小型柴油發(fā)電機(jī)概況及發(fā)展前景

小型柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)展前景和概況

作為交流供電使用的小型柴油發(fā)電機(jī)組被廣泛地應(yīng)用于船舶、通信等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域。近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和資源分布不均衡而造成的電力緊缺，特別是南方沿海地區(qū)電力緊缺現(xiàn)象的突出，使小型柴油發(fā)電機(jī)組在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用更為顯現(xiàn)。

從20世紀(jì)60年代使用手啟動(dòng)、有人值守的普通機(jī)組，70年代研制成功自啟動(dòng)機(jī)組、無(wú)人值守機(jī)組，80年代研制成功無(wú)人值守機(jī)組、微型計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化機(jī)組，到90年代開(kāi)始低排放、低噪聲機(jī)組的應(yīng)用研究，小型柴油發(fā)電機(jī)組的技術(shù)裝備水平在不斷地提高?，F(xiàn)代小型柴油發(fā)電機(jī)組具有靈活、方便、自動(dòng)化程度高、噪聲小和排放低等優(yōu)點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新技術(shù)、新成果的應(yīng)用使得現(xiàn)代柴油發(fā)電機(jī)組具有更高的強(qiáng)化性、可靠性、穩(wěn)定性及良好的排放性等，不斷滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)其更高的要求。

小型柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的意義和存在的一些問(wèn)題

在小型柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)中，隨著供電負(fù)荷的不同，不但負(fù)載的數(shù)值變化大，而且負(fù)載的變化速度也非常高，這就要求供電狀況要與負(fù)載變化相適應(yīng)?？紤]到電能的經(jīng)濟(jì)性和利用率的情況下，一般場(chǎng)合都配有兩臺(tái)以上的小型柴油發(fā)電機(jī)組。一方面，隨著負(fù)載量的變化，供電系統(tǒng)投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的臺(tái)數(shù)要不斷地變化;另一方面，當(dāng)運(yùn)行機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，要求將備用機(jī)組迅速投入運(yùn)行。多臺(tái)小型柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行比單機(jī)運(yùn)行有許多優(yōu)點(diǎn):

1.提高供電質(zhì)量，電壓穩(wěn)定。特別是當(dāng)大負(fù)荷投入時(shí)，往往引起電壓和頻率的波動(dòng)，并聯(lián)運(yùn)行可以減輕這種波動(dòng)。

2.提高供電的可靠性。多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，一方面，即使有機(jī)組發(fā)生故障，只須將故障機(jī)組切除，仍可保證重點(diǎn)負(fù)荷用電需要;另一方面，系統(tǒng)有更大的備用能量，可以應(yīng)對(duì)意外情況。

3.經(jīng)濟(jì)性好，供電方式靈活。采用并聯(lián)運(yùn)行可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷的大小，決定并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組的臺(tái)數(shù)，避免運(yùn)行中出現(xiàn)的“大馬拉小車(chē)”或“小馬拉大車(chē)”的現(xiàn)象。

但是，交流小型柴油發(fā)電機(jī)組無(wú)論是在互相并聯(lián)運(yùn)行，還是在并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，在許多場(chǎng)合中往往出現(xiàn)功率和電流的周期性振蕩，同時(shí)伴隨以轉(zhuǎn)速振蕩、電壓和頻率的不穩(wěn)定以及調(diào)速器元件的振蕩。

功率振蕩時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行的各機(jī)組的總負(fù)載不變。因此，一臺(tái)機(jī)組的功率的增加和另一臺(tái)機(jī)組的功率減少同時(shí)進(jìn)行。通常把這種現(xiàn)象稱(chēng)為交互振蕩，有時(shí)也通俗地稱(chēng)為“游車(chē)”。

無(wú)論在機(jī)組臺(tái)架試驗(yàn)中，還是在實(shí)際運(yùn)行的艦船或陸上電站中都曾發(fā)現(xiàn)交互振蕩的現(xiàn)象。

機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的交互振蕩不同于電氣系統(tǒng)的自激和自擺現(xiàn)象，后者是與發(fā)電機(jī)一電網(wǎng)系統(tǒng)容量相關(guān)的，并可以用自動(dòng)調(diào)壓器予以消除。而交互振蕩，在大多數(shù)場(chǎng)合中，是受包括并聯(lián)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī)(或并入電網(wǎng)運(yùn)行的各發(fā)電機(jī))和短輸電線的系統(tǒng)所限制的。

伊藤發(fā)電機(jī)公司試驗(yàn)表明，交互振蕩的發(fā)生會(huì)造成如下不利后果:

1.機(jī)組在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)不能加至額定負(fù)載。

2.電壓和頻率不穩(wěn)定，因而電能品質(zhì)不佳。

3.柴油機(jī)調(diào)速器和噴油泵的各元件工作于大振幅的振動(dòng)狀態(tài)下，因而其工作可靠性和使用壽命將下降。

4.柴油機(jī)發(fā)生扭矩振蕩，因而柴油機(jī)的各零件和機(jī)座經(jīng)受著激烈的震動(dòng)。

3）國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

在電氣技術(shù)上，解決小型柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行中出現(xiàn)的功率交互振蕩問(wèn)題，應(yīng)從兩方面入手:一是對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行控制;二是對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行控制。

