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發(fā)電機(jī)功率/頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其特性 |
發(fā)電機(jī)在運行中為保證機(jī)端電壓水平,都裝設(shè)了自動勵磁調(diào)節(jié)裝置。為保證系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi),系統(tǒng)有功功率必須隨時處于平衡狀態(tài),注意到系統(tǒng)負(fù)荷變化是隨機(jī)的,所以必須隨時調(diào)整發(fā)電機(jī)的有功功率出力,即增加或減少進(jìn)入發(fā)電機(jī)組的動力元素。因此,運行發(fā)電機(jī)上必須裝設(shè)根據(jù)頻率(轉(zhuǎn)速)變化自動調(diào)整動力元素進(jìn)入量的自動裝置。在柴油發(fā)電機(jī)組上,這種進(jìn)汽量的自動調(diào)整是由調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)的,簡稱調(diào)速器。發(fā)電機(jī)調(diào)速器通常分為機(jī)械液壓調(diào)速器和電氣液壓調(diào)速器(簡稱電液調(diào)速器)兩類,如按其控制規(guī)律來劃分,又可分為比例一積分(PI)調(diào)速器和比例一積分-微分(PID)調(diào)速器等。
早期用的調(diào)速器是機(jī)械型的,用一只離心飛擺直接控制進(jìn)汽閥,這種型式的調(diào)速器至今還用于柴油發(fā)電機(jī)上。機(jī)械液壓型調(diào)速器是后來發(fā)展起來的,至20世紀(jì)30年代已相當(dāng)完善。但機(jī)械液壓型調(diào)速器死區(qū)較大,動態(tài)性能指標(biāo)較差,難于綜合其他信號參與調(diào)節(jié)。于是發(fā)展了電液型調(diào)速器,現(xiàn)代幾乎全部采用電液型調(diào)速器。按控制部分電子器件的不同,電液型調(diào)速器又分為模擬式電液調(diào)速器與數(shù)字式電液調(diào)速器。在大型柴油發(fā)電機(jī)組上,廣泛采用.數(shù)字式功率一頻率電液調(diào)速控制系統(tǒng),簡稱DEH或數(shù)字電調(diào)。
一、功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng)
發(fā)電機(jī)組在調(diào)整出力維持系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi)的同時,應(yīng)使電網(wǎng)處在最經(jīng)濟(jì)的運行狀態(tài),即按經(jīng)濟(jì)原則在電廠和機(jī)組間分配有功負(fù)荷。
1.功頻電液調(diào)速系統(tǒng)的組成
圖1示出了簡化的功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng)原理圖,主要由轉(zhuǎn)速測量、功率測量及其給定環(huán)節(jié)、頻差放大器、PID環(huán)節(jié)、功率放大、電液轉(zhuǎn)換器、高壓和中壓油動機(jī)等部件構(gòu)成。轉(zhuǎn)速測量元件的輸出電壓與柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速nG(單位為r/s)成正比,在穩(wěn)定狀態(tài)下,電網(wǎng)頻率f與轉(zhuǎn)速nG成正比,f=pn(p為極對數(shù),p=1),Un與f成正比。于是有
Un=mnnG (7-13)
式中 mn——轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換系數(shù),Vs/r。
為穩(wěn)定柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速測量在功頻電調(diào)系統(tǒng)中處負(fù)反饋工作狀態(tài)。
圖1 發(fā)電機(jī)電液調(diào)速系統(tǒng)原理圖 |
功率測量元件的輸出電壓Up與發(fā)電機(jī)的輸出功率Pc(單位為MW)成正比,即
Up=mpPG (7-14)
式中 mp——功率轉(zhuǎn)換系數(shù),V/MW。
同樣,為穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的輸出功率,功率測量在功頻電調(diào)系統(tǒng)中處負(fù)反饋工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)速誤差信號Δn、功率誤差信號ΔP經(jīng)PID(比例、積分、微分)運算后,再經(jīng)功率放大,送入電液轉(zhuǎn)換器。電液轉(zhuǎn)換器將電控制信號轉(zhuǎn)換為液壓控制信號,通過油動機(jī)調(diào)整高壓、中壓進(jìn)汽閥(主汽閥和調(diào)節(jié)汽閥),調(diào)整進(jìn)汽量,實現(xiàn)發(fā)電機(jī)的功率頻率調(diào)節(jié)。
