柴油发电机组的负荷均衡控制解析方法

许美成

（天水天传电气工程有限责任公司，甘肃 天水 741020）

目前，对于型号规格相同的柴油机与发电机组成的柴油发电机组，其并网控制、负荷分配是通过有功闭环和无功闭环来控制实现的。针对单台机组的容量、类型存在差异的多个单台机组构成的机组，并机运行时有功和无功负荷均衡很难控制，传统的控制方法中并机运行时的负荷均衡是按照容量小的机组分配的，如此大容量机组按照小容量机组使用，相当于降容使用，不能发挥其容量的潜力。为确保不同容量发电机组并网可充分发挥其容量的潜力，本文提供了一种专门根据不同容量发电机组的负荷均衡控制方法。

1 柴油发电机组负荷分配控制方法

1.1 负荷分配控制方法的基本概述

具体的负荷分配方案如下：不同类型柴油发电机组的负荷均衡控制系统，选取若干个柴油发电机组，各柴油发电机组的容量、执行机构类型互不相同；每一柴油发电机组设有控制器模块、电压调节器模块、负荷分配模块；控制器模块输入端连接对应柴油发电机组端和共用母线端，控制器模块输出端分别与电压调节器模块和负荷分配模块电连，电压调节器模块与该柴油发电机组中的发电机电连，负荷分配模块与该柴油发电机组中的柴油机电连，各柴油发电机组的负荷分配模块之间通过两条负荷分配线并联连接，每条负荷分配线上设有该机组主开关的常开辅助触点，两负荷分配线之间设有该机组主开关的常闭辅助触点，主开关闭合，常闭辅助触点打开，每条负荷分配线上的常开辅助触点闭合，柴油发电机组的负荷分配线并联，控制器模块通过电压调节器模块进行无功负荷的均衡调节，通过负荷分配模块进行有功负荷均衡调节，使各柴油发电机组负荷均衡。

采用上述系统对不同类型柴油发电机组负荷均衡的控制方法：各个柴油发电机组的负荷分配按照每个柴油发电机组的实时容量除以该机组额定容量得出百分数相同的原则来自动均衡在网柴油发电机组的负荷。具体包括以下步骤：

（1）控制器模块输出的并网、解列指令信号传输至相应机组主开关，通过控制器模块输出开关量控制不同柴油发电机组之间同期并网；

（2）分别测量在网的各个柴油发电机组中发电机端的电压、电流和相位角输入相应的控制器模块，测量相应机组母线端电压和相位角输入该控制器模块，依照在网机组的实时有功容量占机组额定有功容量的百分比相同，各个控制器模块经逻辑运算输出模拟量I，经对应的负荷分配模块至柴油机执行机构调节有功负荷均衡；

（3）依照在网机组的实时无功容量占机组额定无功容量百分比相同，各个控制器模块经逻辑运算输出模拟量Ⅱ，经对应的电压调节器模块至发电机调节无功负荷均衡。

1.2 负荷分配控制方法的具体实施

不同类型柴油发电机组的负荷均衡控制系统，选取若干个柴油发电机组，每一柴油发电机组设有供电主开关，各个柴油发电机组的容量、执行机构类型互不相同；每一柴油发电机组设有电压调节器模块、负荷分配模块和控制器模块；电压调节器模块输出端通过屏蔽导线连接对应柴油发电机组中的发电机，用于调节相应机组中发电机的电压；负荷分配模块的输出端通过双绞屏蔽导线连接该柴油发电机组中的柴油机，用于调节相应机组中柴油机的转速，对应的电参数为频率，即调节频率。控制器模块用于电压和频率调节、机组的同期并网控制和负荷均衡调节。控制器模块输出端分别通过双绞线与所述电压调节器模块和负荷分配模块相接，控制器模块一路输出模拟量Ⅱ至上述电压调节器模块，设置电压调节器模块参数，其控制输出至发电机励磁绕组，并网前对发电机的电压进行调节，并网后对该机的无功功率进行调节，完成无功均衡分配；另一路输出模拟量I至上述负荷分配模块，整定负荷分配模块的控制参数，其控制输出至柴油机执行机构，并网前对柴油机的转速进行调节，并网后对该机的有功功率进行调节，完成有功均衡分配。

上述控制器模块通过控制线连接相应机组端和母线端，控制器输出的并网、解列指令信号通过控制线输出到主开关的合闸或分闸线圈；依据各机组技术参数设置各控制器模块参数，控制器模块输出开关量控制同期并网或解列。

其中，各柴油发电机组的负荷分配模块之间通过两条负荷分配线并联连接；如：有5台柴油发电机组，1号柴油发电机组每条负荷分配线上设有主开关的常开辅助触点K1-1、K1-2，2号柴油发电机组每条负荷分配线上K2-1、K2-2，3号柴油发电机组每条负荷分配线上K3-1、K3-2，4号柴油发电机组每条负荷分配线上K4-1、K4-2，5号柴油发电机组每条负荷分配线上K5-1、K5-2。1号柴油发电机组两条负荷分配线之间设有主开关的常闭辅助触点K1-0、2号柴油发电机组两条负荷分配线之间设有主开关的常闭辅助触点K2-0、3号柴油发电机组两条负荷分配线之间设有主开关的常闭辅助触点K3-0、4号柴油发电机组两条负荷分配线之间设有主开关的常闭辅助触点K4-0、5号柴油发电机组两条负荷分配线之间设有主开关的常闭辅助触点K5-0，当柴油发电机组供电主开关闭合时，该机组的两负荷分配线之间的常闭辅助触点打开，每条负荷分配线上的常开辅助触点闭合，这样主开关闭合机组的负荷分配线就并联在一起，使这些机组达到并网实现有功负荷均衡分配。

