柴油发电机组自动控制系统工作原理

目前，随着企业业务的不断增长，数据中心日常所消耗的能源也呈同步增长趋势，一旦发生市电中断故障，单台柴油发电机根本满足不了数据中心后备电源容量需求，所以，往往需要多台机组并机运行。为了提高电力系统运行的经济性和系统可靠性，这就要求系统控制逻辑上不仅要求机组本身具有良好的性能，而且要求各机组间合理承担下游系统中的有功和无功负荷，这些要求集中反映在对原动机的调速系统和同步发电机的调压系统。

图1  柴油发电机系统图

一、下垂控制（Droop Contol）

为了保证柴油发电机组并机运行的稳定性，往往采用下垂控制，即分别通过P/f下垂控制和Q/V下垂控制来获取稳定的频率和电压，这种控制方式对各机组输出的有功功率和无功功率分别控制，无需各机组间的通信协调，实现各机组之间的对等控制，保证了柴油发电机组并机系统的供需平衡和频率稳定。

下垂控制采用了电压、电流双环控制，电流内环动态响应速度快，用来提高发电机组的电能质量，电压外环控制器动态响应速度较慢，可以控制系统的输出电压，并产生内环参考信号。首先利用测量模块采集负荷点的电压和电流，计算出发电机组的输出瞬时有功、无功功率，再经过低通滤波器LPF得到相应的平均功率；假设额定频率运行时，发电机组输出的有功功率为P，F、U分别为电力系统的频率和额定电压幅值，通过下垂环节得到输出频率和电压幅值的指令，再通过电压合成环节产生参考电压，然后，参考电压将作为电压电流双环节控制器的输入。

二、调速（有功-频率控制）系统

以同步发电机的额定功率f_N为基准值，当下游负载的有功功率增加到P_red，则同步发电机的输出频率下垂到f_ref这个新的稳定值，AB段的斜率即为同步发电机的静态调差系数m_p，Δf=f_ref-f_N，ΔP=P_N-P_red。在柴油发电机组并联运行时，各发电机动态调整各自的频率和功率，直至满足所有负载需求。若各发电机组容量相同，则静态调差系数也相同，输出功率自然也相同；若机组容量不同，则单机容量较大的机组静态调差系数较大，机组承担的下游负载自然也更多。

图2   有功-频率下垂控制特性曲线及结构框图

三、调压（无功-电压控制）系统

同理，CD段的斜率称为同步发电机的无功-电压下垂控制系数n_q，反应了发电机组无功功率增量与端电压偏差的关系，且ΔU=U_ref-U_N，ΔQ=Q_N-Q_red。由同步发电机励磁功率单元控制框图可知，经过测量环节与调差环节的计算得出参考电压，然后在与发电机端电压进行比较（其中调压器为PI控制），使得发电机端电压始终迅速跟踪电压指令。

图3   无功-电压下垂控制特性曲线及结构框图

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