柴油发电机组负荷突降故障分析及解决方案

（陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平 713105）

0 引言

对柴油发电机组稳态调速特性的一般要求是不能超过5%，因此不允许柴油发电机组在运行过程中出现大幅负荷波动（突降）。但柴油发电机组运行调试过程中经常会出现这个问题，一般采取调整调速器参数的方法就能解决这个问题。某电站调试过程中，该问题却迟迟得不到有效解决，一度给用户带来极大的困扰，后经过近两个月的排查和试验，终于找到了解决方案。

1 机组配置

某陆用电站项目配套12台柴油发电机组（以下简称机组），单机额定功率8 350 kW、额定转速600 r/min、频率60 Hz、电压13.8 kV、功率因数0.85。机组使用的调速器为Woodward PG-EG58执行机构和2301D控制器，机组上安装转速传感器，转速信号输入给2301D控制器，2301D输出0～200 mA电流信号，信号驱动执行器，执行器输出轴通过横向传动机构驱动柴油机上的燃油齿条拉杆，从而控制油门位置、稳定和调节机组转速（输出有功功率）。

WoodwardPG-EG58执行机构外形如图 1所示，2301D控制器结构如图2所示。

图1 WoodwardPG-EG58执行机构外形图

图2 2301D控制器结构图

2 现象描述

2014年5月，8#机组完成了单机负荷试验，在25%、50%、75%、100%各个工况点运行稳定，负荷波动满足要求。在机组稳定运行 4个多月后，运行过程中突然出现有功功率大幅度突降的现象（见图 3），有功功率由7 000多千瓦突降至3 000多千瓦，故障造成机组严重振荡，机组被迫脱网停机。调整2301D控制器中的PID参数，对传动机构进行润滑保养，问题依然存在，还时常引发其他并网运行机组振荡。

3 故障分析和故障排查

分析故障现象，认为机组有功功率波动与调速器性能关系密切。机组配套的调速器为 Woodward PG-EG58执行器和2301D控制器，2301D控制器通过安装在柴油机上的转速传感器监测转速，并分别通过电流互感器和电压互感器监测机组的电流和电压，用于机组输出有功功率反馈，2301D控制器对反馈功率进行计算和处理后，输出0～200 mA电流信号用来控制执行器驱动轴转角，从而控制柴油发电机组的转速和负荷。经过分析得出影响柴油机调速器性能的因素，包括：1）控制器参数；2）执行器性能；3）柴油机机械传动机构。

图3 8#机组事故曲线

3.1 相关控制器参数

2301D控制器是基于微处理器的数字控制器，合闸前工作在调速模式下，合闸后工作在基载模式下。该控制器用于稳定负荷，与超调、响应速度、突卸负荷特性密切相关。2301D控制器的参数包括：1）H**DYNAMICS #1（PID）；2）I** DYNAMICS #2（PID）；3）W *LOAD PULSE / REJECTION（甩负荷）。

下面对这三个参数进行详细分析。一般情况下使用参数H** DYNAMICS #1即可满足机组控制；当控制效果不理想时，可同时启用I** DYNAMICS #2参数以达到良好的控制效果。H** DYNAMICS #1参数设置为：

增益调节RATED PROP GAIN 1决定了对发动机转速与转速设定值之间偏差的反应快慢，增益设定提供了发动机在轻载或卸载条件时的稳态控制。

补偿调节RESET 1为发动机的延迟时间，即受到干扰后控制器使速度偏差回到零所需的调整时间，应防止缓慢的游车和减小负荷干扰后的速度超调。

执行器补偿ACTUATOR COMPENSATION 1代表了补偿执行器和燃油系统的时间常数，增加该值可以提高执行器的灵敏度和过渡性能[1-3]。

窗口宽度WINDOW WIDTH 1代表了控制器能够自动切换到快速响应时的速度偏差量[1]。控制器使用速度偏差的绝对值控制这个开关，绝对值是参考速度和实际速度的差，窗口宽度太窄导致因子一直在增益比率之间循环。

