发电机功率/频率调节系统及其特性

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发电机功率/频率调节系统及其特性

发布时间：2022-10-15 01:29:15 ▏阅读：次

摘要：发电机在运行中为保证机端电压水平，均装设自动励磁调节装置；为保证系统频率在合格范围内，系统有功功率必须随时处于平衡状态，因此运行发电机上必须装设根据频率（转速）变化自动调整动力元素进入量的自动装置——调速器。发电机调速器分为机械液压调速器和电气液压调速器（电液调速器）两类，按控制规律又可分为比例-积分（PI）调速器和比例-积分-微分（PID）调速器等。本文系统阐述了功率-频率电液调速系统（功频电调系统）的组成——转速测量元件（输出电压 $U_{n} = m_{n} n_{G}$ ）、功率测量元件（输出电压 $U_{p} = m_{p} P_{G}$ ）、频差放大器、PID环节、功率放大、电液转换器及油动机等部件；深入解析了系统的静态特性——稳定状态下转速（频率）与有功功率的关系曲线呈下倾斜线（调差系数 $R$ 一般为4%～6%， $R_{*} = R \times P_{N} / f_{N}$ ， $Δ f_{*} = - R_{*} Δ P_{*}$ ），并网运行时实现一次调频和二次调频功能；详细介绍了数字式电液调速器（DEH）的硬件架构（主机系统、过程通道、人机接口、电源系统）、软件功能（控制算法、自启动与同期并列、热应力管理、超速保护、在线自诊断）及核心控制算法（PID控制、前馈控制、自适应控制）；在此基础上，从响应速度、控制精度、功能扩展性、可靠性、调试维护便捷性五个维度对比了数字式电液调速器与模拟式电液调速器的性能差异，并给出了应用选型建议。本文可为柴油发电机组调速系统的选型、调试与运行维护提供技术参考。

一、功率-频率电液调速系统

发电机组在调整出力维持系统频率在合格范围内的同时，应使电网处在最经济的运行状态，即按经济原则在电厂和机组间分配有功负荷。

1. 功频电液调速系统的组成

图1示出了简化的功率-频率电液调速系统原理图，主要由转速测量、功率测量及其给定环节、频差放大器、PID环节、功率放大、电液转换器、高压和中压油动机等部件构成。

（1）转速测量元件：输出电压 $U_{n}$ 与柴油发电机组的转速 $n_{G}$ （单位为r/s）成正比。在稳定状态下，电网频率 $f 与转速$ $n_{G}$ 成正比， $f = p \cdot n （$ $p$ 为极对数， $p = 1$ ）， $U_{n}$ 与 $f 成正比。于是有：$

$\begin{matrix} U_{n} = m_{n} \cdot n_{G} & (式1) \end{matrix}$

式中， $m_{n}$ ——转速转换系数，V·s/r。为稳定柴油发电机组的转速，转速测量在功频电调系统中处于负反馈工作状态。

（2）功率测量元件：输出电压 $U_{p}$ 与发电机的输出功率 $P_{G}$ （单位为MW）成正比，即：

$\begin{matrix} U_{p} = m_{p} \cdot P_{G} & (式2) \end{matrix}$

式中， $m_{p}$ ——功率转换系数，V/MW。同样，为稳定发电机的输出功率，功率测量在功频电调系统中处于负反馈工作状态。

（3）PID调节与执行环节：转速误差信号 $Δ n$ 、功率误差信号 $Δ P$ 经PID（比例、积分、微分）运算后，再经功率放大，送入电液转换器。电液转换器将电控制信号转换为液压控制信号，通过油动机调整高压、中压进汽阀（主汽阀和调节汽阀），调整进汽量，实现发电机的功率频率调节。

（4）负载增加时的调节过程：系统负荷增加时，柴油发电机组转速下降，因此时发电机实发功率尚未变化，即功率测量元件输出变化量为零，所以正比于转速差 $Δ n = n - n_{N}$ （ $n_{N}$ 为额定转速）的信号 $U_{Δ n}$ 输入PID调节器， $U_{Δ n}$ 代表当时要求柴油机功率增大的数值。 $U_{Δ n}$ 经PID、功率放大、电液转换器后，经油动机开大进汽量阀门，使柴油机实发功率增大，最终使发电机增加的功率与系统负荷增加的功率相平衡。柴油机进汽量增加后，功率测量元件检测到这一功率的变化值，同样通过负反馈调节，直到功频电调系统处在新的平衡状态。可见，当功频电调系统处于新的平衡状态时，功率测量元件输出电压 $U_{p}$ 的变化完全抵消了转速测量元件输出电压 $U_{n}$ 的变化。

