（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究.pdf

移動電站綜合控制系統(tǒng)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 噸s b e i n g 誦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 時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 吼鋤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 刪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 鵲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 鋤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 舊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 鵬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 缸刪e n c y ，c o n s t 踟l tv o h a g e ，鋤dp o w e r s h a r i n gc o 曲_ 0 l 鋤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 鰣p h e f a l m r o l l i i l l 【1 kd i 儂鵬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 斷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 鋤df i l z z yc o r l 臼o lr o l c sa f ed e s i g 艙db y e 沖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 訕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 辯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 腳a r em a 阻a b ，鋤dt h e i l 、硯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 謝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 們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 鋤o fo i l 塒l l i n gr i g s ，a n dt h e 如n c t i o no f 碩士學位論文 a u t o m a t i cs y l l c 邱n i 刎o n ，s e p 刪o n 如dp o w e rs h 響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 礬da 尬l y s i sa b o u ts d v e r a l t y p i 齠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 薊 r e q u 慨n to ft l 塢i m e g r a t e dc o n 臼r o ls y s t 鋤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 謝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 移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究 附表索引 表3 1 模糊變量的賦值表2 5 表3 2 有功功率模糊控制規(guī)則表2 6 表3 3 無功功率模糊控制規(guī)則表2 9 表4 1 信號模塊選型3 5 表5 1 起井架工況下功率分配的實測數(shù)據(jù)5 3 表5 2 鉆進工況下功率分配的實測數(shù)據(jù)5 3 表5 3 起下鉆工況下功率分配的實測數(shù)據(jù)5 4 表5 4 下套管工況下功率分配的實測數(shù)據(jù)5 4 移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究 插圖索引 圖1 1 石油鉆機直流傳動( s c r ) 系統(tǒng)結構圖3 圖2 1 柴油發(fā)電組并網(wǎng)條件分析8 圖2 3 同步發(fā)電機的功角特性1 0 圖2 4 負荷的頻率特性1 1 圖2 5 發(fā)電頻率特性1 2 圖2 6 移動電站電力系統(tǒng)的二次調頻1 2 圖2 7 并聯(lián)運行機組的有功功率分配1 3 圖2 8 發(fā)電機無功一電壓特性1 5 圖2 9 并聯(lián)運行機組的無功分配1 6 圖2 1 0 無功電流調差裝置原理圖1 8 圖2 1 1 