系統(tǒng)負(fù)荷增加時,柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速下降,因此時發(fā)電機(jī)實發(fā)功率尚未變化,即功率測量元件輸出變化量為零,所以正比于轉(zhuǎn)速差Δn=n-nN(nN為額定轉(zhuǎn)速)的信號UΔn輸入PID調(diào)節(jié)器,UΔn代表當(dāng)時要求柴油機(jī)功率增大的數(shù)值。UΔn經(jīng)PID、功率放大、電液轉(zhuǎn)換器后,經(jīng)油動機(jī)開大進(jìn)汽量閥門,使柴油機(jī)實發(fā)功率增大,最終使發(fā)電機(jī)增加的功率與系統(tǒng)負(fù)荷增加的功率相平衡。柴油機(jī)進(jìn)汽量增加后,功率測量元件檢測到這一功率的變化值,同樣通過負(fù)反饋調(diào)節(jié),直到功頻電調(diào)系統(tǒng)處在新的平衡狀態(tài)。可見,當(dāng)功頻電調(diào)系統(tǒng)處于新的平衡狀態(tài)時,功率測量元件輸出電壓Up的變化完全抵消了轉(zhuǎn)速測量元件輸出電壓Un的變化。
當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷減少時,柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速升高,功頻電調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程與上述相反。功頻電調(diào)系統(tǒng)除轉(zhuǎn)速控制、功率控制功能外,另外還有超速保護(hù)控制、超速跳閘、主蒸汽壓力控制、發(fā)電機(jī)同期并網(wǎng)、柴油機(jī)自啟功、汽閥管理等輔助功能,通過DEH系統(tǒng)的CRT還能顯示運行狀態(tài)有關(guān)參數(shù)。在大型發(fā)電廠中,普遍采用了分散控制系統(tǒng)(DCS系統(tǒng))對整個電廠進(jìn)行監(jiān)控,DCS系統(tǒng)通過DEH系統(tǒng)提供的接口,可對柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行完全的控制,當(dāng)然DCS系統(tǒng)同時實現(xiàn)對機(jī)組運行參數(shù)的監(jiān)視。
2.功頻電調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性
功頻電調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性是在穩(wěn)定狀態(tài)下柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速nc(或f)與發(fā)電機(jī)有功功率P的關(guān)系曲線。
設(shè)電網(wǎng)處在頻率f下運行,此時柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速為nG,功率為PG,功率測量元件的輸出電壓為Up、轉(zhuǎn)速測量元件的輸出電壓為Un,由式(7-13)、式(7-14)有
ΔUn=mn(nret-nG)=mnΔn(V) (7-15)
ΔUp=mp(Pret-PG)=mpΔP(V) (7-16)
式中 nret、Pret——分別為給定轉(zhuǎn)速和給定功率。
設(shè)頻差放大器輸出電壓正比于Δf/R,即
式中 mf——轉(zhuǎn)換系數(shù),V/MW;
R——調(diào)差系數(shù),Hz/MW。
由圖7-8可知,將ΔUp、ΔUf兩信號之和給PID調(diào)節(jié),當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷增加或減少時,引起柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速發(fā)生變化,功頻電調(diào)系統(tǒng)作用的結(jié)果使發(fā)電機(jī)輸出功率發(fā)生變化,最終達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。因為PID調(diào)節(jié)器具有積分特點,故在給定值不變情況下,穩(wěn)定狀態(tài)有
ΔUf+ΔUp=0 (7-18)
式(7-18)說明,功頻電調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)束后,在新的穩(wěn)定狀態(tài)下,功率測量元件的輸出電壓變化量ΔUp與轉(zhuǎn)速測量元件經(jīng)頻差放大器的輸出電壓變化量ΔUf正好完全抵消。
將式(7-16)、式(7-17)代入式(7-18)得
mp和mf取相同值,得到調(diào)節(jié)特性方程為
可見式(7-20)即為式(7-8)。
當(dāng)采用標(biāo)幺值表示時,將ΔP*=ΔP/PN、Δf*=Δf/fN,R*=R×PN/fN,代入式(7-20)得
式中 R* ——發(fā)電機(jī)調(diào)差系數(shù)。
可見式(7-21)即為式(7-9)。
式(7-20)、式(7-21)即是功頻電調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)特性。當(dāng)機(jī)組有功功率增加即ΔP>0時,由式(7-20)得Δf<0,即發(fā)電機(jī)頻率(轉(zhuǎn)速)下降。靜態(tài)特性參見圖7-4,是一條下傾的斜線,斜率為調(diào)差系數(shù)R,一般為4%~6%,可在頻差放大器中設(shè)置。
3.功頻電調(diào)系統(tǒng)的運行
按發(fā)電機(jī)組是否并入網(wǎng)兩種情況來討論調(diào)速系統(tǒng)的工作。
