柴油发电机组调频控制及功率交互振荡的Matlab仿真研究

陆 浩 周杰娜 卢江宇杰 肖小兵 林 萍

（贵州大学电气工程学院,贵阳 550003）

交流柴油发电机组并联运行及并入电网运行时，各机组的总负载不变，但由于各机组的制造工艺和供油的不均，会引起一台机组的功率增加和另一台机组的功率减少。通常把这种现象称为功率交互振荡，俗称“游车”。功率的变化会导致系统输出频率的波动，频率能否快速恢复稳定，对电气设备的安全运行至关重要。柴油发电机的应用环境一般容量小，频率波动大。对并联运行的发电机，改变发电机间的有功功率分配，是通过改变各台发电机原动机的油门大小，即单位时间内进入气缸的燃油量来实现的。发电机输出的有功功率是由原动机的机械功率转化来的，随着负荷的变化需要经常调整原动机的转速，以保持电网频率的恒

定，其频率与原动机调速控制系统密切相关。由于发电机转速与频率的比例关系，因此在下文的仿真中也很容易直接建立频率与功率关系的模型。

1 柴油发电机组并联运行

1.1 并联运行

柴油发电机组并联运行必须同时满足4个条件：电压相等、频率相等、相序相同以及相位一致。误差允许范围：电压偏差6±%，频率偏差0.15±Hz，相位偏差6±°。在满足以上条件下，使机组并联运行，否则会产生巨大的冲击电流，对电网造成严重的干扰和破坏。

柴油发电机单机运行时，某一转速（频率）对应输出某一有功功率；对并联运行的发电机，某一频率对应着每个发电机的输出功率。所以，并联机组有功功率分配与电力系统频率调整密切相关。系统有功功率平衡破坏造成电网频率的变化。因此调节频率和凋节有功功率是直接相关的，二者的调节归根到底都是调节原动机的是油门的大小。

在同容量、同型号的发电机并联运行时，可进行二次调频，将系统的总负荷平均分配给参与运行的各台机组；当不同容量的发电机并联运行时，则将系统的总负荷按各台发电机容量成比例的分配给运行的发电机，以增强并联运行的稳定性和经济性。

1.2 自动调频调载方法

自动调频调载装置维持电力系统频率恒定和有功功率按比例分配，实际是通过步进电机对原动机电子调速器的预紧弹簧压力作微调。方法有以下5种。

1）主调发电机法。这种方法是在并联运行的发电机组中选择一台作为“主调机”，当电网负荷变化而出现频差时，由主调机组进行频率的二次调节，改变油门的开度，使电网频率维持稳定，该主调机还承担电网负荷的变化量。而参与并联的其他机组则总是带固定的负荷，称为“基载机”。主调发电机法原理简单，但缺点是使主调机和基载机的功率因数不一致，且随负载的变化而变化，这样当负荷变化较大时，调频过程就会很慢，因为只有主调机组在起调整作用。

2）有差调节。利用具有有差调速特性且调差系数相近的发电机组并联运行来实现频率稳定及负载分配的频载调节方法。这种方法无自动调频调载装置，无法进行二次调节，各机组只由具有有差特性的调速器来控制，因此不能很好地维持频率恒定，负载分配一般也不均匀。此外，它不能自动转移负荷。

3）主从控制法。主从控制法是在并联运行的发电机组中选择一台作为主控机，主控机的主要作用维持电网频率的稳定。它不断地把系统频率与给定频率相比较，当系统频率高于给定频率时，其调节器输出减速信号，通过主控机的调速伺服马达调小原动机的油门；反之，则加大油门，力图维持系统频率的稳定，有时也称其为Master，相应地其余的机组称为slaver，专门负责负荷分配，对频率的变化则不过问。

4）积差法。积差调整法是按频差△f对时间的积分 ΔF=K∫ Δfdt来进行调频的，同时引入与各机组实际功率成正比的功率信号进行比较来校正负荷分配。它的特点是调整结束时总是保持恒频和按比例分配负荷。

5）虚有差法。虚有差法是在参与并联的每一台发电机上都装设按频差和功率分配差进行调整的控制系统。在它们的控制下能经常地保持电网的频率为额定值，电力系统的负荷则按给定比例进行分配。虽然每台发电机所装置的调速器仍为有差特性，且调差系数都不为零，也不会影响调整结果。这就是“虚有差”这一名称的含义。目前它在自动调频调载领域应用较为广泛。

本文采用比较优越且应用广泛的虚有差法作为自动调频调载的方法，虚有差法仿真时都假设有功功率已经平均分配。

2 虚有差法调频及Matlab仿真

2.1 虚有差法调节原理（见图1）[3]

自动调频调载装置由测频器、测功器、调整器组成。假设两台同容量机组作并联运行，装置按照平均分配有功的原则进行调整。

图1 虚有差法调节原理图

2.2 频率信号测量和阻尼电路的传递函数

该电路输入量为Δϕ（转速相对偏差），输出量似乎电压信号UΔf，其传递函数可近似为一个比例环节与惯性环节的串联。

频率调整，假设各台发电机的有功功率已经平均分配，那么上图中个测功器输出端“1”、“4”两点间直流电压相等，又因为“1”连成一点，故“4”等电位，可得到如图2的等效电路。