無功電流調差裝置矢量圖1 9 圖2 1 2 兩臺同容量發(fā)電機并聯(lián)運行時的功率調節(jié)向量圖2 0 圖3 1 單臺柴油發(fā)電機組調頻調載結構圖2 2 圖32 并網(wǎng)機組有功功率均衡控制原理框圖2 3 圖3 3 三角形隸屬度函數(shù)2 5 圖3 4m a m d a 血模糊推理2 7 圖3 5 并網(wǎng)機組無功功率均衡控制原理框圖2 8 圖3 6 單臺柴油發(fā)電機組帶載運行仿真模型3 0 圖3 7 柴油發(fā)電機組增加負載時的仿真波形3 1 圖3 8 并聯(lián)運行柴油發(fā)電機組間功率均衡分配仿真模型3 2 圖3 9 并聯(lián)運行機組間功率均衡分配的仿真波形3 2 圖4 1 移動電站控制系統(tǒng)總體結構圖3 4 圖4 2p l c 控制系統(tǒng)示意圖3 5 圖4 3 移動電站控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)3 7 圖4 4 主程序流程圖3 8 圖4 5 自動準同步并網(wǎng)中斷子程圖3 9 圖4 6 頻差判定程序流程圖4 0 圖4 7 獲取恒定越前時間的時序圖4 l 圖4 。8c s 翻p t 全局腳本編輯器4 2 圖4 9c s 研p t 中動作和函數(shù)的工作原理圖4 3 圖4 1 0 算法的調用結構4 5 碩士學位論文 圖4 1 1 變量管理器組態(tài)變量4 7 圖4 1 2 控制系統(tǒng)監(jiān)控主界面4 8 圖4 1 3w i n c c 和p l c 之間的過程通訊圖4 9 圖5 1z j 7 0 d 電驅動控制系統(tǒng)單線圖5 1 v 蘭州理工大學學位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得 的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個 人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集 體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承 擔。 作者簽名：堯乏名 日期：姍眸多月呂日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校 有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權蘭州理工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有 關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位 論文。同時授權中國科學技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文 全文數(shù)據(jù)庫，并通過網(wǎng)絡向社會公眾提供信息服務。 作者簽名： 導師簽名： 旋緯 如 日期0 卯g 年么月孑日 日期：) 孝f 多月；日 碩士學位論文 1 1 引言 第1 章緒論 移動電站作為獨立的供電電源被廣泛地應用于石油鉆機工業(yè)領域，石油鉆機 按工作環(huán)境分，有陸地鉆機、沙漠鉆機和海洋鉆機。無論是在陸地、沙漠，還是 在海洋，它們的共同點是：遠離城市供電電網(wǎng)和具有一定的機動性。因而，對遠 離城市電網(wǎng)的設施以及機動性設備進行供電的系統(tǒng)我們統(tǒng)稱為移動電站電力系 統(tǒng)。移動電站電力系統(tǒng)是柴油發(fā)電機組、電網(wǎng)、配電裝置以及用電負荷所組成的 完整體系的總稱。其主電源一般采用幾臺容量不太大，同容量、同型號的柴油發(fā) 電機組，輔助電源一般采用小容量的應急柴油發(fā)電機組。為了便于管理，系統(tǒng)的 柴油發(fā)電機組，包括它們的控制、配電裝置及輔助設備，通常集中布置在一個或 兩個電控房或船艙室內。 移動電站電力系統(tǒng)與工業(yè)電網(wǎng)電力系統(tǒng)在容量、輸電方式、負載容量等方面 均有較大差別。 ( 1 ) 移動電站多為單一電站，容量較小。其電壓等級為6 0 0 v ，頻率為5 0 h z 或6 0 h z ，單機容量6 0 0 1 3 0 0 k w ，總裝機容量5 0 0 0 k w 左右，視在功率配備達到 7 5 0 0 k v a 。但是，與工業(yè)電網(wǎng)電力系統(tǒng)的容量是無法比擬的。 ( 2 ) 電網(wǎng)輸電距離短，輸送容量小，輸電電壓低。由于線路短，電網(wǎng)發(fā)生短 路時對發(fā)電機和系統(tǒng)的影響較大。 ( 3 ) 負載容量相對較大。石油鉆機上大的用電負載，如泥漿泵、轉盤和絞車 等，其功率可與單臺發(fā)電機容量相比擬。 ( 4 ) 當起動大功率異步電動機時，對電網(wǎng)會造成較大的沖擊，因而對移動電 站電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了較高的要求。如要求發(fā)電機調壓器動作時間要快，有 強行勵磁的能力，發(fā)電機有較大的承受過載的能力。 我國有著豐富的石油資源，隨著陸地、沙漠及海上油田的不斷開發(fā)，石油電 驅動鉆機數(shù)量不斷增加，系統(tǒng)配置的要求將不斷提高。