張波

摘 要：本文介紹了一種基于PLC控制以及的同步發(fā)電機(jī)同步控制方法，解決了在不帶調(diào)速裝置情況下的發(fā)電機(jī)組同步控制問(wèn)題，并給出了并車(chē)電組選擇方法以及控制邏輯，簡(jiǎn)化了控制過(guò)程，提高了并車(chē)成功率，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：棒電源；電動(dòng)發(fā)電機(jī)組；同步控制；并車(chē)電阻

中圖分類(lèi)號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）07-0076-02

1 概述

核電站的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電源系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)棒電源系統(tǒng)），是由兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，每一列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組由一臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)軸帶動(dòng)一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)向下游負(fù)載供電。其主要功能是向控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行供電，其系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

從圖1可以看出，棒電源系統(tǒng)由兩列獨(dú)立的電動(dòng)發(fā)電機(jī)組組成，原動(dòng)機(jī)為380VAC交流異步電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電，向下游負(fù)載提供電源。其正常的運(yùn)行工況需要兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組先在沒(méi)有任何外部負(fù)載的條件下進(jìn)行空載并車(chē)，帶待兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組正常并列運(yùn)行后，在投入負(fù)載系統(tǒng)，進(jìn)入正常運(yùn)行階段，因此要求棒電源系統(tǒng)在沒(méi)有外部負(fù)載條件下的并車(chē)操作成為該系統(tǒng)必須解決的一個(gè)問(wèn)題。本文提出了一種基于PLC控制策略，增加專(zhuān)用并車(chē)電阻的方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的空載（不連接棒電源系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載）并車(chē)，對(duì)原有的并車(chē)方式進(jìn)行改進(jìn)，取得了良好的效果。

2 原有并車(chē)方式

由于棒電源機(jī)組的原動(dòng)機(jī)為三相交流異步電動(dòng)機(jī)，未設(shè)置調(diào)速裝置的情況下固有轉(zhuǎn)速相同，而且兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組無(wú)法在同一時(shí)刻完成啟動(dòng)，從而導(dǎo)致兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的輸出電壓長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法滿足并車(chē)條件，從而不能順利完成并車(chē)以滿足運(yùn)行條件。因此在電動(dòng)發(fā)電機(jī)組不帶其他負(fù)載的情況下，由于無(wú)法通過(guò)調(diào)速的方式實(shí)現(xiàn)兩列發(fā)電機(jī)的同步，在以往核電廠實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組機(jī)組的空載并車(chē)有兩種解決辦法：（1）首先啟動(dòng)兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組后，接著手動(dòng)停止其中一臺(tái)MG機(jī)組的電動(dòng)機(jī)，等待一定時(shí)間后，再次啟動(dòng)；（2）首先啟動(dòng)兩臺(tái)MG機(jī)組后，接著由程序控制其中一臺(tái)MG機(jī)組的電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)啟停。上述兩種方法本質(zhì)相同，都是采用一臺(tái)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行，待并車(chē)組在通過(guò)啟停上游電源開(kāi)關(guān)，在待并車(chē)組加減速過(guò)程中制造并車(chē)條件從而實(shí)現(xiàn)空載并車(chē)，但其成功率非常低且時(shí)間不可控，存在時(shí)間機(jī)會(huì)成本及人力成本。同時(shí)該方式需要在短時(shí)間內(nèi)頻繁啟停待并車(chē)組，在機(jī)組的長(zhǎng)期使用過(guò)程中存在降低機(jī)組壽命的風(fēng)險(xiǎn)。

3 發(fā)電機(jī)的并車(chē)條件分析

兩列發(fā)電機(jī)的并列運(yùn)行需要滿足的條件如表1所示。

只有當(dāng)上述條件全部滿足的情況下才能完成正常的并車(chē)。

在兩列電動(dòng)發(fā)電機(jī)組完成啟動(dòng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，進(jìn)入空載運(yùn)行工況以后，其波形、相序、電壓、頻率均保持一致，相位差保持穩(wěn)定，據(jù)此進(jìn)行棒電源系統(tǒng)并車(chē)條件分析，可以得出下表2的分析結(jié)果。

通過(guò)上表的分析可以看出，并車(chē)需要滿足的5個(gè)條件有4個(gè)已經(jīng)滿足，唯一不一定滿足的是相位條件。不一定滿足并車(chē)條件，其主要參數(shù)關(guān)系如下所示：

（1）U待-U主≤±5%；

（2）f待=f主；

（3）Ф待-Ф主≤±10°的概率為1/18（Ф待-Ф主取值范圍為0～±180°）。

4 并車(chē)方案設(shè)計(jì)