如fw＞fe,测频器f输出端路“2”为负、“3”为正。

如fw＜fe，测频器f输出端路“2”为正、“3”为负。

调整器输入综合信号Vsri为正时（即“4”为负、“3”为正），发出减速脉冲，当Vsri为负时（即“3”为负、“4”为正），发出加速脉冲。

图2 测频器等效电路

当fw＞fe，因为“2”为负，“3”为正，每个调整器的输入端均是“4”为负，“3”为正，故均发出减速脉冲信号，使各机组油门减小，输出的频率下降，直到fw=fe，测频器输出Vf=KfΔf= 0 时，调速器输入Vsri都为零时，调整结束。

当fw＜fe，调整器将进行相反的调节，直到静态频差为零，调整过程完毕。

2.3 功率信号测量和比较电路的传递函数

按相敏原理制成的功率变换器，其输出电压up与发电机实际功率的相对值PD成正比，即，up=Kp PD；经功率比较，得到的功率分配偏差信号为

式中，n为并联运行机组数；P为第i台机组的输出功率（i=1,2…n）。

功率分配，假定在调整过程中频率始终保持额定值，则测频器输出为零。测功器因输出直流电压信号，可看做是一个直流电源，并忽略其内阻，装置的等效电路变换为

图3 测功器等效电路

调整器从各自的均功电阻R上取得输入信号。假设有n台机组参与并联运行，各测功器上输出的电压、电流分别为Vpi和Ii，由欧姆定律得到各支路电流为

整理得

由此可见，每个均功电阻上的电压（调整器的输入信号）就是功差信号。如果1号发电机的实际输出功率大于参与并联运行机组的平均功率，则在该机组控制电路中的均功电阻上将有电压Vsri

这个“3”正，“4”负的信号电压加于调整器T1输入端，就会令1号机组的调速器进行减小油门的二次调整，使之减负载；同时，必然有另外机组的均功电阻上的电信号小于零，以使相应的调整器发出加速信号，使之加负载，一直到各机组的负载都相等时为止。此时，各均功电阻上的电压均为零调整结束。

2.4 综合调整

装置在实际调整过程中，随着功率的变化，系统的频率也会有变化，所以各调速器实际接受“功差”和“频差”的综合信号

各调整器按接受的Vsri进行调整，直到满足各调整器输入的“频差”与“功差”信号均为零时，调整才完成。

综上所述，这种自动调频调载装置不论对于频率的恒定还是对于有功功率的平均分配，在理论上都能够实现无差调整，尽管调速器本身是有差特性，故这种调节方式称为虚有差法。

3 控制方法及仿真研究

3.1 控制模块设计

本文的控制最关键的就是先判断功率的变化时负荷还是供油干扰引起的，如果是负荷的原因则由上述的“频差”与“功差”调整器调节；如果是供油干扰，则控制加入。

图4 控制模块内部结构图

由上分析可知，当加入干扰力矩时，Δω和ΔPE二者变化一致，二者符号一样，故采用角速度ω、发电机电磁功率PE作为被采集量，为了使他们变化时间一致，在PE侧加入了延时模块，然后对两个量求导相乘，到switch模块，作为控制信号。取为反馈量，控制点在调速器始端，考虑发生功率交互振荡时，机组刚启动带负荷时值较大，可采用PID控制规律对其进行处理。

当有供油干扰时，它必将导致机械功率变化，为ΔPT，此时：①当柴油机的功率突然增加ΔPT＞0时，转子就被加速即发电机角速度ω增大，PE将增大；②当柴油机的功率突然增加 ΔPT＜ 0 时，转子就被加速即发电机角速度ω减小，PE将减小。

此种消除功率交互振荡的控制方法，优点如下：①只要供油干扰产生干扰力矩，不管是由于哪种原因产生的，这种控制方法能判断出来，将其引起的功率交互振荡现象消除；②所采集的信号来自本台机组，采集方便；③控制的对象是单台机组，当其它机组改变运行方式不会带来改变参数的不便。

3.2 仿真结果分析

本文采用柴油发电机双机并联运行，用Matlab仿真该系统。两台机组为同型号，励磁系统、调速系统、原动机均相同，负荷参数：PL= 6 .5e5W，QL= 2000var[4]。

设置供油干扰为 Δgr=ksin(ωt+α)，施加到 1号机组，此时会引起整个发电机组功率交互振荡，并会干扰系统的频率输出。图5－图8是加入控制前后1号机组电磁功率和系统频率的曲线。

图5 交互振荡时1号机组电磁功率曲线

图6 加入控制后1号机组电磁功率曲线

图7 功率交互振荡时系统频率曲线

图8 加入控制后系统频率曲线

由图5—图8可看出，当1号机组受扰动后，其输出电磁功率出现振荡，系统的频率也随之连续波动；当加入控制后，1号机组输出的电磁功率振荡消除，系统的频率也得到改善。

4 结论

柴油发电机组在并联运行中常出现由于供油干扰引起的功率交互振荡，功率的振荡进而会引起系统频率的波动。本文的控制方式是先对产生功率振荡的原因进行分析、判断，再采用“虚有差”法调节并联运行时的各机组分配的功率。Matlab仿真结果表明，该控制方法能够有效地抑制机组间的功率交互振荡，并能提高系统频率的稳定性。

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