在滿足鉆機工藝的前提下， 往往單臺柴油發(fā)電機組的容量難以滿足整個系統(tǒng)的能量要求，必須根據(jù)實際負荷 適時采用多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行，并聯(lián)后各機組之間的有功功率和無功功率 均衡分配成為了不可忽視的問題。 移動電站電力系統(tǒng)主要是由多臺并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機組組成，為石油鉆機 現(xiàn)場提供動力電源。柴油發(fā)電機組的并聯(lián)運行可以根據(jù)鉆機作業(yè)工況的變化，確 定并聯(lián)運行機組的臺數(shù)。同時，當任意一臺機組出現(xiàn)故障或停機檢修時，電動鉆 機可不問斷工作。柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，由于每臺機組的運行特性不一樣， 移動電站綜臺控制系統(tǒng)的研究 使得并聯(lián)運行機組的出力不一樣，存在功率分配不均衡的問題。有的機組負荷急 劇增加，有的機組從電網(wǎng)上吸收能量做逆功，甚至使發(fā)電系統(tǒng)不能正常運轉。因 此，在各種鉆機作業(yè)工況下，為保遷發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，應控 制并聯(lián)運行機組間的功率均衡分配。 目前，并聯(lián)運行機組間的功率均衡主要采用主從控制方式1 2 】，即在并聯(lián)運行 的各機組中，設定序號最小的機組為主動機組，其余均為從動機組。系統(tǒng)運行時， 所有在線并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機組控制單元中的功率調節(jié)器輸入端均為主動機組 的同一控制信號，從而達到功率均衡分配的目的。這種均衡控制方式為開環(huán)控制 方式，如果各機組的調節(jié)特性不同，將不能達到功率完全均衡分配的目的。 并聯(lián)運行機組間的功率均衡分配是一種綜合控制，它不僅涉及單臺柴油機的 調速系統(tǒng)和單臺發(fā)電機的調壓系統(tǒng)，而是涉及多臺柴油發(fā)電機組之間調速控制和 調壓控制的協(xié)調控制系統(tǒng)，因而難以建立有關功率均衡的精確數(shù)學模型。由于模 糊控制的最大特點是針對具有非線性、強耦合、不確定性、時變的多變量復雜系 統(tǒng)，因此，論文提出一種基于模糊控制的功率均衡控制方法，能實時控制并聯(lián)運 行機組間有功功率和無功功率的自動均衡分配，從而提高電動鉆機動力系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和可靠性。 1 2 移動電站控制系統(tǒng)綜述 近年來，我國石油鉆機在標準化、研究開發(fā)能力和制造水平等方面有了較大 的提高和發(fā)展，尤其是由數(shù)字控制技術構成的電動鉆機電氣控制系統(tǒng)日趨成熟， 使得我國電動鉆機的控制技術取得了長足的發(fā)展，極大地提高了電動鉆機的工作 效率。 移動電站作為一套電動鉆機的動力系統(tǒng)，由多臺柴油發(fā)電機組組成，每臺柴 油發(fā)電機組又由柴油機、交流發(fā)電機及其控制系統(tǒng)組成。為了滿足電動鉆機供電 的可靠性和經(jīng)濟性，動力系統(tǒng)一般配置兩臺以上的柴油發(fā)電機組。各并聯(lián)運行的 柴油發(fā)電機組經(jīng)過空氣斷路器隔離后連接到公共交流母排，為鉆機現(xiàn)場提供動力 及照明電源。其系統(tǒng)結構參見圖l ，1 所示。 移動電站控制系統(tǒng)包括柴油機速度控制、發(fā)電機電壓控制以及功率均衡控制。 為了保證供電頻率穩(wěn)定和柴油發(fā)電機組有功功率的均衡分配，要對柴油機的燃油 供應量進行控制；為了保證發(fā)電機電壓的穩(wěn)定及無功功率的均衡分配，要對發(fā)電 機的勵磁電流進行控制。此外，控制系統(tǒng)還設置了多種必要的保護功能，如逆功 率保護、過負荷保護、過電壓保護、欠電壓保護、過頻率及欠頻率保護等。通過 現(xiàn)場總線通信功能，可以實現(xiàn)移動電站控制系統(tǒng)參數(shù)的實時采集、報警提示等， 這為上層管理和決策提供了重要依據(jù)【1 1 6 1 ”。 2 碩士學位論文 l 一 d i e 辯1g 盯a t o r1d i e 鰣g e n e 塒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 廠一虹_ 一，虹_ _ _ 一虹- _ - 鯉 匡一2 ：，鯽腳b 一2 0 0 0 a 吟r j 姍a蘆 ii 3 a c6 0 0 v5 0 k s c l 世 2 n a2 0 a 車華 s c r 2is c i 廣- 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 圖1 ，1 石油鉆機直流傳動( s c r ) 系統(tǒng)結構圖 圖中，d i e s e lg e n e r a t o r 一一表示柴油發(fā)電機組，e 代表柴油機：g 代表發(fā)電機 g e n ，s y n 和s c r 一一分別代表發(fā)電控制柜、同期控制柜和直流傳動柜 g e nr o o m 和s c rr 0 0 m 一一分別表示發(fā)電機房和電控房 m p ，r t 和d w 一一分別表示帶動泥漿泵、轉盤和絞車的直流電動機負載 下面將對并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機組在轉速控制、電壓控制與功率均衡控制的 相關性方面分別進行介紹。 