（电力电子与电力传动专业论文）移动电站综合控制系统的研究.pdf

移动电站综合控制系统的研究 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e mo f o i l 航l l i n gi n d u s t 吼e s p e c i a l l y9 0 0 0 ma i l d1 2 0 0 0 md r i l l i n g 吨s b e i n g 诵d e l yu s e d ，m o 趾dm o f er e q u h m e ma b o u tr e l i a b i l 时a n ds t a b i l i t yw i l lb ep u t f 0 ，a r df o rt h ep o w e rs o u r c eo fo i ld r n l i n gi n d u s t r y m o v a b l ep o w 盯s t a t i o ni st h ep o 啊盯 s o u r c eo fo i ld r i l l i n gi n d u s t 吼锄di t sr l i z a t i o no fi m e g r a t e dc o m f o ls y s t e mb e c o 峙sa n i m p o r t a mr e s e a r c h i n gd h c t i o n m o v a b l ep o w e rs t a 虹o ni sm a i n l yc o m p o s e do fd i e s e lg e n 删o rs e t s 珊et ot h cc a p a c i t y o fs i n g l ed i e lg e n e r a t o rs e tc 咖0 t 曲s 白w i t ht l i ed y n a r n i cr 圯e d so ft l i ew h o l eo i ld r i l l i n g t 幽o l o g y a n dc o n s i d e r i n gt l i ef a c t o rs u c h 鹊r e d u n d a n c yd e s i g no fp o w e rs y s t e 峨s i z e w e i g h t 札d 叩a r ep a r t so fs i n g l es e te t c ，t 1 1 e r e f b r es e v e r a l 姐m et ”ea n ds m a l lc 印a c i t yd i e s e l g 锄e r a t o rs e t sm u s tb ep 盯a l l e l e do ri l a t e d 叫t h eb a s i so fr e a l1 0 a d s a f i e rp a r a l l e l i n go f s e v e r a ld i e s e lg e n e r a t o rs e t s ，i ti si m p o r t a n c ef o rt h ee q u a l i z 砒i o no ft l l ea c t i v ep o w 盯a n d r e a c t i v ep o w 盯b a do nt h ep 血c i p l eo fp o w e rc o 曲r o lo fd i e s e lg e n e r a t o rs e ta n dt h c a l g o r i t h mo fm m o 旧c o 曲o l ，t h ed o s e d - l o o pc o n 叻ls n u c t l 鹏o fp o w e rs t l a r i n g 血盟y c o n t m la r ed e d u c t e di no r d e rt o 砌i z ec o n s t a n t 缸删e n c y ，c o n s t 踟l tv o h a g e ，锄dp o w e r s h a r i n gc o 曲_ 0 l 锄o n gp a r a l l e l i n gd i e 1g e n e m t o rs e t s p o w e rs h a r i n gc o n t m li s t l l ec o 化o f l ei m e g m t e dc o m r o ls y s t e mo fm o v a b l ep a w 盱 s t a t i o n t h ec o 玎t r o ls y s t e mo fp o w e rs h a r i n gb a s e d0 ns p e 酣c o n n _ o ls y s t 嘲a n de x c i t a t i o n c 0 曲r 0 1s y s t e mo fs