(1)發(fā)電機(jī)組未并網(wǎng)時。圖7-8中的功率測量值及功率給定值信號均為零。運行人員操作增速或減速按鈕,控制電動轉(zhuǎn)速給定電位器,改變轉(zhuǎn)速給定值n的電壓。轉(zhuǎn)速/電壓變送器輸出電壓與機(jī)組運行轉(zhuǎn)速nG相對應(yīng)??梢婋妷旱牟钪蹬c(nref-nG)成正比,即式(7-15)。根據(jù)偏差ΔUn,由電液轉(zhuǎn)換器去控制調(diào)節(jié)汽閥的開度,改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速,使Δn值趨于零、轉(zhuǎn)速nG趨于給定轉(zhuǎn)速nref為止,即達(dá)到調(diào)速目的。
(2)機(jī)組在并網(wǎng)情況下運行時。假設(shè)電網(wǎng)頻率恒定且為額定值,頻差放大器輸出的f信號為零,同樣理由,如果改變功率設(shè)定值Pref電壓,功率測量值PG與Pref之差值信號見式(7-16)。通過PID等環(huán)節(jié)作用,將使對應(yīng)差值電壓ΔUp為零,即發(fā)電機(jī)功率PG與給定值Pref相等,達(dá)到調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)組輸出功率(二次調(diào)整)目的。
若考慮電網(wǎng)頻率波動,機(jī)組在并網(wǎng)運行時,轉(zhuǎn)速給定值nref和功率給定值Pref為某一定值不變。調(diào)速器工作隨輸入PID的兩個信號之和ΔUf+ΔUp調(diào)節(jié)汽閥開度,改變機(jī)組的輸出功率,即由式(7-20)或式(7-21)實現(xiàn)一次調(diào)頻。
功頻電調(diào)機(jī)組一次調(diào)頻的結(jié)果,當(dāng)有功功率變化量ΔP較大時,系統(tǒng)頻率仍然偏離額定值較多。為使系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi),應(yīng)自動平移f=f(P)靜態(tài)特性曲線。這種自動平移功頻電調(diào)機(jī)組靜態(tài)特性曲線使系統(tǒng)頻率在合格范圍內(nèi)的做法,稱為功頻電調(diào)機(jī)組的二次調(diào)頻。
二、數(shù)字式電液調(diào)速器
目前數(shù)字式電液調(diào)速器已在發(fā)電機(jī)組上廣泛應(yīng)用,其基本框圖如圖2所示。它與模擬式電液調(diào)速器的主要區(qū)別是控制電路部分的功能用微機(jī)來實現(xiàn)。由圖7-9可見,主機(jī)與控制對象發(fā)電機(jī)組(包括原動機(jī))間輸出、輸入過程通道和模擬式電液調(diào)速器是相同的,如電/液轉(zhuǎn)換、液壓伺服系統(tǒng)以及轉(zhuǎn)速和功率傳感器等。它們由D/A或A/D轉(zhuǎn)換電路與主機(jī)接口交換信息。
發(fā)電機(jī)數(shù)字式電液調(diào)速器基本框圖 |
調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制規(guī)律由計算機(jī)實現(xiàn),首先要建立數(shù)學(xué)模型以及制訂運行中的控制原則,然后用軟件編程實現(xiàn)其控制規(guī)律。也就是主機(jī)根據(jù)采集到的實時信息,按預(yù)先確定的控制規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)量計算,計算結(jié)果經(jīng)D/A輸出去控制電/液轉(zhuǎn)換,再由液壓伺服系統(tǒng)控制原動機(jī)的輸入功率,完成調(diào)速或調(diào)節(jié)功率的任務(wù)。
數(shù)字式電液調(diào)速器用了CPU主機(jī)后,可以充分發(fā)揮計算機(jī)高速運算和邏輯判斷優(yōu)勢,除了完成調(diào)速和負(fù)載控制功能外,還可實現(xiàn)機(jī)組自啟動控制功能;在接近額定轉(zhuǎn)速時,可使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤電網(wǎng)頻率快速同期并列等功能;如果是柴油機(jī),在啟動過程還附有熱應(yīng)力管理功能等,從而極大地提高了電廠自動化程度。
柴油發(fā)電機(jī)組的功率一頻率電液調(diào)速系統(tǒng),由機(jī)械液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)經(jīng)電氣液壓式調(diào)節(jié)系統(tǒng)、模擬式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng),發(fā)展到目前的數(shù)字式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng),其性能不斷提高,功能也不斷強(qiáng)大,可靠性和靈敏性也不斷提高。數(shù)字式電氣液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)在大型柴油發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用相當(dāng)普遍,不過其他調(diào)節(jié)系統(tǒng)因仍能滿足運行機(jī)組基本要求,所以并未完全退役。
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