（5）负载减少时的调节过程：当系统负荷减少时，柴油发电机组转速升高，功频电调系统的调节过程与上述相反。

（6）辅助功能：功频电调系统除转速控制、功率控制功能外，另外还有超速保护控制、超速跳闸、主蒸汽压力控制、发电机同期并网、柴油机自启动、汽阀管理等辅助功能，通过DEH系统的CRT还能显示运行状态有关参数。在大型发电厂中，普遍采用分散控制系统（DCS系统）对整个电厂进行监控，DCS系统通过DEH系统提供的接口，可对柴油发电机组进行完全的控制，当然DCS系统同时实现对机组运行参数的监视。

2. 功频电调系统的静态特性

功频电调系统的静态特性是在稳定状态下柴油发电机组转速 $n_{G}$ （或频率 $f ）与发电机有功功率$ $P_{G}$ 的关系曲线。

设电网在频率 $f 下运行，此时柴油发电机组的转速为$ $n_{G}$ ，功率为 $P_{G}$ ，功率测量元件的输出电压为 $U_{p}$ ，转速测量元件的输出电压为 $U_{n}$ ，由式（1）、式（2）有：

$\begin{matrix} Δ U_{n} = m_{n} (n_{ret} - n_{G}) = m_{n} Δ n & (式3) \end{matrix}$
$\begin{matrix} Δ U_{p} = m_{p} (P_{ret} - P_{G}) = m_{p} Δ P & (式4) \end{matrix}$

式中， $n_{ret}$ 、 $P_{ret}$ ——分别为给定转速和给定功率。

设频差放大器输出电压正比于 $Δ f / R$ ，即：

$\begin{matrix} Δ U_{f} = m_{f} \cdot \frac{Δ f}{R} & (式5) \end{matrix}$

式中， $m_{f}$ ——转换系数，V/MW； $R ——调差系数，Hz/MW。$

由图1可知，将 $Δ U_{p}$ 、 $Δ U_{f}$ 两信号之和输入PID调节器。当系统负荷增加或减少时，引起柴油发电机组转速发生变化，功频电调系统作用的结果使发电机输出功率发生变化，最终达到新的稳定状态。因为PID调节器具有积分特点，故在给定值不变情况下，稳定状态有：

$\begin{matrix} Δ U_{f} + Δ U_{p} = 0 & (式6) \end{matrix}$

式（6）说明，功频电调系统调节结束后，在新的稳定状态下，功率测量元件的输出电压变化量 $Δ U_{p}$ 与转速测量元件经频差放大器的输出电压变化量 $Δ U_{f}$ 正好完全抵消。

将式（4）、式（5）代入式（6）得：

$m_{p} Δ P + m_{f} \cdot \frac{Δ f}{R} = 0$

$m_{p}$ 和 $m_{f}$ 取相同值，得到调节特性方程为：

$\begin{matrix} Δ f = - R \cdot Δ P & (式7) \end{matrix}$

当采用标幺值表示时，将 $Δ P_{*} = Δ P / P_{N}$ 、 $Δ f_{*} = Δ f / f_{N}$ 、 $R_{*} = R \times P_{N} / f_{N}$ 代入式（7）得：

$\begin{matrix} Δ f_{*} = - R_{*} \cdot Δ P_{*} & (式8) \end{matrix}$

式中， $R_{*}$ ——发电机调差系数（标幺值）。

式（7）、式（8）即是功频电调系统的静态特性。当机组有功功率增加即 $Δ P > 0$ 时，由式（8）得 $Δ f < 0$ ，即发电机频率（转速）下降。静态特性是一条下倾的斜线，斜率为调差系数 $R$ ，一般为4%～6%，可在频差放大器中设置。

3. 功频电调系统的运行

按发电机组是否并入电网两种情况来讨论调速系统的工作：

（1）发电机组未并网时：图1中的功率测量值及功率给定值信号均为零。运行人员操作增速或减速按钮，控制电动转速给定电位器，改变转速给定值 $n_{ref}$ 的电压。转速/电压变送器输出电压与机组运行转速 $n_{G}$ 相对应，可见电压的差值与 $n_{ref} - n_{G}$ 成正比，即式（3）。根据偏差 $Δ U_{n}$ ，由电液转换器去控制调节汽阀的开度，改变机组的转速，使 $Δ n$ 值趋于零、转速 $n_{G}$ 趋于给定转速 $n_{ref}$ 为止，即达到调速目的。

（2）机组并网运行时：假设电网频率恒定且为额定值，频差放大器输出的 $f$ 信号为零。同样理由，如果改变功率设定值 $P_{ref}$ 电压，功率测量值 $P_{G}$ 与 $P_{ref}$ 之差值信号见式（5）。通过PID等环节作用，将使对应差值电压 $Δ U_{p}$ 为零，即发电机功率 $P_{G}$ 与给定值 $P_{ref}$ 相等，达到调节发电机组输出功率（二次调整）目的。