i n d ed i e s e lg e n 觚l t o rs e ta d d e dp o w e rs h 盯i n gm z 巧c o m r o l l e ra s p 鲥p h e f a l m r o l l i i l l 【1 kd i 侬鹏n c ev a l u eb e t w e 即p o w 盯m e a s u r e 】：i l e n to fd i 断e md i e s e l s e t sb e c o m e 嬲t h ei n p u to f 如恐yc o m r o u 锄df i l z z yc o r l 臼o lr o l c sa f ed e s i g 舱db y e 冲e r i e n c e ，t h 蛐t h eo u t p u t sw i l i c ha d j u s tt h es 毗i n g 讪ea sc o m r o lb i a s 盯ed e d u c t c db y i n f e r e n c em a c l l i n ea n dd e 丘l z z yi m 概e i ) u et ot h ei n p u t so fm z z yc o n t r o l l e ri sp a w e r d i 巧e r e n c eo fp m l l e l i n gd i e 辩lg e n e r a t o r t s ，t t l ep o w e rs h a r i n gc o m r o li sc o o r d i n a t i o n c o m f o la m o n gd i e s e lg e n e r a t o rs e t s t h er e a l i z a t i o no fp o w e rs h a r i n g 旬z z yc o n t r o l l e ri sb a s e do nm 如do fs o f h a r ef i 唧 i 曲珊n c ei nt h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns y s t e mp l c + 碑c ) acl 肌g u a g em n c t i o n 曲o u tt h e 矗l z z y m r o la l g o r j t h mw a sw 血t e l li nt h es o 脚a r em a 阻a b ，锄dt h e i l 、砚sp a c k a g e di nt h e d y l l a m i cl i i l l 【l i b r a j 呵w 1 1 i c hw o u l dh a v eb e e nc a l l e db ys o 舢v a r ew i n c c t h eo u t p mo ff h z z y c o n n _ 0 l l e r 谢l ld r i v er e l e v a ma c t u a t o r sb yt h ec o m r 肌n i c a t i o n 们t hs i e m e n ss 7 3 0 0p l c ， 觚dt h e nt l l eo f d i i l e 如z z yc 劬o l o f p o w e rs h a r i n gw o i l l db er e a l i z e d t h ei n t e g r a t e dc o m r o ls y s t e mo fm o v a b l ep a v 陀rs t a t i o nh a sb e e n 印p l i e di nm e z h o n g ”a n7 0 de l e c t f i cd r i v e sc o m r o ls y s t 锄o fo i l 埘l l i n gr i g s ，a n dt h e 如n c t i o no f 硕士学位论文 a u t o m a t i cs y l l c 邱n i 刎o n ，s e p 删o n 如dp o w e rs h 响g ，州t h e 融e c t i o n 觚dp r o t e c t i o f 廿l ec o m r o ls y s t e mw 盯er h z e d f i n a l l y t h r o u g l it h ee ) 【p e r i m e m s 矾da 尬l y s i sa b o u ts d v e r a l t y p i 龆lc o n d i t i o l l sd u n g 捌l 】i n gb yo i l 出i l l i n g 埏s ，t h er e 蹦l t si n d i c a t et h a tt h ed e s 蓟 r e q u 慨n to ft