张波
摘 要：本文介绍了一种基于PLC控制以及的同步发电机同步控制方法，解决了在不带调速装置情况下的发电机组同步控制问题，并给出了并车电组选择方法以及控制逻辑，简化了控制过程，提高了并车成功率，取得了良好的效果。
关键词：棒电源；电动发电机组；同步控制；并车电阻
中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）07-0076-02
1 概述
核电站的控制棒驱动机构电源系统（简称棒电源系统），是由两列电动发电机组构成，每一列电动发电机组由一台交流异步电动机作为原动机，通过传动轴带动一台同步发电机向下游负载供电。其主要功能是向控制棒驱动机构进行供电，其系统单线图如图1所示。
从图1可以看出，棒电源系统由两列独立的电动发电机组组成，原动机为380VAC交流异步电动机，发电机由原动机带动发电，向下游负载提供电源。其正常的运行工况需要两列电动发电机组先在没有任何外部负载的条件下进行空载并车，带待两列电动发电机组正常并列运行后，在投入负载系统，进入正常运行阶段，因此要求棒电源系统在没有外部负载条件下的并车操作成为该系统必须解决的一个问题。本文提出了一种基于PLC控制策略，增加专用并车电阻的方式实现电动发电机组的空载（不连接棒电源系统的实际负载）并车，对原有的并车方式进行改进，取得了良好的效果。
2 原有并车方式
由于棒电源机组的原动机为三相交流异步电动机，未设置调速装置的情况下固有转速相同，而且两列电动发电机组无法在同一时刻完成启动，从而导致两列电动发电机组的输出电压长时间无法满足并车条件，从而不能顺利完成并车以满足运行条件。因此在电动发电机组不带其他负载的情况下，由于无法通过调速的方式实现两列发电机的同步，在以往核电厂实际运行过程中，两列电动发电机组机组的空载并车有两种解决办法：（1）首先启动两列电动发电机组后，接着手动停止其中一台MG机组的电动机，等待一定时间后，再次启动；（2）首先启动两台MG机组后，接着由程序控制其中一台MG机组的电动机的自动启停。上述两种方法本质相同，都是采用一台发电机组正常运行，待并车组在通过启停上游电源开关，在待并车组加减速过程中制造并车条件从而实现空载并车，但其成功率非常低且时间不可控，存在时间机会成本及人力成本。同时该方式需要在短时间内频繁启停待并车组，在机组的长期使用过程中存在降低机组寿命的风险。
3 发电机的并车条件分析
两列发电机的并列运行需要满足的条件如表1所示。
只有当上述条件全部满足的情况下才能完成正常的并车。
在两列电动发电机组完成启动达到额定转速，进入空载运行工况以后，其波形、相序、电压、频率均保持一致，相位差保持稳定，据此进行棒电源系统并车条件分析，可以得出下表2的分析结果。
通过上表的分析可以看出，并车需要满足的5个条件有4个已经满足，唯一不一定满足的是相位条件。不一定满足并车条件，其主要参数关系如下所示：
（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主取值范围为0～±180°）。
4 并车方案设计
为了在没有调速装置的情况下满足并车的全部条件，需要将其中的一台机组进行加速或减速，使两台机组出现频差，以在某个时间点两台机组出现同步条件。由于原动机频率50Hz是无法提升，因此本方案中考虑将已经连接至母线发电机进行加载减速，加载后该发电机组频率略微降低，但两台机组频差不超过0.1Hz，在两台机组一快一慢的情况下由自动同期装置选择同步点实现两台机组的同步，合理设置同期装置的参数，可以同时满足电压、频率以及相位的并车条件，实现双机组的同步。
对于图2所示的并车接线原理图，本方案的工作原理为：首先启动一台发电机，在发电机输出电压稳定后闭合一台发电机的输出断路器，是一台发电机处于电网的在线状态；接着启动另一台发电机，在发电机输出电压稳定后发出闭合该台发电机输出断路器的指令，此时同步检测器检测两台发电机输出电压的相位。如果相位一致，同步检测器向PLC发出同步信号，PLC闭合未在线的发电机输出断路器，达到并车。如果不一致，则通过操作屏上的“空载并机”按钮，在电网上接入并机电阻，并机电组消耗在线发电机功率，对在线发电机起制动作用，在一定范围内降低在线发电机转速，为后启动的发电机的转速高于在线发电机的转速，从而使两台机组相位能在一定时间段内能达到一致。
5 并车电阻选择
并车电阻阻值过小，会导致频差过小，长时间不能达到并车条件，阻值过大，频差太大，同步装置无法及时捕捉同步点而导致无法同步，因此并车电阻的选择是实现高效并车的关键。
本方案中的发电机，其空载频率为49.95Hz（驱动电源为50Hz，由于采用异步电动机，存在一定的转差率，因此其实际空载频率约为49.95Hz），额定同步转速为1485rpm，即额定负载条件下频率为49.5Hz，因此该发电机的调差系数σ计算公式如下：
由此可以计算出在49.85Hz时需要的有功功率为：
在49.90Hz时需要的有功功率为：
在项目的实际实施过程中，利用已有控制系统的有限空间，在发电机下游出线断路器屏内增加了专用并车电阻，根据计算结果，选取的并车电阻阻值为5kW×3=15kW，让先并入母线的发电机连接并车电阻，此时其频率会略低于未并入母线的发电机频率，由于双列机组具有一定的频差且满足频差条件，此时由于频差的存在，在固定时间内就会满足相位差条件从而满足全部并车条件，实现双机组的并车。
6 结语
在项目实施之前，空载并车试验需连续多次反复启停MG机组，并车试验时间可能花费大量时间，还不一定能达到预期效果，同时连需反复启停发电机组也存在降低机组寿命的风险。该方案实施后，在正常的空载并车试验中，当机组并车指令发出后，在1min之内可以并车成功，一次性并车成功率可达100%，且机柜内的温升小于2K，不会导致机柜内的温升过高，达到了很好的效果。
该并车方案在提高并车成功率的同时避免了了反复启停机组降低机组寿命的风险，大大提高了工作效率。同时此方案可以推广至没有调速装置的且需要空载并车的发电机组的并车控制中。
参考文献
[1]尹小龙，等.基于电动发电机组的核电站棒电源系统设计[J].电机控制与应用，2015，第7期（第42卷 总第307期）：67-70.
