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柴油爱博体育并联控制器的研究

文章出处:未知人气:发表时间:2015-09-15 13:51【

柴油爱博体育作为备用电源或特殊场合的动力电源,已得到当今社会的广泛认可,其应用场合不断扩大,各项性能趋于完善。柴油爱博体育控制器作为柴油爱博体育的核心部件也受到人们越来越多的重视。传统的柴油爱博体育控制器控制精度低,启动信号发出缓慢,不具备对整个系统的监视功能。随着人们生活的改善,对供电质量和供电连续性的要求也越来越高,传统的柴油爱博体育控制器已不能满足现在的市场要求。因此,以各种数字芯片为的核心的柴油爱博体育控制器应运而生。

本文建立了柴油爱博体育数学模型,提出了一种柴油爱博体育调速方式。以该柴油爱博体育模型搭建了三机自动并联仿真模型。根据仿真结果,设计了柴油爱博体育单机实验平台,并对各部分硬件电路进行了调试。在实验平台的基础上设计了整个平台的运行程序。本文的主要研究内容如下:

介绍了柴油爱博体育的基本组成,分析并构建了柴油爱博体育各个部分的数学模型。着重分析了各个物理量对柴油机转速的影响,并对其进行了详细的数学推导。在此基础上提出了柴油爱博体育调速的无差模型和有差模型。

在MATLAB仿真平台下,提出了一种无差柴油爱博体育的调速模型—多输入模糊调速模型。并用该调速模型,得到了柴油爱博体育在突加负载和突卸负载两种情况下柴油爱博体育转速、电压,功率的波形。

 
仿真结果表明,该调速系统可以减少柴油爱博体育的恢复时间,提高柴油爱博体育的抗干扰性。


在单机调速仿真的基础上,以MATLAB下的Stateflow为控制器,设计了三机自动并联仿真系统。验证了控制器的控制效果,为以后的实验平台的搭建和软件的编写提供了理论与仿真依据。

根据状态图的仿真结果,设计了柴油爱博体育实验平台。整个实验平台分为主电路,执行器电路和控制器电路三个部分。文中对硬件电路的各个模块进行了设计,并给出了硬件调试结果。

以AT89S52为执行器主控制芯片,TMS320F28335为控制器主控制芯片,设计了执行器和控制器的程序。执行器主要包括启动程序,调速程序,停止程序,调压程序和测量程序。控制器主要包括A/D采样程序,电网参数计算程序,捕获程序,ATT7022较表程序及其通讯程序,动作程序。


 
随着国民经济的稳步提高,越来越多的部门对供电连续性提出了更高的要求。柴油爱博体育以其稳定性高、供电质量可靠、安装简单、便于运输的特点成为了绝大多数部门的备用电源;在一些市电环境所不及的地方,如海洋、沙漠、偏远地区和陆地钻采油田等,柴油爱博体育也作为动力电源。随着柴油爱博体育的广泛使用,对柴油爱博体育控制器的要求也越来越高。这就要求柴油爱博体育控制器从手动控制向既可手动控制也可自动控制转变,从单机控制向既可单机控制也可多机并联控制转变,从有人值守向无人值守、远程控制转变[1-2]。

然而,目前大多数的柴油爱博体育组控制器不能和柴油爱博体育联合实现模块化。单机的控制器只能控制单机,多机的并联控制器也只能应用于多机场合,各种控制器的可移植性差。每种控制器的控制方案具有其独特性,需要柴油爱博体育配合才能完成应有的功能。现代并联多机控制器多采用集散控制的方法,一旦柴油爱博体育控制器出现问题,整个系统将面临崩溃,控制器的好坏直接影响整个系统的功能。集散控制的柴油爱博体育控制器,由于采样参数多,电压、电流等物理量不能及时采回控制器,使多台柴油爱博体育并联控制时不能使每台柴油机及时动作,不能平均分配多台柴油爱博体育的功率。在实际使用柴油爱博体育时,柴油爱博体育组动作缓慢,导致一系列的问题:整个供电系统供电连续性与可靠性大大降低,电能质量与经济性变差,柴油爱博体育组对负荷的抗干扰性减小,增加人员操作次数,导致误动作等。

将柴油爱博体育和柴油爱博体育控制器组成一个模块,可以使整个系统构成一个独立的整体,减少整个系统控制的复杂程度。该种控制方法在单台柴油爱博体育运行时可以使其独立运行,多台柴油爱博体育并联运行时又可以通过通讯将几台柴油爱博体育连接起来,即使一台柴油爱博体育出了问题,也不会干扰其它柴油爱博体育的独立运行,减少控制器故障对整个系统的影响。这样既可以提高系统的稳定性,也可根据需求增加或减少机组。这样组成的并联运行控制系统是以单个柴油爱博体育控制系统为基础的。基于以上优点及要求,柴油爱博体育控制器与柴油爱博体育组  
成一个独立模块必将得到广泛的应用与长足的发展。
1.2国内外研究现状从上世纪70年代的手动启动、无人值守柴油爱博体育机组,80年代的无人值守、微机控制自动化机组,到90年代的低排放、低噪声机组,爱博体育组自动化并机控制经历了继电器控制、PLC(可编程逻辑控制器)控制和智能控制器控制三个阶段,从20世纪末期(1995年以后)逐步开始由微电脑和电子元件构成的并联控制器控制,将很复杂的外围电路集成到一个模块中,大大简化了控制线路,可靠性也随之得到提升,柴油爱博体育控制技术水平不断提高[3]。