1 2 1 柴油機的轉速控制與有功功率調節(jié) 由于柴油機是按額定轉速發(fā)出最大功率和最高效率設計的，當轉速變化時， 就會使柴油機效率降低并使其零件磨損加劇。幾臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，頻 率波動會引起各機組有功負載分配不均勻，造成有的機組過載，嚴重時穩(wěn)定運行 受到破壞。為了保證移動電站運行的可靠性和經(jīng)濟性，運行中對柴油機轉速即發(fā) 電機頻率的調整是十分重要的。 柴油發(fā)電機組輸出的有功功率是由柴油機的機械功率轉化來的，隨著負荷的 移動電站綜臺控制系統(tǒng)的研冗 變化需要經(jīng)常調整柴油機的轉速，以保證電網(wǎng)頻率的恒定。對并聯(lián)運行機組，改 變機組間的有功功率分配，是通過改變各臺柴油機油門的大小，即單位時間內進 入氣缸的燃油量來實現(xiàn)的。柴油機噴油量的大小，關系到柴油機在一定轉速下的 輸出功率。換句話說，單機運行時，柴油機的某一轉速對應輸出某一有功功率； 對并聯(lián)運行機組，某一頻率對應著各發(fā)電機組輸出的有功功率【1 ”。所以，并聯(lián)運 行機組的有功功率分配與發(fā)電系統(tǒng)的頻率調整密切相關。 1 2 2 發(fā)電機的電壓控制與無功功率調節(jié) 當交流發(fā)電機并聯(lián)運行時，若發(fā)電機的機端電壓不相等，就會在發(fā)電機定子 繞組間產生環(huán)流，因為發(fā)電機定子繞組電抗較電阻大得多，所以環(huán)流基本上是無 功的【3 】。在發(fā)電機之間，環(huán)流由勵磁電動勢較高的發(fā)電機流向勵磁電動勢較低的 發(fā)電機，引起無功負載電流的分配不均勻( 或不按發(fā)電機容量比例分配) 。當相差 太大時，會引起一臺發(fā)電機電流過載而保護動作( 跳閘) ，甚至嚴重時可能燒壞發(fā) 電機。因此，需要自動調整發(fā)電機的勵磁來改變環(huán)流，使無功電流分配的不均勻 度保持在允許的范圍內。 因為電壓和無功功率的自動調整都是要調整發(fā)電機的勵磁電流，所以自動電 壓調節(jié)系統(tǒng)又稱為勵磁調節(jié)系統(tǒng)悔l 。 綜上所述，同容量、同型號發(fā)電機組并聯(lián)運行時，應將系統(tǒng)的總負荷( 包括 有功功率和無功功率) 平均分配給參與運行的各臺機組；當不同容量的發(fā)電機組 并聯(lián)運行時，則將系統(tǒng)的總負荷按各臺發(fā)電機容量成比例地分配給運行的發(fā)電機 組，以增強并聯(lián)運行機組的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。 1 2 3 柴油發(fā)電機組的功率均衡控制 一 柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，往往會出現(xiàn)功率分配不均衡的現(xiàn)象，較大的功率 不均衡，在電網(wǎng)負載接近發(fā)電機總容量時，會引起其中一臺發(fā)電機組過載，而在 電網(wǎng)處于輕載時又會在并聯(lián)運行的發(fā)電機組之間產生環(huán)流，甚至會引起逆功率跳 閘。所以功率分配不均衡對均勻利用各機組的容量以及提高電站運行的經(jīng)濟性是 十分不利的。 因此，國家有關的規(guī)范標準，對并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機組作了規(guī)定。如g b 7 9 9 7 4 規(guī)定【3 1 ：對于并聯(lián)運行的交流發(fā)電機組，當負載在總額定功率的2 0 l o o 范圍內變化時，各發(fā)電機實際承擔的有功功率或無功功率與按發(fā)電機額定功率分 配比例的計算值之差，應不超過最大發(fā)電機額定容量的士1 0 和最小發(fā)電機額定容 量的士2 0 ( 當容量相同時為士1 0 ) 。 針對規(guī)范中規(guī)定的有功功率均衡分配的要求，通常移動電站采用有差調速特 性的機組并聯(lián)運行。各機組可以有確定的功率分配，頻率也可以穩(wěn)定在一定范圍 內。但是當總負載變化時，由于調差系數(shù)的不一致和燃油控制系統(tǒng)的差異，功率 4 碩士學位論文 分配一般是不均勻的。若調速器選配得當，則在調速器一次調節(jié)的作用下，可以 獲得一定的功率分配，頻差也不會太大。若想進一步減小頻率與功率分配的靜態(tài) 誤差，必須依靠手動或自動調頻調載裝置進行二次調節(jié)才能實現(xiàn)。根據(jù)不同的調 節(jié)原理二次調節(jié)可以采用有差調節(jié)法、主從控制法以及虛有差法等調頻調載方案。 