增益比率GAIN RATIO 1为稳态增益与过渡状态期间增益的比率[1]，增益比率与窗口宽度和增益调节协同操作。速度偏差大于窗口宽度时，通过增益设定点和增益比率相乘来调节增益，这能使控制器动态反应足够快地消除起动时的发动机速度超调和减少负荷变化时的速度偏差量；稳态时使用较低的增益可以获得更好的稳定性，并减少稳定状态时拉杆的移动。

3.2 2301D控制器内部参数设置

检查PID参数，从柴油机正常带负荷运行情况看，PID 参数已经调节到最佳状态；检查 Load pulse/rejection功能，该功能启用后，控制器将会在机组负荷波动超过门限值时，认为机组执行了甩负荷操作，在运行过程中可能会引发负荷的大幅波动。

2301D控制器内部参数设定为：

其中：01为1表示该功能起效；02为门槛设定值，2301D控制器内部通过计算后的值一旦超过该设定值，则功能起效；03和04为比例系数。

重新梳理故障发生的时间，认真分析故障现象，发现在该功能启用前从未发生过多台机几乎同时发生负荷突降的故障，在启用该功能后，该问题才出现。那么故障的原因可能就是 Load pulse/rejection功能起效后，2301D控制器会监测负荷变化，当监测到负荷变化率超过设定值时，2301D控制器认为有负荷突卸指令，从而将负荷卸去。

3.3 外部因素

3.3.1 GCB辅助触点

GCB辅助触点即发电机出口断路器的辅助触点，当断路器合闸或分闸时，会向2301D控制器发出信号，2301D控制器收到分闸信号，认为机组分闸，于是从基载运行模式转换成转速控制模式，从而使负荷突卸。

监测GCB辅助触点，未发现异常变化。

3.3.2 转速信号

调速器用转速信号是非常关键的信号，2301D控制器通过它监测和控制机组转速。如果该信号丢失或不稳定，会发生负荷突降。

3.3.3 执行器故障

执行器内部如果有卡滞，或者滑油里有异物，则可能出现失控现象。检查执行器齿轮，其转动灵活；更换滑油。

4 试验验证

通过上述分析和排查，确定有两个主要原因可能导致负荷突降，一是 2301D控制器内部参数 Load pulse/rejection功能起效，二是转速传感器接触不良。于是对这两个原因进行试验验证。

4.1 Load pulse/rejection功能

取消Load pulse rejection功能，然后进行试验。先取消8#～12#机组的这个功能，机组连续运行，多台机组同时降负荷的现象再未出现，但是单台机组突降负荷的现象仍然存在。

4.2 转速传感器

密切观察频繁发生问题的 8#机组，检查转速传感器插头，插头无松动，转速信号显示正常。机组连续运行一周后，又出现机组异常突降负荷问题。拆掉插头并检查焊接处，发现一个接线头几乎脱开，虽插头内部接触点并没有完全脱离，但会在振动环境中造成接触不良（见图4）。接线头的接触不良导致2301D控制器采集到的转速信号不稳定，从而引起负荷突降。之后，1#机组也发生类似故障，检查发现传感器插头明显松开，几乎与传感器脱离。

至此，机组负荷异常突降的原因已非常明确，即为转速传感器接触不良。

图4 传感器插头

5 结论

由于在排查过程中一直都能监测到转速信号，所以检查人员并未将注意力放在转速信号上，因此走了不少弯路。柴油发电机组并网运行过程中，负荷的稳定性与调速器的性能密切相关，转速信号作为反馈信号起着关键的作用，不容忽视。

参考文献：

[1] Woodward. 2301D and 2301D-EC Digital Load Sharing and Speed Controls Product Manual 26288E for Engines[Z]. 2010

[2] 王丹, 于群, 朱绍庐. 船舶电站柴油机微机调速系统的设计[J]. 大连海事大学学报. 1997(2): 71-73.

[3] 宋百玲, 费景洲, 宋恩哲. 船用柴油机模糊-PID复合调速及快速控制原型研究[J]. 内燃机工程,2010(4): 54-58.