近年来,随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展,柴油爱博体育并联控制技术的发展又取得了长足的进步。主要有以下三点:第一,将智能控制引入传统控制方法中。第二,采用模块化的控制方法,一台柴油爱博体育控制器控制一台柴油爱博体育,通过通信将柴油爱博体育和电网的状态实时反映给其它控制器,实现多台柴油爱博体育的控制。这种控制结构的优点是节省硬件成本,上位机可以实时监测控制每台柴油爱博体育;当一台柴油爱博体育或控制器无法正常工作时不影响其它柴油爱博体育工作,提高供电可靠性;可以根据不同负荷容量增加柴油爱博体育而不必更改柴油爱博体育组硬件,实现柴油爱博体育单机的模块化。第三,随着DSP等数字信号处理专用高速芯片控制技术的不断发展,实现柴油爱博体育并联控制的全数字化,将更有利于降低成本、全面工业化。

柴油爱博体育控制器作为柴油爱博体育的核心部件,在美国、德国、英国、捷克等工业发达国家受到了高度的重视和日益广泛的应用。目前国外柴油爱博体育控制器的主要生产厂商有美国康明斯公司、德国西门子公司、英国深海公司、英国威尔信公司、捷克科迈公司和法国施耐德公司等。经过多年的研究和探索,国外的柴油爱博体育自动控制技术取得了长足的发展,越来越多的柴油爱博体育并联控制器投入了使用。以美国康明斯公司为代表柴油爱博体育并联控制器,已经进入实用化阶段。康明斯公司结合其生产的柴油爱博体育,已将并联控制器集成于柴油爱博体育内部并整机出售,模块化程度高。文献[4]设计并构建了一种柴油爱博体育独立运行系统;文献[5]主要分析了柴油爱博体育独立带载的控制方法。目前在控制技术方面,国外的研究方向主要朝模块化、远程操控、改善并联性能、降低成本、多功能化和装置小型化等方向发展。

 
与国外相比,我国在柴油爱博体育控制器方面主要研究单机控制器,并联控制器的研究起步较晚,现阶段河南众智公司生产的柴油爱博体育控制主要用于单机控制,单机控制已经形成了相对完善的系列产品。但是,多台柴油爱博体育并联控制技术尚不完善,单机自动控制技术可靠性相对较差,与电网反并联运行技术有待提高。文献[6]提出了一种柴油机和柴油爱博体育监控的方法,该控制系统主要集散控制方式;文献[7]提出了一种以PLC主控制器的柴油爱博体育单机控制器;文献[8]设计了一种火电厂后备柴油爱博体育的监测系统;文献[9]设计了一种基于PLC的现场级柴油爱博体育机监控系统。总的来说,国内厂商生产或大学研究设计的产品大多采用集散控制,但该种控制方式封闭性强,安装维护费用高[10]。产品主要为单机控制器,必须结合专用的柴油爱博体育才能完成相应的功能,模块化程度低。与国外生产的产品相比仍有很大的差距,各项技术仍有很大的提高空间。



1.3本文的主要研究内容


本文所作的工作是基于山西省科技攻关项目(柴油爱博体育自动并联控制系统的研究,项目编号:20140322-22)和山西汾西重工股份有限公司的项目(柴油爱博体育并机控制器的研发)。本文主要完成这两个项目的基础理论研究与硬件的初步设计。具体研究分为以下5个部分:


第一,无差、有差特性的柴油爱博体育模型的建立。柴油爱博体育主要分为柴油机及其调速装置、同步爱博体育及其励磁装置两大部分。在柴油机及其调速装置中,主要完成无差特性柴油机的柴油机本体、油门伺服装置、转速测量装置和柴油机燃烧与滞后环节这4部分模型的建立,并在无差特性柴油机的基础上完成并联用有差特性柴油机模型的建立;在同步爱博体育及其励磁系统中,主要完成相复励磁系统模型的搭建,并结合MATLAB中同步爱博体育的模型完成同步爱博体育及其励磁系统模型的搭建。


第二,单台柴油爱博体育调速器模型的建立。本文设计的调速系统为多输入模糊调速系统,利用柴油爱博体育的电压、功率因数、转速、转矩变化率等多个物理量对柴油爱博体育进行调速,该调速系统能够使无差特性柴油爱博体育在突加负载、突减负载后转速和电压完全恢复。


 
第三,并联柴油爱博体育自动控制系统模型的建立。本文设计的柴油爱博体育控制系统为三机并联仿真系统。结合MATLAB中的Stateflow,对柴油爱博体育自动并联控制的控制过程进行了仿真。仿真中根据柴油爱博体育多机并联的实际运行过程,完成了柴油爱博体育启动、并车、反并网、卸载与停机等过程的仿真,为柴油爱博体育并联控制器的设计提供了理论依据。

第四,柴油爱博体育单机控制系统实验平台的设计。本文在实验室的环境下设计了一套柴油爱博体育的单机控制系统,该套系统硬件能够支持单台柴油发电系统实现启动、独立带载运行、反并网、停机,柴油爱博体育与电网状态的监视。

第五,柴油爱博体育实验系统软件设计。实验系统软件主要包括两大部分:控制器软件和执行器软件。本文在自己设计的实验平台上采用TMS320F28335为控制器主芯片,在程序编译平台CCS3.3上完成控制器的程序编写;以AT89S52为执行器主芯片,在程序编译平台Keil3上完成执行器的程序编写。编写的程序用于测量柴油爱博体育与电网的电压、电流、功率、转速,电网与柴油爱博体育的相位差;完成不同状态下柴油爱博体育状态的转换和交流接触器的动作;完成转速与电压的控制。该程序结合实验平台使单台柴油爱博体育完成自动控制。

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