有功功率的調節(jié)是以調速特性為依據(jù)的，無功功率的分配則取決于電壓調節(jié) 特性。容易證明，如果參與并聯(lián)的兩臺機組都為無差特性，則因為無功電流的分 配關系不恒定，有可能導致一臺機組承擔了全部無功負荷而另一臺分擔的無功負 荷為零，因此這種情況下不能并聯(lián)【3 1 。通常并聯(lián)運行的機組大都采用有差的電壓 調節(jié)特性，這種分配方式的特點是每臺機組承擔的無功負荷與其本身的電壓調差 系數(shù)( 特性曲線的斜率值取反) 成反比，因此分配關系是恒定的。特殊情況下， 若兩臺機組的調差系數(shù)大小相同，則并聯(lián)運行機組總是平均分擔無功負荷。因而， 欲使并聯(lián)運行機組能夠按一定關系分擔無功負荷，須保證它們的電壓調節(jié)特性皆 為有差特性，通常采用增添均壓線或無功電流調差裝置的方法。 1 3 控制策略及其實現(xiàn) 柴油發(fā)電機組間的自動并網(wǎng)控制、調頻和有功功率均衡控制、調壓和無功功 率均衡控制以及各種保護功能的實現(xiàn)是移動電站綜合控制系統(tǒng)的體現(xiàn)。該控制系 統(tǒng)不僅涉及單臺柴油機的自動調速和發(fā)電機的自動勵磁調壓，而且涉及柴油發(fā)電 機組并網(wǎng)后的功率均衡控制，因而它是各臺柴油機調速裝置和發(fā)電機調壓裝置間 的協(xié)調控制。 由于并聯(lián)運行柴油發(fā)電機組間的功率均衡控制具有多變量、強耦合、難以建 立精確的數(shù)學模型等特點，因而該控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器和工控機為控制 中心，采用多輸入多輸出的模糊控制算法p 】，以實現(xiàn)并聯(lián)運行機組間有功功率和 無功功率的均衡分配。 該模糊控制算法的實現(xiàn)則是采用軟件模糊推理法1 8 9 】，即用軟件實現(xiàn)輸入模糊 化、模糊推理算法以及輸出去模糊化等模糊控制的主要過程，尤其是模糊推理過 程。它不同于模糊查表法把模糊推理過程離線完成，而是在線運行時。每一個采 樣周期都要進行模糊推理，即將傳感器感測信號經(jīng)d 轉換后送入計算機，用軟 件構成的模糊控制器進行模糊化、模糊推理和去模糊化，由程序“在線”計算出 控制量的大小，再經(jīng)p l c 去控制被控過程。目前一些專門的應用軟件的發(fā)展備受 矚目。這些軟件提供一種類c 語言的高級計算機語言，用來編程實現(xiàn)模糊控制算 法，通過p l c 與計算機的通訊把結果傳遞給p l c ，實現(xiàn)其控制功能。 由于采用軟件實現(xiàn)模糊推理，因此這一方法靈活性高、適應性強、應用范圍 廣，它可以用于輸入輸出論域為離散有限論域的情形，也可以用于連續(xù)無限論域 的情形，它比模糊查表法有更高的精度，因為推理要花費一定的時間，因而要求 移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究 計算機有較高的運行速度。 1 4 論文的主要工作 針對移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究，本文提出一種基于集成自動化系統(tǒng) ( p l c + i p c ) 的多輸入多輸出模糊控制器，以實現(xiàn)并聯(lián)運行柴油發(fā)電機組間有功 功率和無功功率的均衡分配。具體內容為： ( 1 ) 針對多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時功率分配不均衡問題，基于現(xiàn)有的石油 鉆機電氣自動化控制系統(tǒng)，設計了一種功率均衡控制器，該控制器以可編程邏輯 控制器和工控機為控制中心，采用多輸入多輸出模糊控制算法，實現(xiàn)各機組有功 功率和無功功率的均衡分配。 ( 2 ) 考慮到m a t l a b 模糊控制工具箱提供了c 語言程序接口，將m a t l a b 中開發(fā)的模糊控制算法程序改寫成一個c 語言函數(shù)，將其封裝在動態(tài)鏈接庫中， 通過w i n c c 調用動態(tài)鏈接庫，并將模糊控制的輸出通過m p i 多點傳輸協(xié)議傳遞 給p l c 以驅動執(zhí)行機構，從而完成模糊控制算法在自動化系統(tǒng)上的具體實施。 全文共分為五章，內容安排如下： 第一章概述了移動電站綜合控制系統(tǒng)的特點、研究現(xiàn)狀以及存在的問題，并 提出本文的主要研究內容。 第二章論述了柴油發(fā)電機組間的并網(wǎng)原理、頻率調節(jié)和有功功率均衡的相關 性理論以及電壓調節(jié)和無功功率均衡的相關性理論，并以向量圖的形式分析了兩 臺同容量柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時的功率調節(jié)。 第三章分析了柴油發(fā)電機組的恒頻率調節(jié)和并聯(lián)運行后有功功率均衡分配的 控制系統(tǒng)結構，以及柴油發(fā)電機組的恒壓調節(jié)和并聯(lián)運行后無功功率均衡分配的 控制系統(tǒng)結構。本章針對功率均衡控制系統(tǒng)詳細設計了功率均衡模糊控制器，并 對柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時的功率均衡進行了仿真分析。 