l 坞i m e g r a t e dc o n 臼r o ls y s t 锄o fm o v a b l ep o w e rs t a t i o ni sr e 踮h e d ，蛆d p r o v i d e saf o u n d a t i o nf o r 谢d e l yu s e df o mn o w 0 n k e yw o r d s ：m o v 曲l ep o w e rs t a t i o n ：p o w e rs h a i i n g ；f u z z yc o m r o l ；w i n c c ：p l c 移动电站综合控制系统的研究 附表索引 表3 1 模糊变量的赋值表2 5 表3 2 有功功率模糊控制规则表2 6 表3 3 无功功率模糊控制规则表2 9 表4 1 信号模块选型3 5 表5 1 起井架工况下功率分配的实测数据5 3 表5 2 钻进工况下功率分配的实测数据5 3 表5 3 起下钻工况下功率分配的实测数据5 4 表5 4 下套管工况下功率分配的实测数据5 4 移动电站综合控制系统的研究 插图索引 图1 1 石油钻机直流传动( s c r ) 系统结构图3 图2 1 柴油发电组并网条件分析8 图2 3 同步发电机的功角特性1 0 图2 4 负荷的频率特性1 1 图2 5 发电频率特性1 2 图2 6 移动电站电力系统的二次调频1 2 图2 7 并联运行机组的有功功率分配1 3 图2 8 发电机无功一电压特性1 5 图2 9 并联运行机组的无功分配1 6 图2 1 0 无功电流调差装置原理图1 8 图2 1 1 无功电流调差装置矢量图1 9 图2 1 2 两台同容量发电机并联运行时的功率调节向量图2 0 图3 1 单台柴油发电机组调频调载结构图2 2 图32 并网机组有功功率均衡控制原理框图2 3 图3 3 三角形隶属度函数2 5 图3 4m a m d a 血模糊推理2 7 图3 5 并网机组无功功率均衡控制原理框图2 8 图3 6 单台柴油发电机组带载运行仿真模型3 0 图3 7 柴油发电机组增加负载时的仿真波形3 1 图3 8 并联运行柴油发电机组间功率均衡分配仿真模型3 2 图3 9 并联运行机组间功率均衡分配的仿真波形3 2 图4 1 移动电站控制系统总体结构图3 4 图4 2p l c 控制系统示意图3 5 图4 3 移动电站控制系统的硬件组态3 7 图4 4 主程序流程图3 8 图4 5 自动准同步并网中断子程图3 9 图4 6 频差判定程序流程图4 0 图4 7 获取恒定越前时间的时序图4 l 图4 。8c s 翻p t 全局脚本编辑器4 2 图4 9c s 研p t 中动作和函数的工作原理图4 3 图4 1 0 算法的调用结构4 5 硕士学位论文 图4 1 1 变量管理器组态变量4 7 图4 1 2 控制系统监控主界面4 8 图4 1 3w i n c c 和p l c 之间的过程通讯图4 9 图5 1z j 7 0 d 电驱动控制系统单线图5 1 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：尧乏名 日期：姗眸多月吕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 旋纬 如 日期0 卯g 年么月孑日 日期：) 孝f 多月；日 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 移动电站作为独立的供电电源被广泛地应用于石油钻机工业领域，石油钻机 按工作环境分，有陆地钻机、沙漠钻机和海洋钻机。无论是在陆地、沙漠，还是 在海洋，它们的共同点是：远离城市供电电网和具有一定的机动性。因而，对远 离城市电网的设施以及机动性设备进行供电的系统我们统称为移动电站电力系 统。移动电站电力系统是柴油发电机组、电网、配电装置以及用电负荷所组成的 完整体系的总称。其主电源一般采用几台容量不太大，同容量、同型号的柴油发 电机组，辅助电源一般采用小容量的应急柴油发电机组。为了便于管理，系统的 柴油发电机组，包括它们的控制、配电装置及辅助设备，通常集中布置在一个或 两个电控房或船舱室内。 移动电站电力系统与工业电网电力系统在容量、输电方式、负载容量等方面 均有较大差别。 ( 1 ) 移动电站多为单一电站，容量较小。其电压等级为6 0 0 v ，频率为5 0 h z 或6 0 h z ，单机容量6 0 0 1 3 0 0 k w ，总装机容量5 0 0 0 k w 左右，视在功率配备达到 7 5 0 0 k v a 。但是，与工业电网电力系统的容量是无法比拟的。 ( 2 ) 电网输电距离短，输送容量小，输电电压低。由于线路短，电网发生短 路时对发电机和系统的影响较大。 ( 3 ) 负载容量相对较大。石油钻机上大的用电负载，如泥浆泵、转盘和绞车 等，其功率可与单台发电机容量相比拟。 ( 4 ) 当起动大功率异步电动机时，对电网会造成较大的冲击，因而对移动电 站电力系统的稳定性提出了较高的要求。如要求发电机调压器动作时间要快，有 强行励磁的能力，发电机有较大的承受过载的能力。 我国有着丰富的石油资源，随着陆地、沙漠及海上油田的不断开发，石油电 驱动钻机数量不断增加，系统配置的要求将不断提高。在满足钻机工艺的前提下， 往往单台柴油发电机组的容量难以满足整个系统的能量要求，必须根据实际负荷 适时采用多台柴油发电机组并联运行，并联后各机组之间的有功功率和无功功率 均衡分配成为了不可忽视的问题。 移动电站电力系统主要是由多台并联运行的柴油发电机组组成，为石油钻机 现场提供动力电源。柴油发电机组的并联运行可以根据钻机作业工况的变化，确 定并联运行机组的台数。同时，当任意一台机组出现故障或停机检修时，电动钻 机可不问断工作。柴油发电机组并联运行时，由于每台机组的运行特性不一样， 移动电站综台控制系统的研究 使得并联运行机组的出力不一样，存在功率分配不均衡的问题。有的机组负荷急 剧增加，有的机组从电网上吸收能量做逆功，甚至使发电系统不能正常运转。因 此，在各种钻机作业工况下，为保迁发电系统的可靠性、稳定性和经济性，应控 制并联运行机组间的功率均衡分配。 目前，并联运行机组间的功率均衡主要采用主从控制方式1 2 】，即在并联运行 的各机组中，设定序号最小的机组为主动机组，其余均为从动机组。系统运行时， 所有在线并联运行的柴油发电机组控制单元中的功率调节器输入端均为主动机组 的同一控制信号，从而达到功率均衡分配的目的。这种均衡控制方式为开环控制 方式，如果各机组的调节特性不同，将不能达到功率完全均衡分配的目的。 并联运行机组间的功率均衡分配是一种综合控制，它不仅涉及单台柴油机的 调速系统和单台发电机的调压系统，而是涉及多台柴油发电机组之间调速控制和 调压控制的协调控制系统，因而难以建立有关功率均衡的精确数学模型。由于模 糊控制的最大特点是针对具有非线性、强耦合、不确定性、时变的多变量复杂系 统，因此，论文提出一种基于模糊控制的功率均衡控制方法，能实时控制并联运 行机组间有功功率和无功功率的自动均衡分配，从而提高电动钻机动力系统的稳 定性和可靠性。 1 2 移动电站控制系统综述 近年来，我国石油钻机在标准化、研究开发能力和制造水平等方面有了较大 的提高和发展，尤其是由数字控制技术构成的电动钻机电气控制系统日趋成熟， 使得我国电动钻机的控制技术取得了长足的发展，极大地提高了电动钻机的工作 效率。 移动电站作为一套电动钻机的动力系统，由多台柴油发电机组组成，每台柴 油发电机组又由柴油机、交流发电机及其控制系统组成。为了满足电动钻机供电 的可靠性和经济性，动力系统一般配置两台以上的柴油发电机组。各并联运行的 柴油发电机组经过空气断路器隔离后连接到公共交流母排，为钻机现场提供动力 及照明电源。其系统结构参见图l ，1 所示。 移动电站控制系统包括柴油机速度控制、发电机电压控制以及功率均衡控制。 为了保证供电频率稳定和柴油发电机组有功功率的均衡分配，要对柴油机的燃油 供应量进行控制；为了保证发电机电压的稳定及无功功率的均衡分配，要对发电 机的励磁电流进行控制。此外，控制系统还设置了多种必要的保护功能，如逆功 率保护、过负荷保护、过电压保护、欠电压保护、过频率及欠频率保护等。通过 现场总线通信功能，可以实现移动电站控制系统参数的实时采集、报警提示等， 这为上层管理和决策提供了重要依据【1 1 6 1 ”。 2 硕士学位论文 l 一 d i e 辩1g 盯a t o r1d i e 鲥g e n e 埘0 r2d i e lg e n 啪t 四3g e nr o o m 星 1 3 1 0 k w 星星 c a l 3 5 1 2 b 1 5 l 1 9 0 0 k v a l 6 0 0 v ，5 0 h ei 一 1 9 l o a s m = o 7 一i 一 _ i 厂一虹_ 一，虹_ _ _ 一虹- _ - 鲤 匡一2 ：，鲫脚b 一2 0 0 0 a 吟r j 姗a芦 ii 3 a c6 0 0 v5 0 k s c l 世 2 n a2 0 a 车华 s c r 2is c i 广- i 一 一 i 2 o a -l j s c i l 一一k 一上 尚 一j 一一k 一土一一 l h 皿a1 h 皿b2 腰a2 腰br td w ad w b 图1 ，1 石油钻机直流传动( s c r ) 系统结构图 图中，d i e s e lg e n e r a t o r 一一表示柴油发电机组，e 代表柴油机：g 代表发电机 g e n ，s y n 和s c r 一一分别代表发电控制柜、同期控制柜和直流传动柜 g e nr o o m 和s c rr 0 0 m 一一分别表示发电机房和电控房 m p ，r t 和d w 一一分别表示带动泥浆泵、转盘和绞车的直流电动机负载 下面将对并联运行的柴油发电机组在转速控制、电压控制与功率均衡控制的 相关性方面分别进行介绍。 