為了在沒(méi)有調(diào)速裝置的情況下滿足并車(chē)的全部條件，需要將其中的一臺(tái)機(jī)組進(jìn)行加速或減速，使兩臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)頻差，以在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)兩臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)同步條件。由于原動(dòng)機(jī)頻率50Hz是無(wú)法提升，因此本方案中考慮將已經(jīng)連接至母線發(fā)電機(jī)進(jìn)行加載減速，加載后該發(fā)電機(jī)組頻率略微降低，但兩臺(tái)機(jī)組頻差不超過(guò)0.1Hz，在兩臺(tái)機(jī)組一快一慢的情況下由自動(dòng)同期裝置選擇同步點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)組的同步，合理設(shè)置同期裝置的參數(shù)，可以同時(shí)滿足電壓、頻率以及相位的并車(chē)條件，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)組的同步。

對(duì)于圖2所示的并車(chē)接線原理圖，本方案的工作原理為：首先啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定后閉合一臺(tái)發(fā)電機(jī)的輸出斷路器，是一臺(tái)發(fā)電機(jī)處于電網(wǎng)的在線狀態(tài)；接著啟動(dòng)另一臺(tái)發(fā)電機(jī)，在發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定后發(fā)出閉合該臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出斷路器的指令，此時(shí)同步檢測(cè)器檢測(cè)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出電壓的相位。如果相位一致，同步檢測(cè)器向PLC發(fā)出同步信號(hào)，PLC閉合未在線的發(fā)電機(jī)輸出斷路器，達(dá)到并車(chē)。如果不一致，則通過(guò)操作屏上的“空載并機(jī)”按鈕，在電網(wǎng)上接入并機(jī)電阻，并機(jī)電組消耗在線發(fā)電機(jī)功率，對(duì)在線發(fā)電機(jī)起制動(dòng)作用，在一定范圍內(nèi)降低在線發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，為后啟動(dòng)的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速高于在線發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使兩臺(tái)機(jī)組相位能在一定時(shí)間段內(nèi)能達(dá)到一致。

5 并車(chē)電阻選擇

并車(chē)電阻阻值過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致頻差過(guò)小，長(zhǎng)時(shí)間不能達(dá)到并車(chē)條件，阻值過(guò)大，頻差太大，同步裝置無(wú)法及時(shí)捕捉同步點(diǎn)而導(dǎo)致無(wú)法同步，因此并車(chē)電阻的選擇是實(shí)現(xiàn)高效并車(chē)的關(guān)鍵。

本方案中的發(fā)電機(jī)，其空載頻率為49.95Hz（驅(qū)動(dòng)電源為50Hz，由于采用異步電動(dòng)機(jī)，存在一定的轉(zhuǎn)差率，因此其實(shí)際空載頻率約為49.95Hz），額定同步轉(zhuǎn)速為1485rpm，即額定負(fù)載條件下頻率為49.5Hz，因此該發(fā)電機(jī)的調(diào)差系數(shù)σ計(jì)算公式如下：

由此可以計(jì)算出在49.85Hz時(shí)需要的有功功率為：

在49.90Hz時(shí)需要的有功功率為：

在項(xiàng)目的實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，利用已有控制系統(tǒng)的有限空間，在發(fā)電機(jī)下游出線斷路器屏內(nèi)增加了專(zhuān)用并車(chē)電阻，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選取的并車(chē)電阻阻值為5kW×3=15kW，讓先并入母線的發(fā)電機(jī)連接并車(chē)電阻，此時(shí)其頻率會(huì)略低于未并入母線的發(fā)電機(jī)頻率，由于雙列機(jī)組具有一定的頻差且滿足頻差條件，此時(shí)由于頻差的存在，在固定時(shí)間內(nèi)就會(huì)滿足相位差條件從而滿足全部并車(chē)條件，實(shí)現(xiàn)雙機(jī)組的并車(chē)。

6 結(jié)語(yǔ)

在項(xiàng)目實(shí)施之前，空載并車(chē)試驗(yàn)需連續(xù)多次反復(fù)啟停MG機(jī)組，并車(chē)試驗(yàn)時(shí)間可能花費(fèi)大量時(shí)間，還不一定能達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)連需反復(fù)啟停發(fā)電機(jī)組也存在降低機(jī)組壽命的風(fēng)險(xiǎn)。該方案實(shí)施后，在正常的空載并車(chē)試驗(yàn)中，當(dāng)機(jī)組并車(chē)指令發(fā)出后，在1min之內(nèi)可以并車(chē)成功，一次性并車(chē)成功率可達(dá)100%，且機(jī)柜內(nèi)的溫升小于2K，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)的溫升過(guò)高，達(dá)到了很好的效果。

該并車(chē)方案在提高并車(chē)成功率的同時(shí)避免了了反復(fù)啟停機(jī)組降低機(jī)組壽命的風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了工作效率。同時(shí)此方案可以推廣至沒(méi)有調(diào)速裝置的且需要空載并車(chē)的發(fā)電機(jī)組的并車(chē)控制中。

參考文獻(xiàn)

[1]尹小龍，等.基于電動(dòng)發(fā)電機(jī)組的核電站棒電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電機(jī)控制與應(yīng)用，2015，第7期（第42卷 總第307期）：67-70.