第四章是依據(jù)工程實際，選擇可編程邏輯控制器和工控機作為控制中心，對 移動電站綜合控制系統(tǒng)進行了下位機軟硬件設計和上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計。 第五章將本文研究的移動電站綜合控制系統(tǒng)應用到中原石油鉆機7 0 d 電驅動 控制系統(tǒng)的項目中，通過現(xiàn)場調試驗證課題的研究成效。 6 碩士學位論文 第2 章柴油發(fā)電機組的功率控制原理 隨著石油鉆機工業(yè)對供電系統(tǒng)提出越來越高的要求，移動電站的自動化程度 也將得到不斷的提高。目前，對于柴油發(fā)電機組的控制大多仍局限于單臺機組的 控制，如單臺柴油機的速度閉環(huán)控制、單臺發(fā)電機的電壓閉環(huán)控制，而且相關的 產品如w 0 0 d w a r d2 3 0 1 d 調速器、b a s l e r d e s c 1 0 0 勵磁調壓裝置等也已得 到了成熟的應用【1 “。但對于要求多臺機組并聯(lián)運行，并且實現(xiàn)并聯(lián)運行柴油發(fā)電 機組間功率均衡控制的場合，系統(tǒng)在控制的準確性及可靠性上仍有待提高。隨著 工控機、p l c 等工業(yè)級微處理器的廣泛應用，幾個獨立的控制系統(tǒng)將有機的結合 起來實現(xiàn)協(xié)調控制。因而，移動電站的自動控制必然由局部控制系統(tǒng)發(fā)展為綜合 控制系統(tǒng)。 移動電站的功率不均衡分配問題是在多臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行后產生的， 因而本章的第一節(jié)簡要介紹了柴油發(fā)電機組的并網(wǎng)原理。在此基礎上，第二節(jié)詳 細論述了頻率和有功功率調節(jié)的相關性以及如何實現(xiàn)頻率恒定和有功功率的均衡 分配；第三節(jié)則詳細論述了電壓和無功功率調節(jié)的相關性阻及如何實現(xiàn)電壓恒定 和無功功率的均衡分配。最后，以向量圖的形式分析了兩臺同容量發(fā)電機組并聯(lián) 運行時的功率調節(jié)。 2 1 柴油發(fā)電機組的并網(wǎng) 柴油發(fā)電機組的并聯(lián)運行是指將數(shù)臺機組的三相輸出通過發(fā)電控制柜內的斷 路器分別接在公共交流母線上，共同向負載供電。電動鉆機動力系統(tǒng)配套的數(shù)臺 同步發(fā)電機根據(jù)鉆井工藝的變化及對電量的需求進行選擇性的并聯(lián)運行，其優(yōu)點 是【1 】： ( 1 ) 可以按照負載的變化來調節(jié)投入運行的機組數(shù)，使柴油機和發(fā)電機在較高 的效率下運行。 ( 2 ) 提高了供電的可靠性。當某臺機組因故障不能發(fā)電或停機檢修時，其他機 組繼續(xù)供電，因而使供電更為可靠。 ( 3 ) 提高了供電質量。并聯(lián)運行能使電網(wǎng)容量增大，在負載變化時，電壓和頻 率的變動就會減小，從而提高了供電質量。 柴油發(fā)電機組的并網(wǎng)必須滿足一定的條件，否則會產生很大的沖擊電流，造 成嚴重后果，并網(wǎng)的條件如下： ( 1 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機的電壓以和母線電壓u 大小相等。 7 移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究 ( 2 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機的電壓以和母線電壓u 相位相同。 ( 3 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機的頻率五和母線頻率z 相等。 ( 4 ) 待并網(wǎng)發(fā)電機的相序和母線相序相同。 柴油發(fā)電機組并網(wǎng)時之所以需要滿足這些條件，現(xiàn)分別說明如下【l 】。 若并網(wǎng)條件( 3 ) 、( 4 ) 兩條滿足而( 1 ) 、( 2 ) 兩條不滿足，即以以，則由于發(fā) 電機與母線之間存在著電位差( ，= 以一u ，如圖2 1 ( a ) 所示，故在并網(wǎng)時發(fā)電機 與交流母線之間將出現(xiàn)環(huán)流( 沖擊電流) ： ，一型 ( 2 1 ) “ 工， 式中x 一一發(fā)電機的電抗。 j 。、u 均為有效值，。滯后于u 9 0 0 。 在u ，與以的相位差較大( 如為1 2 0 0 ) 或極性相反的情況下誤并網(wǎng)時，沖擊 電流的瞬時值可達額定電流的4 6 倍。由此產生的電磁力可熊損傷定子繞組端 部，而很大的瞬時電磁轉矩( 扭力矩) 將損傷機組轉軸。 丁 ， v ( a ) 發(fā)電機并網(wǎng)單相圖( b ) 石 圖2 1 柴油發(fā)電組并網(wǎng)條件分析 若頻率不等，發(fā)電機和母線的電壓向量將有相對運動，如圖2 1 ( b ) 所示。若 把u 看作相對靜止，則以將以國：一凹的相對角速度向前旋轉。此時，發(fā)電機與母 線之間將出現(xiàn)忽大忽小的電壓差u ，于是沖擊電流，。也忽大忽小。