1 2 1 柴油机的转速控制与有功功率调节 由于柴油机是按额定转速发出最大功率和最高效率设计的，当转速变化时， 就会使柴油机效率降低并使其零件磨损加剧。几台柴油发电机组并联运行时，频 率波动会引起各机组有功负载分配不均匀，造成有的机组过载，严重时稳定运行 受到破坏。为了保证移动电站运行的可靠性和经济性，运行中对柴油机转速即发 电机频率的调整是十分重要的。 柴油发电机组输出的有功功率是由柴油机的机械功率转化来的，随着负荷的 移动电站综台控制系统的研冗 变化需要经常调整柴油机的转速，以保证电网频率的恒定。对并联运行机组，改 变机组间的有功功率分配，是通过改变各台柴油机油门的大小，即单位时间内进 入气缸的燃油量来实现的。柴油机喷油量的大小，关系到柴油机在一定转速下的 输出功率。换句话说，单机运行时，柴油机的某一转速对应输出某一有功功率； 对并联运行机组，某一频率对应着各发电机组输出的有功功率【1 ”。所以，并联运 行机组的有功功率分配与发电系统的频率调整密切相关。 1 2 2 发电机的电压控制与无功功率调节 当交流发电机并联运行时，若发电机的机端电压不相等，就会在发电机定子 绕组间产生环流，因为发电机定子绕组电抗较电阻大得多，所以环流基本上是无 功的【3 】。在发电机之间，环流由励磁电动势较高的发电机流向励磁电动势较低的 发电机，引起无功负载电流的分配不均匀( 或不按发电机容量比例分配) 。当相差 太大时，会引起一台发电机电流过载而保护动作( 跳闸) ，甚至严重时可能烧坏发 电机。因此，需要自动调整发电机的励磁来改变环流，使无功电流分配的不均匀 度保持在允许的范围内。 因为电压和无功功率的自动调整都是要调整发电机的励磁电流，所以自动电 压调节系统又称为励磁调节系统悔l 。 综上所述，同容量、同型号发电机组并联运行时，应将系统的总负荷( 包括 有功功率和无功功率) 平均分配给参与运行的各台机组；当不同容量的发电机组 并联运行时，则将系统的总负荷按各台发电机容量成比例地分配给运行的发电机 组，以增强并联运行机组的稳定性和经济性。 1 2 3 柴油发电机组的功率均衡控制 一 柴油发电机组并联运行时，往往会出现功率分配不均衡的现象，较大的功率 不均衡，在电网负载接近发电机总容量时，会引起其中一台发电机组过载，而在 电网处于轻载时又会在并联运行的发电机组之间产生环流，甚至会引起逆功率跳 闸。所以功率分配不均衡对均匀利用各机组的容量以及提高电站运行的经济性是 十分不利的。 因此，国家有关的规范标准，对并联运行的柴油发电机组作了规定。如g b 7 9 9 7 4 规定【3 1 ：对于并联运行的交流发电机组，当负载在总额定功率的2 0 l o o 范围内变化时，各发电机实际承担的有功功率或无功功率与按发电机额定功率分 配比例的计算值之差，应不超过最大发电机额定容量的士1 0 和最小发电机额定容 量的士2 0 ( 当容量相同时为士1 0 ) 。 针对规范中规定的有功功率均衡分配的要求，通常移动电站采用有差调速特 性的机组并联运行。各机组可以有确定的功率分配，频率也可以稳定在一定范围 内。但是当总负载变化时，由于调差系数的不一致和燃油控制系统的差异，功率 4 硕士学位论文 分配一般是不均匀的。若调速器选配得当，则在调速器一次调节的作用下，可以 获得一定的功率分配，频差也不会太大。若想进一步减小频率与功率分配的静态 误差，必须依靠手动或自动调频调载装置进行二次调节才能实现。根据不同的调 节原理二次调节可以采用有差调节法、主从控制法以及虚有差法等调频调载方案。 有功功率的调节是以调速特性为依据的，无功功率的分配则取决于电压调节 特性。容易证明，如果参与并联的两台机组都为无差特性，则因为无功电流的分 配关系不恒定，有可能导致一台机组承担了全部无功负荷而另一台分担的无功负 荷为零，因此这种情况下不能并联【3 1 。通常并联运行的机组大都采用有差的电压 调节特性，这种分配方式的特点是每台机组承担的无功负荷与其本身的电压调差 系数( 特性曲线的斜率值取反) 成反比，因此分配关系是恒定的。特殊情况下， 若两台机组的调差系数大小相同，则并联运行机组总是平均分担无功负荷。因而， 欲使并联运行机组能够按一定关系分担无功负荷，须保证它们的电压调节特性皆 为有差特性，通常采用增添均压线或无功电流调差装置的方法。 1 3 控制策略及其实现 柴油发电机组间的自动并网控制、调频和有功功率均衡控制、调压和无功功 率均衡控制以及各种保护功能的实现是移动电站综合控制系统的体现。该控制系 统不仅涉及单台柴油机的自动调速和发电机的自动励磁调压，而且涉及柴油发电 机组并网后的功率均衡控制，因而它是各台柴油机调速装置和发电机调压装置间 的协调控制。 由于并联运行柴油发电机组间的功率均衡控制具有多变量、强耦合、难以建 立精确的数学模型等特点，因而该控制系统以可编程逻辑控制器和工控机为控制 中心，采用多输入多输出的模糊控制算法p 】，以实现并联运行机组间有功功率和 无功功率的均衡分配。 