调载调压以及解列功能。启动同期命令后，DGC-2020HD自动发出调压、调速信号，检测到电压、频率、 相角达到同步状态，自动发出合闸信号，控制断路器合闸并网。自动发出调压、调速信号，检测到电压、频率、相角达到同步状态，自动发出合闸信号，控制断路器合闸并网。一旦来自电源的输入功率未达到预置水平，启动模式为组启动，发电机自动启动拾取负载，随着系统负载变化实现附加发电机并机或停机。一旦从电源输入的功率达到预置水平，则启动模式为单发电机组启动，由单台发电机自动启动承担负载。在多台机组并列运行时，根据预先设置平衡分配各机组出力，使得孤岛电站有功和无功与实际外部需求相匹配。

图5 调速控制逻辑

手动模式下，通过选择开关及按钮手动进行调速、调压、同步并车及解列功能。通过屏前就地操作调压、调速开关调整发电机运行状态进行准同期并网。手动准同期为自动准同期并网的备用并网方式；当自动准同期装置发生故障时，可通过手动准同期单元调节操作发电机组准同期合闸并网。

对于皮带机等大负荷设备，为了防止系统过载，需设置功率限制功能；在其运行过程中，负荷增加达到供电系统设定限值时，对其进行功率限制，使其功率不超过运行机组的允许值。由于小功率设备的功率变化迅速，在正常情况下，小功率设备启动不会导致发电机组过载；但是当重载直接启动时，启动电流很大，会引起电网电压降落、瞬时过载等问题，可采取设置重载启动询问功能的措施加以解决。重载启动询问功能是对大负荷设备的启动实行启动询问，当功率条件满足时立即启动，若功率条件不满足，则启动备用机组投入，待条件满足后再启动，以避免已运行发电机组跳机。

当电站内部出现故障不能保证正常电力输出时，需编写分级卸载保护功能，对优先级低的重载快速脱扣，也可进行多次卸载设置，以适应不同程度的过载条件，保证对重要负载的连续供电。

5 结论

本文提出的控制策略用于解决孤岛电站多机组并列运行时出现的问题，通过实践验证，该控制系统能够稳定电站供电电压、优化燃油消耗，同时能够实现系统电站能量供需的平衡；当电力系统发生严重的功率缺额时，能够开启系统备用发电机组；当外部负载产生扰动时，通过PLC 的平衡分配程序模块使各机组迅速达到新的运行平衡状态；当电站系统内部发生故障时，减去不重要负载，保全重要负载供电的连续性。通过该控制策略，孤岛电站的性能得到很大程度的优化，解决了多机组并列运行有功无功分配不均及外部大负载启动时频繁跳机的问题，对类似问题的处理具有较强的借鉴意义。