若考虑电网频率波动，机组在并网运行时，转速给定值 $n_{ref}$ 和功率给定值 $P_{ref}$ 为某一定值不变。调速器工作随输入PID的两个信号之和 $Δ U_{f} + Δ U_{p}$ 调节汽阀开度，改变机组的输出功率，即由式（7）或式（8）实现一次调频。

功频电调机组一次调频的结果，当有功功率变化量 $Δ P$ 较大时，系统频率仍然偏离额定值较多。为使系统频率在合格范围内，应自动平移 $f = f (P) 静态特性曲线。这种自动平移功频电调机组静态特性曲线使系统频率在合格范围内的做法，称为功频电调机组的二次调频。$

发电机电液调速系统原理图.png

图1 发电机电液调速系统原理图

二、数字式电液调速器

目前数字式电液调速器已在发电机组上广泛应用，其基本框图如图2所示。它与模拟式电液调速器的主要区别是控制电路部分的功能用微机来实现。

1. 系统硬件架构

数字式电液调速器的硬件系统主要由以下四大部分组成：

1）主机系统（CPU）：采用高性能工业级微处理器（如32位或64位RISC架构处理器），是调速器的运算和控制核心。主机系统负责采集实时运行数据、执行控制算法、输出控制指令，并完成系统自诊断和通信管理。为提高可靠性，大型机组通常采用双CPU冗余配置（主备切换或同步运行），单CPU故障时可无缝切换至备用CPU继续运行。

2）过程通道（输入/输出接口）：

① 模拟量输入通道（AI）：接收来自转速传感器（磁电式或霍尔式）、功率变送器、温度传感器（热电偶或热电阻）、压力传感器等的4～20 mA或0～10 V模拟信号，经A/D转换（12位或16位精度）后送入主机。采样周期通常为10～50 ms，确保实时响应。

② 模拟量输出通道（AO）：将主机计算出的控制信号（如阀门开度指令）经D/A转换后输出至电液转换器，控制油动机行程。输出信号通常为4～20 mA，精度优于0.5%。

③ 开关量输入通道（DI）：接收机组状态信号（如断路器合闸/分闸状态、油泵运行状态、阀门限位开关信号等），用于逻辑判断和联锁保护。

④ 开关量输出通道（DO）：输出控制指令（如电磁阀通断、报警指示、跳闸信号等），驱动中间继电器或直接控制执行元件。

3）人机接口（HMI）：包括就地操作面板（液晶显示屏、按键或触摸屏）和上位机通信接口（RS485、以太网等）。就地操作面板可显示转速、功率、阀门开度、故障代码等运行参数，支持参数设定和手动操作。上位机接口支持Modbus RTU/TCP、Profibus等工业通信协议，便于接入DCS或SCADA系统。

4）电源系统：采用冗余直流电源模块（DC 24 V或DC 48 V），支持双路电源输入（主电源+备用电源），任一路故障时可自动切换至另一路，保证系统供电连续性。电源模块需具备过压、过流、短路保护功能。

2. 软件功能模块

数字式电液调速器的控制功能通过软件编程实现，主要功能模块包括：

1）控制算法模块：核心控制算法为PID（比例-积分-微分）控制，通过软件实现比例增益 $K_{P}$ 、积分时间 $T_{I}$ 、微分时间 $T_{D}$ 的独立整定。数字式PID的优点在于参数调整无需更换硬件元件，通过面板或上位机即可完成，整定精度可达0.1%。同时可实现变参数PID（根据工况自动调整PID参数）、前馈控制（根据负载变化提前修正控制量）和自适应控制（根据系统响应自动优化控制参数）等高级控制策略。

2）自启动与同期并列模块：

① 自启动控制：按预设启动程序自动完成启动前的预润滑、预热、盘车检查，按设定时序控制启动马达啮合和脱开，在达到点火转速后自动切入燃油控制，逐步升速至额定转速。

② 同期并列功能：在接近额定转速时，DEH自动检测发电机电压、频率、相位与电网的偏差，通过调节转速（频率）和电压，使同期条件满足后自动发出合闸指令，完成发电机与电网的同期并列操作，无需人工干预。

3）热应力管理模块：对于大型柴油发电机组，启动过程中因快速升温可能产生过大的热应力，导致气缸盖、活塞等部件热疲劳损伤。DEH通过监控排温、缸温等参数，按预设的升温速率曲线控制加载速率，防止热应力超限，延长机组使用寿命。

4）超速保护与跳闸模块：当机组转速超过额定转速的110%～115%时，DEH自动发出超速跳闸指令，快速关闭进汽阀，切断燃油供给，实现紧急停机保护。超速保护通常采用三取二逻辑（三个转速传感器中任意两个检测到超速即触发跳闸），防止单传感器故障导致误动或拒动。