该模糊控制算法的实现则是采用软件模糊推理法1 8 9 】，即用软件实现输入模糊 化、模糊推理算法以及输出去模糊化等模糊控制的主要过程，尤其是模糊推理过 程。它不同于模糊查表法把模糊推理过程离线完成，而是在线运行时。每一个采 样周期都要进行模糊推理，即将传感器感测信号经d 转换后送入计算机，用软 件构成的模糊控制器进行模糊化、模糊推理和去模糊化，由程序“在线”计算出 控制量的大小，再经p l c 去控制被控过程。目前一些专门的应用软件的发展备受 瞩目。这些软件提供一种类c 语言的高级计算机语言，用来编程实现模糊控制算 法，通过p l c 与计算机的通讯把结果传递给p l c ，实现其控制功能。 由于采用软件实现模糊推理，因此这一方法灵活性高、适应性强、应用范围 广，它可以用于输入输出论域为离散有限论域的情形，也可以用于连续无限论域 的情形，它比模糊查表法有更高的精度，因为推理要花费一定的时间，因而要求 移动电站综合控制系统的研究 计算机有较高的运行速度。 1 4 论文的主要工作 针对移动电站综合控制系统的研究，本文提出一种基于集成自动化系统 ( p l c + i p c ) 的多输入多输出模糊控制器，以实现并联运行柴油发电机组间有功 功率和无功功率的均衡分配。具体内容为： ( 1 ) 针对多台柴油发电机组并联运行时功率分配不均衡问题，基于现有的石油 钻机电气自动化控制系统，设计了一种功率均衡控制器，该控制器以可编程逻辑 控制器和工控机为控制中心，采用多输入多输出模糊控制算法，实现各机组有功 功率和无功功率的均衡分配。 ( 2 ) 考虑到m a t l a b 模糊控制工具箱提供了c 语言程序接口，将m a t l a b 中开发的模糊控制算法程序改写成一个c 语言函数，将其封装在动态链接库中， 通过w i n c c 调用动态链接库，并将模糊控制的输出通过m p i 多点传输协议传递 给p l c 以驱动执行机构，从而完成模糊控制算法在自动化系统上的具体实施。 全文共分为五章，内容安排如下： 第一章概述了移动电站综合控制系统的特点、研究现状以及存在的问题，并 提出本文的主要研究内容。 第二章论述了柴油发电机组间的并网原理、频率调节和有功功率均衡的相关 性理论以及电压调节和无功功率均衡的相关性理论，并以向量图的形式分析了两 台同容量柴油发电机组并联运行时的功率调节。 第三章分析了柴油发电机组的恒频率调节和并联运行后有功功率均衡分配的 控制系统结构，以及柴油发电机组的恒压调节和并联运行后无功功率均衡分配的 控制系统结构。本章针对功率均衡控制系统详细设计了功率均衡模糊控制器，并 对柴油发电机组并联运行时的功率均衡进行了仿真分析。 第四章是依据工程实际，选择可编程逻辑控制器和工控机作为控制中心，对 移动电站综合控制系统进行了下位机软硬件设计和上位机监控系统设计。 第五章将本文研究的移动电站综合控制系统应用到中原石油钻机7 0 d 电驱动 控制系统的项目中，通过现场调试验证课题的研究成效。 6 硕士学位论文 第2 章柴油发电机组的功率控制原理 随着石油钻机工业对供电系统提出越来越高的要求，移动电站的自动化程度 也将得到不断的提高。目前，对于柴油发电机组的控制大多仍局限于单台机组的 控制，如单台柴油机的速度闭环控制、单台发电机的电压闭环控制，而且相关的 产品如w 0 0 d w a r d2 3 0 1 d 调速器、b a s l e r d e s c 1 0 0 励磁调压装置等也已得 到了成熟的应用【1 “。但对于要求多台机组并联运行，并且实现并联运行柴油发电 机组间功率均衡控制的场合，系统在控制的准确性及可靠性上仍有待提高。随着 工控机、p l c 等工业级微处理器的广泛应用，几个独立的控制系统将有机的结合 起来实现协调控制。因而，移动电站的自动控制必然由局部控制系统发展为综合 控制系统。 移动电站的功率不均衡分配问题是在多台柴油发电机组并联运行后产生的， 因而本章的第一节简要介绍了柴油发电机组的并网原理。在此基础上，第二节详 细论述了频率和有功功率调节的相关性以及如何实现频率恒定和有功功率的均衡 分配；第三节则详细论述了电压和无功功率调节的相关性阻及如何实现电压恒定 和无功功率的均衡分配。最后，以向量图的形式分析了两台同容量发电机组并联 运行时的功率调节。 2 1 柴油发电机组的并网 柴油发电机组的并联运行是指将数台机组的三相输出通过发电控制柜内的断 路器分别接在公共交流母线上，共同向负载供电。电动钻机动力系统配套的数台 同步发电机根据钻井工艺的变化及对电量的需求进行选择性的并联运行，其优点 是【1 】： ( 1 ) 可以按照负载的变化来调节投入运行的机组数，使柴油机和发电机在较高 的效率下运行。 ( 2 ) 提高了供电的可靠性。当某台机组因故障不能发电或停机检修时，其他机 组继续供电，因而使供电更为可靠。 ( 3 ) 提高了供电质量。并联运行能使电网容量增大，在负载变化时，电压和频 率的变动就会减小，从而提高了供电质量。 柴油发电机组的并网必须满足一定的条件，否则会产生很大的冲击电流，造 成严重后果，并网的条件如下： ( 1 ) 待并网发电机的电压以和母线电压u 大小相等。 