应急保电稳定供电系统中并联控制模块的研究

　　1 引言

　　随着市场经济的飞速发展,电能在生活中扮演越来越重要的角色。特别是在有重大影响的政治活动及特殊突发事件中,为确保万无一失的供电,应急电源(EPS)的作用显得尤为重要。被组装成移动应急电源车是独立于市电供电的的大型应急电源,它在电力应急抢修现场和重大场合保电(如奥运保电)中发挥着重要作用[1]。

　　随着电力使用的不断深入,需要保障的核心负荷越来越大,单台大容量电源车在使用过程中常常会受限,一方面因为单台大容量电源车的设备过重、过宽、过高,受现场地限制;另一方面大多数的核心用电负荷具有冲击特性,会对电源车系统产生冲击,所以需要保证供电效能高于或几倍于保电负荷,以保证供电设备正常运行。基于此类原因,在应急保电现场常常需要多台电源车并联组合成一个稳定的供电系统共同向负荷供电,而多台电源车并联运行过程中的同步并机的稳定性和功率分配的均衡性问题是影响应急供电系统稳定运行的重要因素,所以在构建应急供电系统时要对并联电源车进行协调和控制,以实现电源车同步运行和功率均匀分配,达到应急供电系统的稳定运行目的。

　　本文将对多台电源车并联控制系统进行研究,针对控制模块对并联机组的同步性及功率均分性的控制进行分析和研究,为构建稳定的应急保电供电系统提供依据。

　　2 电源车并联系统

　　2.1 并联控制模块

　　为方便操作和在线实时监视电源车机组运行信息,并联控制模块采用大屏幕液晶显示,拥有中英文操作界面,利用CAN BUS(控制器局域网总线)通讯,可用于多台装有相同容量或不同容量的发电机组之间的并联控制。控制模块通过对柴油发动机调速器GOV和发电机自动电压调整器AVR的控制实现自动同步和功率均分。该控制模块还可在线监测发电机组的工作状态,实现发电机组的开机、关机以及参数测量、报警保护,并将发电机组的功率、功率因数、电流、电压、转速、频率、机组工作时间、蓄电池电压、报警保护信息等全面的机组运行参数和并机信息以及故障信息显示在LCD屏上。

　　并联控制模块构成。电源车并联控制模块由A/D采样、CAN BUS通讯、发动机GOV的 PID调速、发电机AVR的PID调压组成(图1)。A/D采样模块对本组电源车发电机的电压和电流以及母排上的电压进行采样;控制模块通过CAN BUS总线与发动机的ECU通讯采集发动机的水温、油压、转速等,并发送调节信号给发动机GOV控制发动机油门大小,实现转速调节;电源车并机后,为避免在各机组之间产生环流,必须满足每台机组功率平均分配的要求,控制模块间通过CAN BUS总线来获取其它机组的运行参数。然后利用控制模块中的高性能微处理器对各种参数进行分析、处理,进行相关的PID运算调节发动机转速和发电机的励磁电流,以最终实现各机组的同步并机和功率均分。

　　2.2 多台电源车并联系统

　　所有电源车的并联控制模块之间通过CAN BUS总线连接,通过CAN BUS总线传输每个控制模块的数据信息。数据信息包括有功功率、无功功率、运行状态、报警状态、开关状态等。

　　2.3 并联电源车发电机组的同步分析

　　同步发电机的线电压表达式为:u1=Umsin(2πft+0°),u2=Umsin(2πft+120°),u3=Umsin(2πft+240°)。从三相线电压的表达式可看出,f是电压频率,反映同步发电机转子切割电枢绕组的的次数,它由发动机的转速决定,转速越高f越大;Um是电压的最大值,由同步发电机的励磁电流决定,励磁电流越大Um值越大,同步电机的励磁电流受AVR控制,调整AVR的控制电压将调整同步发电机的励磁电流。

　　一台同步电源车要与其它电源车实现同步合闸并联必须满足四个条件:待并电源车机组与已运行电源车机组的相序必须一致,将待并入机组的和已运行机组的U、V、W同名端相并联即可实现;待并电源车机组与已运行电源车机组的电压频率保持基本一致,一般频率f保持在50Hz左右,偏差不宜超过1Hz;待并电源车机组与已运行电源车机组的瞬时相位角φ要保持基本一致。发电机瞬时相位角的变化量ΔΦ=f/Δt,可通过微调待并机组发动机的转速实现ΔΦ的增加或减少,从而达到使待并机组与已运行机组的瞬时相位角基本一致;待并电源车机组与已运行电源车机组的瞬时电压u保持基本一致,由同步发电机线电压表达式可知,机组瞬时电压u取决于电压最大值Um和瞬时相位角φ,从而可调整发电机励磁电流和调整发动机的转速使待并机组与已运行机组的瞬时电压u保持一致。以上4个条件同时满足后,待并机电源车机组即可合闸并入已运行电源车机组。