5）在线自诊断与容错功能：DEH系统持续监控各硬件模块（CPU、电源、传感器、执行器）的工作状态，一旦检测到故障自动记录故障代码并发出报警。对于关键传感器（如转速传感器），采用冗余配置，单传感器故障时可自动切换至备用传感器继续运行，不影响调速功能。

3. 核心控制算法的数字化实现

1）PID控制算法的离散化：连续域的PID控制规律为：

$u (t) = K_{P} [e (t) + \frac{1}{T_{I}} \int_{0}^{t} e (τ) d τ + T_{D} \frac{d e (t)}{d t}]$

经Z变换离散化后，在DEH中采用增量式PID算法（位置式PID的差分形式），其优点为计算量小、抗积分饱和性能好、手动/自动切换无冲击。

2）前馈控制：针对大扰动（如突加负载），DEH在PID调节基础上叠加前馈控制量——根据负载变化率直接预估所需的燃油增量，提前调整阀门开度，可显著减小超调量和恢复时间。前馈控制可使突加负载时的频率跌落减少约30%～50%。

3）变参数自适应控制：在不同运行工况下（启动、空载、带载、满载），DEH自动切换PID参数组合，使调速系统始终处于最优调节状态。例如：启动阶段采用较高比例增益和较低微分作用以快速建立转速；带载阶段采用适度积分作用以消除静差。

4. 数字式与模拟式调速器的核心差异

1）参数整定方式：模拟式调速器的PID参数通过改变电阻、电容等硬件元件值来调整，修改不便且精度有限（±5%～±10%）；数字式调速器通过软件设定参数，修改便捷且精度可达±0.1%。

2）控制策略复杂度：模拟式调速器只能实现固定参数的PID控制；数字式调速器可实现变参数PID、前馈控制、自适应控制、模糊控制等多种高级控制策略。

3）附加功能：模拟式调速器仅具备基本调速功能；数字式调速器可集成自启动、同期并列、热应力管理、超速保护、在线自诊断等扩展功能。

4）通信与联网能力：模拟式调速器无通信接口，无法与上位机联网；数字式调速器具备多种工业通信接口（RS485/以太网/Profibus），可方便地接入DCS或SCADA系统，实现远程监控和集中调度。

发电机数字式电液调速器基本框图.png

发电机数字式电液调速器基本框图

三、数字式电液调速器与模拟式电液调速器的性能对比与应用选型

1. 核心性能量化对比

对比维度	模拟式电液调速器	数字式电液调速器
稳态调速率	0.5%～1.0%	0.1%～0.25%
瞬态恢复时间	3～5 s	1.5～2.5 s
控制精度	±5%～±10%（受元件温漂影响）	±0.1%（软件设定，无温漂）
功能扩展性	固定功能，无法扩展	软件升级，灵活扩展
参数调整方式	更换电阻/电容	面板设定/软件整定
通信接口	无	RS485/以太网/Profibus
自诊断功能	无	完备（CPU/传感器/电源自检）
环境适应性	敏感（温度/湿度影响参数漂移）	强（数字信号抗干扰能力强）

2. 应用选型建议

1）小型发电机组（<500 kW）：若运行工况稳定、无复杂并网需求，模拟式电液调速器仍可满足基本要求，性价比高。但若考虑未来接入监控系统，建议预留通信接口。

2）中型发电机组（500～2000 kW）：推荐选用数字式电液调速器。该功率等级机组通常用于数据中心、医院等关键场所，对频率稳定度和瞬态响应要求较高，数字式调速器的稳态调速率（0.1%～0.25%）和恢复时间（1.5～2.5 s）显著优于模拟式。

3）大型发电机组（>2000 kW）及多机并联系统：必须选用数字式电液调速器。大型机组和并联系统需要精确的有功功率分配、同期并列、负载均衡等功能，只有数字式调速器能够满足。数字式调速器的通信接口是实现多机协调控制的必要条件。

4）旧机组改造：对于现有模拟式调速器的旧机组，可考虑升级为数字式调速器。改造通常只需更换控制箱体（保留原有的执行器和传感器），投资回收期约1～2年（主要通过燃油节约和维护成本降低实现）。

总结

柴油发电机组功率-频率电液调速系统（功频电调系统）通过转速测量和功率测量两个负反馈回路，经PID调节、电液转换和油动机执行，实现对发电机转速（频率）和输出功率的闭环控制。系统的静态特性由式 $Δ f = - R \cdot Δ P$ 描述，呈下倾斜线，调差系数 $R$ 一般为4%～6%，确保并网运行时各机组按调差率自动分配有功负荷。功频电调系统在并网运行时实现一次调频（随 $Δ f$ 自动调整 $Δ P$ ）和二次调频（平移静态特性曲线恢复频率至额定值），在未并网时实现单机转速调节。

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