7 移动电站综合控制系统的研究 ( 2 ) 待并网发电机的电压以和母线电压u 相位相同。 ( 3 ) 待并网发电机的频率五和母线频率z 相等。 ( 4 ) 待并网发电机的相序和母线相序相同。 柴油发电机组并网时之所以需要满足这些条件，现分别说明如下【l 】。 若并网条件( 3 ) 、( 4 ) 两条满足而( 1 ) 、( 2 ) 两条不满足，即以以，则由于发 电机与母线之间存在着电位差( ，= 以一u ，如图2 1 ( a ) 所示，故在并网时发电机 与交流母线之间将出现环流( 冲击电流) ： ，一型 ( 2 1 ) “ 工， 式中x 一一发电机的电抗。 j 。、u 均为有效值，。滞后于u 9 0 0 。 在u ，与以的相位差较大( 如为1 2 0 0 ) 或极性相反的情况下误并网时，冲击 电流的瞬时值可达额定电流的4 6 倍。由此产生的电磁力可熊损伤定子绕组端 部，而很大的瞬时电磁转矩( 扭力矩) 将损伤机组转轴。 丁 ， v ( a ) 发电机并网单相图( b ) 石 图2 1 柴油发电组并网条件分析 若频率不等，发电机和母线的电压向量将有相对运动，如图2 1 ( b ) 所示。若 把u 看作相对静止，则以将以国：一凹的相对角速度向前旋转。此时，发电机与母 线之间将出现忽大忽小的电压差u ，于是冲击电流，。也忽大忽小。当五与z 相 差过大时，就可能产生很大的机械振动，使并网机组不能并联运行。 最后说明相序要相同的问题。这一条件是必须的，就是说待并网发电机组与 母线相序不同时，绝对不允许并两。相序不同，发电机无法进入同步。 2 2 自动恒频及有功功率均衡控制 2 2 1 频率变化对移动电站电力系统的影响 移动电站的负载突然发生变化时，如电动机的起动、停车等，柴油机油门尚 窖 硕士学位论文 未来得及变化，使柴油机的驱动功率与发电机组负载功率的平衡关系被破坏，引 起发电机组转速的变化，从而使电网频率发生变化。 ，= 篆 ( 2 2 ) 而频率是衡量电能质量的主要指标之一。供电系统的频率波动，会对移动电 站运行的可靠性和经济性带来严重的影响。它不仅影响石油钻机设备的正常工作， 而且会使电动机运行恶化。当电网频率低于额定值时，由于异步电动机的转速下 降，轴上输出功率和效率降低。在电动机电压不变的情况下，由于磁化曲线的饱 和特性，磁化电流增加要比磁通增加多得多，进而会引起铁芯和绕组发热。当频 率高于额定值时，电动机转速升高，对于转矩不变的机械负载，其输出功率必然 增加，使电动机过载。对于离心式的泵类负载和风机，其输出功率与转速的三次 方成正比，又会造成电动机严重过载。另外，频率增加时，在端电压不变的情况 下，磁通必然减少。由于电动机的起动转矩与磁通成正比，所以使电动机起动转 矩减小。有数据表明【”】：如果移动电站的频率是5 0 h z ，若与6 0 h z 的市电相连接， 则所有电动机将超速2 0 运转，所有的离心式泵类负载都得增加7 3 的功率；反 之，当移动电站的频率是6 0 h z 。若与5 0 h z 的市电相连接，则所有电动机将以降 低1 7 的转速运转。 2 2 2 同步发电机的功角特性 发电机的功角特性是指同步发电机接在电网上对称稳态运行时，发电机发出 的电磁功率与功率角之间的关系。所谓功率角就是指发电机励磁电动势丘和发电 机端电压口这两个向量之间的夹角1 1 1 】。分析表明：该功率角也就是发电机主磁极 磁场轴线与气隙磁场轴线之间在空间的夹角，用符号占表示，如图2 2 所示。 a 图22 发电机运行矢量图 由于同步电抗z 。上电压的相位超前定子电流9 0 。，所以，线段：硒与面垂直， m 曰c 与0 c d 相似，因此， 移动电站综合控制系统的研究 删= a b = 疋s i n 占 a c = x d l 柴油发电机组输出电磁功率为 只。：3 明c o s p ：3 型s i n 占 ( 2 3 ) = 3 明c o s p = 3 争s i n 占 ( 2 3 1 j 假设电网电压u 等于常数，频率也是恒定的，如果维持发电机的励磁电流不 变，那么e 也是常数，x 。的值也可以认为是常数。这样，电磁功率的大小就仅 由占角的大小决定，它们之间具有正弦函数的关系，如图2 3 所示，电磁功率厶 与功角j 的关系曲线称为发电机的功角特性曲线。 堕 x a 只 0 乏 9 0 。1 8 0 。占 图2 3 同步发电机的功角特性 实际中，电网的运行情况是每时每刻都在变化的。即使柴油机的输出功率保 持不变，负荷的变动使转子受到的电磁力也是经常变化的，从而使j 随之发生变 化。如果原来的工作点j 在o 。9 0 0 之问，外力作用使占发生微小的变化，则发电 机通过若干个摆动周期后会回到原来的工作点，称此区间为静态稳定区间：而当 功角在9 0 0 1 8 0 0 时，则不会回到稳定，则称之为非稳定区。事实上，发电机不 可能在这个区间稳定工作。