當五與z 相 差過大時，就可能產生很大的機械振動，使并網(wǎng)機組不能并聯(lián)運行。 最后說明相序要相同的問題。這一條件是必須的，就是說待并網(wǎng)發(fā)電機組與 母線相序不同時，絕對不允許并兩。相序不同，發(fā)電機無法進入同步。 2 2 自動恒頻及有功功率均衡控制 2 2 1 頻率變化對移動電站電力系統(tǒng)的影響 移動電站的負載突然發(fā)生變化時，如電動機的起動、停車等，柴油機油門尚 窖 碩士學位論文 未來得及變化，使柴油機的驅動功率與發(fā)電機組負載功率的平衡關系被破壞，引 起發(fā)電機組轉速的變化，從而使電網(wǎng)頻率發(fā)生變化。 ，= 篆 ( 2 2 ) 而頻率是衡量電能質量的主要指標之一。供電系統(tǒng)的頻率波動，會對移動電 站運行的可靠性和經(jīng)濟性帶來嚴重的影響。它不僅影響石油鉆機設備的正常工作， 而且會使電動機運行惡化。當電網(wǎng)頻率低于額定值時，由于異步電動機的轉速下 降，軸上輸出功率和效率降低。在電動機電壓不變的情況下，由于磁化曲線的飽 和特性，磁化電流增加要比磁通增加多得多，進而會引起鐵芯和繞組發(fā)熱。當頻 率高于額定值時，電動機轉速升高，對于轉矩不變的機械負載，其輸出功率必然 增加，使電動機過載。對于離心式的泵類負載和風機，其輸出功率與轉速的三次 方成正比，又會造成電動機嚴重過載。另外，頻率增加時，在端電壓不變的情況 下，磁通必然減少。由于電動機的起動轉矩與磁通成正比，所以使電動機起動轉 矩減小。有數(shù)據(jù)表明【”】：如果移動電站的頻率是5 0 h z ，若與6 0 h z 的市電相連接， 則所有電動機將超速2 0 運轉，所有的離心式泵類負載都得增加7 3 的功率；反 之，當移動電站的頻率是6 0 h z 。若與5 0 h z 的市電相連接，則所有電動機將以降 低1 7 的轉速運轉。 2 2 2 同步發(fā)電機的功角特性 發(fā)電機的功角特性是指同步發(fā)電機接在電網(wǎng)上對稱穩(wěn)態(tài)運行時，發(fā)電機發(fā)出 的電磁功率與功率角之間的關系。所謂功率角就是指發(fā)電機勵磁電動勢丘和發(fā)電 機端電壓口這兩個向量之間的夾角1 1 1 】。分析表明：該功率角也就是發(fā)電機主磁極 磁場軸線與氣隙磁場軸線之間在空間的夾角，用符號占表示，如圖2 2 所示。 a 圖22 發(fā)電機運行矢量圖 由于同步電抗z 。上電壓的相位超前定子電流9 0 。，所以，線段：硒與面垂直， m 曰c 與0 c d 相似，因此， 移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究 刪= a b = 疋s i n 占 a c = x d l 柴油發(fā)電機組輸出電磁功率為 只。：3 明c o s p ：3 型s i n 占 ( 2 3 ) = 3 明c o s p = 3 爭s i n 占 ( 2 3 1 j 假設電網(wǎng)電壓u 等于常數(shù)，頻率也是恒定的，如果維持發(fā)電機的勵磁電流不 變，那么e 也是常數(shù)，x 。的值也可以認為是常數(shù)。這樣，電磁功率的大小就僅 由占角的大小決定，它們之間具有正弦函數(shù)的關系，如圖2 3 所示，電磁功率厶 與功角j 的關系曲線稱為發(fā)電機的功角特性曲線。 墮 x a 只 0 乏 9 0 。1 8 0 。占 圖2 3 同步發(fā)電機的功角特性 實際中，電網(wǎng)的運行情況是每時每刻都在變化的。即使柴油機的輸出功率保 持不變，負荷的變動使轉子受到的電磁力也是經(jīng)常變化的，從而使j 隨之發(fā)生變 化。如果原來的工作點j 在o 。9 0 0 之問，外力作用使占發(fā)生微小的變化，則發(fā)電 機通過若干個擺動周期后會回到原來的工作點，稱此區(qū)間為靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)間：而當 功角在9 0 0 1 8 0 0 時，則不會回到穩(wěn)定，則稱之為非穩(wěn)定區(qū)。事實上，發(fā)電機不 可能在這個區(qū)間穩(wěn)定工作。當功角繼續(xù)增大，超過1 8 0 0 時，則輸出負功率，也就 是從電網(wǎng)吸收功率( 逆功率) ，即進入電動機運行狀態(tài)了，此時氣隙磁場超前轉子 磁場，即由定子電流為主導產生豹氣隙磁場拖動轉子磁場旋轉i l ”。 從圖2 3 中還可以看出：對于功角在0 0 9 0 。范圍內運行的發(fā)電機，保持輸出 電磁功率不變，增加發(fā)電機勵磁電流，增加勵磁電動勢e ，可提高極限功率，減 小功角j ，從而提高發(fā)電機運行穩(wěn)定性。 所以，功率角艿是反映同步發(fā)電機運行狀態(tài)的一個重要變量，它不僅決定了 發(fā)電機輸出功率的大小，而且說明發(fā)電機轉子運行的空間位置。通過它把同步發(fā) 1 0 碩士學位論文 電機的電磁變化關系和機械運動狀態(tài)緊密地聯(lián)系起來。轉子空間位置的變化，引 起同步發(fā)電機有功功率的變化；反過來，轉子空間位置( 即氣隙合成磁場的相對位 置) 要受到電磁過程的制約。 2 2 3 電網(wǎng)頻率控制與發(fā)電機的有功功率調節(jié) 移動電站電網(wǎng)的容量總是有限的，當系統(tǒng)負荷發(fā)生變化，或者發(fā)電機輸出有 功功率變化時，都會引起電網(wǎng)內部有功功率失去平衡，從而引起系統(tǒng)頻率的波動。 