各个柴油发电机组的容量是指柴油机的有功功率和发电机的视在功率，执行机构是由执行电器和机械执行机构两部分组成，负责控制喷油量，不同类型的执行机构其组成形式不同。

不同类型柴油发电机组的负荷均衡控制方法，机组的负荷分配按照每台单机实时有功容量的检测值除以该台单机有功额定容量，得出百分数相同的原则来均衡有功负荷，无功负荷的均衡计算与其相同。具体为：以在网柴油发电机组的实时有功容量值总和/在网机组额定有功容量总和*100%得出的数值为基准，控制器模块输出模拟量I通过负荷分配模块至相应机组的柴油机执行机构实现有功负荷均衡调节，完成在网机组的有功分配；以在网柴油发电机组的实时无功容量值总和/在网机组额定无功容量总和*100%得出的数值为基准，控制器模块输出模拟量Ⅱ通过电压调节器模块至相应机组的发电机励磁绕组实现无功负荷均衡调节，完成在网机组的无功分配。

各个柴油发电机组的负荷分配按照每个柴油发电机组的实时容量检测值除以该机组额定容量得出的百分数相同的原则来自动均衡在网柴油发电机组的负荷。

分别将各个柴油发电机组中发电机端、母线端的实时电压、电流和相位角检测信号传输至相对应机组中的控制器模块，以（在网机组的实时有功容量值总和/在网机组有功额定容量总和）*100%得出的百分数为基准，控制器模块经过逻辑运算得出模拟量I输出至与其电连的负荷分配模块，整定调节值，输出信号至与该负荷分配模块电连的柴油机，进行柴油机频率和有功负荷均衡调节。以（在网机组的实时无功容量值总和/在网机组无功额定容量总和）*100%得出的百分数为基准，控制器模块经过逻辑运算得出模拟量Ⅱ至电压调节器模块，经其输出信号至相应机组发电机，进行发电机的电压和无功负荷的均衡调节。

2 使用实例

分别测量各个柴油发电机组中发电机端的电压、电流和相位角，通过控制线输入相应机组的控制器模块，测量相应机组母线端电压和相位角通过控制线同时输入该控制器模块；机组的负荷分配按照每台单机实时有功容量的检测值除以该台单机有功额定容量，然后乘以100%得出百分数相同的原则来均衡有功负荷，无功负荷的均衡计算与其相同。系统的单线图如图1所示：

图1 系统单线图

所使用的发电机型号及发电机机组参数如表1所示：

表1 发电机机组参数

发电机的总容量为S、有功容量为P、无功容量为Q，单台发电机的具体数据如表2所示：

表2 发电机参数

假设此时1号发电机、2号发电机、3号发电机并网,并网发电机总有功为PZ，PZ=P1+P2+P3=3833kW；并网发电机总无功为QZ，QZ=Q1+Q2+Q3=3995Kvar，若此时电网的总有功为P=2000kW，总无功为Q=1000Kvar，得此时的有功功率百分数P%，则P%=P/PZ=52.2%;无功功率百分数Q%，则Q%=Q/QZ=25%。1号发电机组的有功分配的调节目标值P1·P%=1030×52.2%=537.7kW，1号发电机组无功分配的理论目标值Q1·Q%=1090×25%=273Kvar；此时2号发电机组有功分配的调节目标值P2·P%=1200×52.2%=626kW，2号发电机组无功分配的理论调节目标值Q2·Q%=1473×25%=368Kvar；3号发电机组的有功分配的调节目标值P3·P%=1603×52.2%=837kW，3号发电机组的无功分配的理论调节目标值Q3·Q%=1432×25%=358Kvar。

3台并网发电机机组，将各自根据相同的有功百分数和无功百分数进行计算，调节系统自动对有功功率和无功功率进行初期的分配，持续调节至发电机组的有功功率和无功功率与目标值接近后进行微动调节，直至达到此刻的动态平衡点。最终在很小误差范围内接近上述计算中各发电机组的有功目标值和无功目标值，完成系统中每台机组有功功率及无功功率的分配。

3 结论

目前国内各大型钻井公司柴油机发电机存量大且型号不尽相同，在部分柴油发电机维修后再使用过程中难免会提供不同类型的柴油发电机给钻井施工队。使用常规的并网分配方法无法完全发挥出柴油发电机的效率，导致单台柴油的油耗上升、使用成本提高。

使用上述的并网分配方法可以完全发挥柴油发电机的工作效率、降低生产成本、使电网系统更加快速稳定，在突加或突减载的过程中有功和无功仍然能均衡分配负荷、性能稳定运行可靠、并网快速准确，避免了钻机在钻井工艺过程中负荷突变引起的系统振荡，有效控制了发电机组负荷分配不均衡产生的停机现象。