当功角继续增大，超过1 8 0 0 时，则输出负功率，也就 是从电网吸收功率( 逆功率) ，即进入电动机运行状态了，此时气隙磁场超前转子 磁场，即由定子电流为主导产生豹气隙磁场拖动转子磁场旋转i l ”。 从图2 3 中还可以看出：对于功角在0 0 9 0 。范围内运行的发电机，保持输出 电磁功率不变，增加发电机励磁电流，增加励磁电动势e ，可提高极限功率，减 小功角j ，从而提高发电机运行稳定性。 所以，功率角艿是反映同步发电机运行状态的一个重要变量，它不仅决定了 发电机输出功率的大小，而且说明发电机转子运行的空间位置。通过它把同步发 1 0 硕士学位论文 电机的电磁变化关系和机械运动状态紧密地联系起来。转子空间位置的变化，引 起同步发电机有功功率的变化；反过来，转子空间位置( 即气隙合成磁场的相对位 置) 要受到电磁过程的制约。 2 2 3 电网频率控制与发电机的有功功率调节 移动电站电网的容量总是有限的，当系统负荷发生变化，或者发电机输出有 功功率变化时，都会引起电网内部有功功率失去平衡，从而引起系统频率的波动。 所以发电机与有限大电网并联运行时，有功功率调节比理想情况复杂些。 1 负荷的频率特性 电网频率波动与负荷的频率特性有关。所谓负荷的频率特性，就是系统负荷 随系统频率变化的规律。系统中的负荷有的与频率无关，有的与频率成正比，有 的与频率的二次方成正比，有的与频率的更高次方成正比。负荷频率特性一般可 表示为1 1 】 丘= 讹( 毒) 鸲鲥+ 响。叱1 。 旺4 ， 式中厶额定频率； 最一系统频率为厂时，整个系统的有功负荷； 一一系统频率为额定值厶时，整个系统的有功负荷； ，口l ，”，d 。一一上述各种类型负荷占的比例系数。 当系统负荷的组成及性质确定后，负荷频率特性方程也就唯一地确定了，根 据负荷频率特性方程做出负荷频率特性曲线，如图2 4 所示。 h n 图2 4 负荷的频率特性 2 发电频率特性 电网频率的波动与发电机组的频率特性也有关。当系统频率变化时，并网运 行的发电机转速将发生变化，柴油机调节系统工作，改变柴油机迸油量，调节发 电机的输出功率以适应负荷的需要。这时，柴油机转速的变化方向与输出功率的 彳i 一 一l彳。_ 一 一 一 一 一 一 彰一 计l小计l 移动电站综合控制系统的研究 变化方向是相反的，柴油机的静特性是一条下倾的曲线。单台发电机的发电频率 特性也就是柴油机的静特性【1 1 】。 电网的有功电源是由并联运行的发电机组成的，并联运行机组的发电频率特 性，即系统频率变化而引起的并联运行机组输出功率变化的关系，可以看成是并 联运行机组总的输出功率的变化量等于并联运行各发电机输出功率的变化量之 和，如图2 5 所示。 n 五 0 p p 。，女p 。 图25 发电频率特性 3 自动调频调载 移动电站电力系统主要是由发电机组、输电网络及负荷组成的，如果把输电 网络的功率损耗看成是负荷的一部分，在系统稳定运行的情况下，讨论系统的频 率特性和功率分配时，就可以将电力系统看成由发电机组和负荷两个环节构成的 闭环系统，发电频率特性与负荷频率特性的交点就是电力系统的稳定运行点。 氏 五 五 0 置 艺：如 p 图2 6 移动电站电力系统的二次调频 。 由图2 6 可见，如果系统中的负荷增加蝇，总负荷变为最。，假设这时系统 内的所有机组无自动调频功能，机组的输入功率恒定且等于只，由于电磁功率大 于发电机机械功率，发电机减速运行，系统频率将逐渐下降，负荷所取用的有功 功率也逐渐减小，依靠负荷频率调节负荷效应系统达到新的平衡，运行点由a 点 硕士学位论文 到b 点，频率值下降到 ，系统负荷仍为原来的只。在这种情况下，频率的偏差 值v 决定于必值的大小，一般是相当大的。但是，实际上发电机组具有调频 功能，当系统负荷增加，频率开始下降时，调速器即起作用，增加机组的输入功 率。经过一段时间后，运行点稳定在c 点，这时系统负荷所取用的功率为只：，小 于额定频率下所取用的功率最，频率稳定在疋。此时的频率偏差比无调频作 用时要小得多。由此可见，调速器对频率的一次调频作用是明显的。 但是，当负荷变动相当大，所引起的频率下降超过了允许的频率偏差范围时， 就要上移发电频率特性曲线。于是系统频率上升，负荷取用的功率也增加。当系 统中机组的输入功率与负荷所需要的总功率b 相平衡时，运行点由c 点移到d 点， 这时频率恢复到额定值厶。上移发电频率特性的过程也就增加发电机输入机械功 率，提高系统频率的过程。在运行点由c 点移到d 点的过程中，系统负荷并未改 变，负荷只是按其频率调节效应增加取用有功。随着发电机输入机械功率增加， 7 发电机转速上升，系统频率提高，系统频差减小，发电频率特性由曲线l 移到曲 线2 。图2 6 中，衅：为一次调频增加的功率，只，为二次调频增加的功率。 当几台柴油发电机组并联运行时，改变任一机组的输入功率( 或负荷变化时) ， 所有并联运行机组的频率( 或柴油机转速) 都会发生变化。由于并联运行各机组的 发电频率特性很难达到完全一致，而各机组的频率又都是相同的，因而有功功率 的