所以發(fā)電機與有限大電網(wǎng)并聯(lián)運行時，有功功率調節(jié)比理想情況復雜些。 1 負荷的頻率特性 電網(wǎng)頻率波動與負荷的頻率特性有關。所謂負荷的頻率特性，就是系統(tǒng)負荷 隨系統(tǒng)頻率變化的規(guī)律。系統(tǒng)中的負荷有的與頻率無關，有的與頻率成正比，有 的與頻率的二次方成正比，有的與頻率的更高次方成正比。負荷頻率特性一般可 表示為1 1 】 丘= 訛( 毒) 鴝鰣+ 響。叱1 。 旺4 ， 式中厶額定頻率； 最一系統(tǒng)頻率為廠時，整個系統(tǒng)的有功負荷； 一一系統(tǒng)頻率為額定值厶時，整個系統(tǒng)的有功負荷； ，口l ，”，d 。一一上述各種類型負荷占的比例系數(shù)。 當系統(tǒng)負荷的組成及性質確定后，負荷頻率特性方程也就唯一地確定了，根 據(jù)負荷頻率特性方程做出負荷頻率特性曲線，如圖2 4 所示。 h n 圖2 4 負荷的頻率特性 2 發(fā)電頻率特性 電網(wǎng)頻率的波動與發(fā)電機組的頻率特性也有關。當系統(tǒng)頻率變化時，并網(wǎng)運 行的發(fā)電機轉速將發(fā)生變化，柴油機調節(jié)系統(tǒng)工作，改變柴油機迸油量，調節(jié)發(fā) 電機的輸出功率以適應負荷的需要。這時，柴油機轉速的變化方向與輸出功率的 彳i 一 一l彳。_ 一 一 一 一 一 一 彰一 計l小計l 移動電站綜合控制系統(tǒng)的研究 變化方向是相反的，柴油機的靜特性是一條下傾的曲線。單臺發(fā)電機的發(fā)電頻率 特性也就是柴油機的靜特性【1 1 】。 電網(wǎng)的有功電源是由并聯(lián)運行的發(fā)電機組成的，并聯(lián)運行機組的發(fā)電頻率特 性，即系統(tǒng)頻率變化而引起的并聯(lián)運行機組輸出功率變化的關系，可以看成是并 聯(lián)運行機組總的輸出功率的變化量等于并聯(lián)運行各發(fā)電機輸出功率的變化量之 和，如圖2 5 所示。 n 五 0 p p 。，女p 。 圖25 發(fā)電頻率特性 3 自動調頻調載 移動電站電力系統(tǒng)主要是由發(fā)電機組、輸電網(wǎng)絡及負荷組成的，如果把輸電 網(wǎng)絡的功率損耗看成是負荷的一部分，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行的情況下，討論系統(tǒng)的頻 率特性和功率分配時，就可以將電力系統(tǒng)看成由發(fā)電機組和負荷兩個環(huán)節(jié)構成的 閉環(huán)系統(tǒng)，發(fā)電頻率特性與負荷頻率特性的交點就是電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行點。 氏 五 五 0 置 藝：如 p 圖2 6 移動電站電力系統(tǒng)的二次調頻 。 由圖2 6 可見，如果系統(tǒng)中的負荷增加蠅，總負荷變?yōu)樽?。，假設這時系統(tǒng) 內的所有機組無自動調頻功能，機組的輸入功率恒定且等于只，由于電磁功率大 于發(fā)電機機械功率，發(fā)電機減速運行，系統(tǒng)頻率將逐漸下降，負荷所取用的有功 功率也逐漸減小，依靠負荷頻率調節(jié)負荷效應系統(tǒng)達到新的平衡，運行點由a 點 碩士學位論文 到b 點，頻率值下降到 ，系統(tǒng)負荷仍為原來的只。在這種情況下，頻率的偏差 值v 決定于必值的大小，一般是相當大的。但是，實際上發(fā)電機組具有調頻 功能，當系統(tǒng)負荷增加，頻率開始下降時，調速器即起作用，增加機組的輸入功 率。經(jīng)過一段時間后，運行點穩(wěn)定在c 點，這時系統(tǒng)負荷所取用的功率為只：，小 于額定頻率下所取用的功率最，頻率穩(wěn)定在疋。此時的頻率偏差比無調頻作 用時要小得多。由此可見，調速器對頻率的一次調頻作用是明顯的。 但是，當負荷變動相當大，所引起的頻率下降超過了允許的頻率偏差范圍時， 就要上移發(fā)電頻率特性曲線。于是系統(tǒng)頻率上升，負荷取用的功率也增加。當系 統(tǒng)中機組的輸入功率與負荷所需要的總功率b 相平衡時，運行點由c 點移到d 點， 這時頻率恢復到額定值厶。上移發(fā)電頻率特性的過程也就增加發(fā)電機輸入機械功 率，提高系統(tǒng)頻率的過程。在運行點由c 點移到d 點的過程中，系統(tǒng)負荷并未改 變，負荷只是按其頻率調節(jié)效應增加取用有功。隨著發(fā)電機輸入機械功率增加， 7 發(fā)電機轉速上升，系統(tǒng)頻率提高，系統(tǒng)頻差減小，發(fā)電頻率特性由曲線l 移到曲 線2 。圖2 6 中，釁：為一次調頻增加的功率，只，為二次調頻增加的功率。 當幾臺柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行時，改變任一機組的輸入功率( 或負荷變化時) ， 所有并聯(lián)運行機組的頻率( 或柴油機轉速) 都會發(fā)生變化。由于并聯(lián)運行各機組的 發(fā)電頻率特性很難達到完全一致，而各機組的頻率又都是相同的，因而有功功率 的