　　为保证电源车满足并机条件实现同步并机,在系统并机准备完成后,控制模块同时采集待并机组和母排上已运行机组的瞬时电压、频率、相位,并进行比较分析计算出差值,然后经过PID数字运算处理得到的综合调节量转化成直流电压调节量送至发动机的GOV去调节转速,实现并联机组频率和瞬时相位的同步;经过另一组PID数字运算处理得到调节量也转换成直流电压调节量送至发电机的AVR去调节同步电机的励磁电流,实现并联机组瞬时电压幅度的同步。

　　2.4 PID调节

　　数字PID控制理论是发电机组之间同步并机与功率均分的理论基础,PID运算的离散表达式为:

　　式中K为采样序号,K=0,l,2...;u(K)为第K次采样时刻的计算机输出;e(K)为第K次采样时刻输入的偏差值;e(K-1)为第(K-1)次采样时刻输入的偏差值;Kp,Ki,Kd分别为比例、积分与微分系数[2]。

　　2.5 基于CAN BUS通讯的功率均匀分配控制

　　两台以上电源车并机后,组成单一电源共同向负载提供电源,电源车并联运行一定要满足功率均匀分配的要求,否则会在不同机组之间产生环流流动增加机组的损耗甚至会使并联运行机组宕机。功率均匀分配是指在对同一负载供电过程中,根据每个电源车的额定功率按比例各自承担负载功率。机组的功率均分包括有功功率均分和无功功率均分,这两项分配不均衡都会在不同电源机组之间产生有功环流或无功环流,而无论是哪一种环流都会对机组的运行效率产生影响,并影响其经济效益,严重的会导致整个应急供电系统发生故障[3]。

　　所有并联控制模块之间通过CAN BUS总线传输电源车的各种运行状态信息[4]。它通过实时采样各机组的电压、电流,并将其送入数据处理单元分析运算,求出机组输出的有功功率值和无功功率值。控制模块根据各机组输出的额定功率和负载的总功率,按一定比例计算每个机组应负担的有功功率和无功功率的目标值。当机组输出的功率值和目标值之间存在差值时,说明存在功率分配不均现象,此时控制模块将根据机组输出功率值和目标值之间的差值,结合机组的频率、相位、电压等参数进行综合分析、运算,去调整机组的运行状态,以实现功率均分。

　　理论和实验证明,当并联运行的电源车中机组的其它参数相同而相位不同,会使有功功率分配不均而在机组之间产生有功环流;机组的其它参数相同而输出电压值不同时,会使无功功率分配不均而在机组间产生无功环流。

　　2.5.1 有功功率均分控制分析

　　机组输出电源频率f与其它机组不一致时,机组的相位角将会与其它机组不一致,而并联机组的相位角不同是导致有功功率分配不均的主要原因,可通过调整发动机的转速解决该问题。

　　本组电源车的控制模块采集本组机组输出的电压和电流,送至数据处理单元计算出有功功率后送至调节器A,在调节器A它将与已计算好的功率目标值进行比较,然后将偏差量送至调节器B。本组电压频率在调节器C与其它并联机组的电压频率进行比较产生差值Δf,Δf一方面进行PID运算,其运算结果送至调节器E,Δf另一方面将参与相位角差ΔΦ的PID运算;相位角差ΔΦ是指本组的瞬时相位角与其它机组的瞬时相位角之间的差值,这两个量在调节器D进行比较,其差值ΔΦ与功率差值Δf一起进入相位角差的PID运算。相位角差PID运算结果送至调节器E,调节器E将频率差PID运算结果与相位角差PID运算结果一起进行分析运算,最终形成含有瞬时相位角差的信息,送至调节器B与来自调节器A含有功功率偏差的信息进行综合分析运算,从而产生综合的调节量,该调节量经过转换成为本组电源车发动机GOV的调节信号,从而调节发动机的转速,使本组电源车发动机的转速、发电机频率、相位都与其它并联机组一致,达到有功功率均分的目的。

　　2.5.2 无功功率均分控制分析

　　并联电源车的输出电压大小不同造成无功功率不均分而产生无功环流,通过调整发电机的AVR控制电压可调整同步发电机的励磁电流从而调整机组的输出电压值。本组电源车控制模块采集本组机组的瞬时输出电压与其它并联机组的瞬时输出电压在调节器A进行比较运算后形成的偏差Δu经过PID运算,结果送入调节器C,而本组的无功功率与无功功率目标值在调节器B进行比较运算后形成的偏差结果也送入调节器C,含有瞬时输出电压偏差的信息与含有无功功率偏差的信息在调节器B综合处理后形成综合调节量去调整本组发电机AVR的控制电压,从而调整发电机的励磁电流,达到无功功率均分的目的。

　　3 结语

　　有效解决了发电机组并联控制中的并机同步性和负载功率分配均匀性问题,使系统输出的电压、频率稳定,可以承受大负荷对发电机组的冲击,构成了稳定应急保电供电系统,取得了良好的效果。