提出一種基于位置控制式的積分PID算法，其特點(diǎn)是:用比例消除大偏差。用積分消除小偏差。由于采用了線性積分因子進(jìn)行偏差積累。故可以完全消除積分飽和現(xiàn)象;系統(tǒng)參數(shù)之間相互影響小，各參數(shù)容易整定，易達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定;超調(diào)大大減少，適應(yīng)能力強(qiáng)。此外它是一種基于位置的控制方式，更適用于伺服控制系統(tǒng)。

進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)的研究，該系統(tǒng)在調(diào)速控制的粗調(diào)和模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的細(xì)調(diào)下，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)取得了較好的效果。

采用動(dòng)穩(wěn)態(tài)模式分離的PID調(diào)速算法改善柴油機(jī)的調(diào)速性能。在PID調(diào)節(jié)控制器上增加增益補(bǔ)償器，從而改善系統(tǒng)的調(diào)速性能。結(jié)合傳統(tǒng)PID控制原理，設(shè)計(jì)了一種新型模糊控制器結(jié)構(gòu)，即PID模糊控制器，并提出了在線調(diào)整PID參數(shù)的模糊控制方法。

闡明了柴油機(jī)電子調(diào)速器采用PID控制的數(shù)學(xué)模型和PID參數(shù)模糊自校正的原理，應(yīng)用Fuzzy理論，建立了模糊控制規(guī)則和模糊控制PID參數(shù)校正表，仿真結(jié)果表明此方法明顯改善電子調(diào)速器的控制性能。
提出一種具有多輸入多輸出(MIMO)結(jié)構(gòu)，在線修正PID參數(shù)的柴油機(jī)模糊控制器和改進(jìn)算法，在算法中建立了柴油機(jī)模糊PID控制器的三維模糊數(shù)學(xué)模型，提出用載荷和增壓器進(jìn)氣流量作為新的模糊控制變量，并用模糊智能控制器以改善調(diào)速器在柴油機(jī)帶載條件下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，為內(nèi)燃機(jī)車(chē)用大功率柴油機(jī)實(shí)時(shí)多目標(biāo)控制提供了解決方案。

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于微機(jī)的調(diào)速器，系統(tǒng)采用了負(fù)荷干擾前饋和速度反饋控制，在反饋控制器中，模糊控制用于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，而PID控制用于穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。

采用數(shù)字PID結(jié)合自適應(yīng)控制算法對(duì)油量及供油提前器進(jìn)行雙閉環(huán)控制。

采用PID控制算法和哥德溫自適應(yīng)控制方案。

利用模糊數(shù)學(xué)與灰色系統(tǒng)的理論與方法，討論了基于系統(tǒng)模糊分析的裝備可靠性預(yù)計(jì)的方法，研究了其在電子調(diào)速器可靠性分析中的應(yīng)用。

總之，目前的調(diào)速控制尤其是國(guó)外現(xiàn)有的調(diào)速器產(chǎn)品中多采用PID控制。自適應(yīng)控制、模糊控制等在調(diào)速控制中的應(yīng)用，這些研究停留在仿真階段的較多，形成產(chǎn)品或進(jìn)行配機(jī)試驗(yàn)的還較少?，F(xiàn)有的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組控制廣泛采用的仍是傳統(tǒng)的PID控制方式，本課題也采用這種控制方式。

4）研究的內(nèi)容概述

為了滿(mǎn)足戰(zhàn)時(shí)供電保障需求，在我國(guó)軍港配備了小型移動(dòng)式小型柴油發(fā)電機(jī)組。對(duì)于用電量大的碼頭，如果配備一臺(tái)大中型可移動(dòng)式小型柴油發(fā)電機(jī)組，由于容量大，機(jī)組體積、重量將增大，這樣就失去了移動(dòng)式小型柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)動(dòng)、靈活的意義性;如果配備多臺(tái)小型的機(jī)組，就需要機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，來(lái)滿(mǎn)足戰(zhàn)時(shí)供電保障需求。但在實(shí)際使用中，機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行經(jīng)常出現(xiàn)供油干擾造成的功率交互振蕩。

小型柴油發(fā)電機(jī)組在出廠前都要做供油裝置調(diào)整，使各項(xiàng)要求都達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。但在使用一定時(shí)期后，由于缺乏相應(yīng)的技術(shù)人員，使用中容易調(diào)整不當(dāng)，再加之柴油發(fā)電機(jī)組多為備用，容易忽略對(duì)其維護(hù)和保養(yǎng)，結(jié)果很容易使供油不穩(wěn)定，產(chǎn)生干擾力矩。在機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，很容易產(chǎn)生上面所說(shuō)的功率交互振蕩。

首先在Matlab軟件中Simulink工具箱中建立單臺(tái)機(jī)組運(yùn)行和兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的模型，在正常運(yùn)行時(shí)和供油有干擾時(shí)分別進(jìn)行仿真計(jì)算，驗(yàn)證了上述所說(shuō)現(xiàn)象;然后采集角速度。與發(fā)電機(jī)電磁功率P}，根據(jù)二者變化規(guī)律，判斷出產(chǎn)生功率交互振蕩的原因，在調(diào)速器始端加入負(fù)反饋，把塑作為反饋量后采用PID控制規(guī)律，將功率交互振蕩現(xiàn)象消除。