柴油发电机并机控制器原理、电路及抗干扰设计
摘要：由于传统的并联方式依靠人工并联，费时费力，自动化程度低，并且并联时机的选择与并联操作人员的操作技能有很大的关系，人为因素较多，容易出现大的冲击电流，对柴油发电机组造成损害，缩短柴发机组寿命。因此，康明斯公司在本文介绍了柴油发电机组自动同步并车控制器的工作原理和电路设计，该同步并车控制器结构简单，可靠性高，具有较高的工程应用价值。
一、并联工作原理
发电机组与电网或两台发电机组之间同步并联运行的理想条件是并联断路器两侧电源的四个状态条件完全相同，即待并侧与系统侧两侧电源的相序相同、电压相等、频率相等、相位差为零。
电压差和频率差的存在将导致并网瞬间并联点两侧出现一定的无功功率和有功功率的交换，电网或发电机组都将会受到一定的冲击。相比而言，相位差的存在会使发电机组受到伤害，严重时会引发次同步谐振，损坏发电机。因此一个好的自动同步并机控制器应确保相位差为“零”时完成并网，同时为了加速并网过程，允许一定范围内的电压差和频率差。
本自动同步器模块选择了模拟电路控制系统，采用经典的PI控制理论，具有结构简单、电路成熟、瞬态性能好等优点。其工作原理为：自动同步器在接受到同步投入指令后，通过检测两台待并机组(或者一个电网和一台机组)上的两个交流电压信号，完成其相位比较并产生出一个校正模拟直流信号。该信号经PI运算电路处理后送到发动机电子调速控制器的并机端上，使其中一台机组和另一台机组(或电网)之间的相位差短时间内消失。在此时刻经过同步检测电路确认同步后输出合闸信号，完成同步过程。自动同步器的外部工作连接图如图1所示。
图1 柴油发电机并机控制器外部接线图
自动同步器由信号取样、相位补偿设定、隔离整形、相位角差合成电频信号、控制转速信号输出、超前合闸角调整、同步相位锁存判断、同步合闸输出控制等电路组成，各电路经过有效组合形成一个闭环控制系统。自动同步器原理框图如图2所示。
图2 柴油发电机并机控制器原理框图
二、并联电路设计
1、频率相位信号采样变换及整形电路
发电机或电网线电压信号首先通过阻容滤波电路吸收电压波形中的杂波信号，经电阻降压和电容二次滤波后，送到光电耦合器经光电隔离后形成矩形波信号。该信号经施密特触发器反向、整形后变成方波信号。
2、频率相位信号合成电路
发电机或电网的频率相位信号经过采样变化及整形电路后，变成了两路矩形波信号，其中一路已经反向，频率相位信号合成电路把两路信号合成在一起，输出一个与两者相位差成正比的电压信号。该电压信号分别送给调速控制电路和合闸超前角调节电路。
3、调速控制电路
自动同步器的调速控制电路是根据两路电的频率的相位差去控制柴油机的电子调速器，逐步缩小两者的差值，最终达到相位一致，它由运算放大器组成微分和积分电路构成，可以灵活地设置调节电子调速器的灵敏度和稳定度。
4、合闸超前角调节电路
不同的合闸执行元件，如自动断路器或交流接触器，它们的合闸时间(即从合闸线圈得电到主触点完全闭合的时间)也不相同，为了适应用户使用的不同合闸执行元件以及使其准确合闸，设计了合闸超前角调节电路，该电路可以实现0～20°提前角调节，即在同期合闸之前提前0～20°相位角发出合闸信号，使合闸执行元件的主触点闭合的时间和同期合闸的时间一致，减小对发电机的冲击。该部分电路由四个单元精密运算放大器组成。
5、同步检测输出电路
同步检测输出电路由检测同步电路和输出继电器组成。输出继电器选择DC5V线圈继电器，同步检测电路由与门4093组成，检测到各条件都满足合闸要求，才准确发出合闸信号。
6、电源电路的确定
电源部分是自动同步器的基础部分，它负责为各部分电路提供工作能量，与整个自动同步器能否稳定可靠地工作有很大的关系，所以它的设计尤为关键。模块外部电源取柴油机的启动电瓶，为了防止电源地和正极接反，在输入回路串入了二极管，这样即使接错线路也不至于烧毁模块内部电路。稳压电源采用由多个稳压管组成的稳压电路。具有电路简单、功耗低、输出电压稳定、抗干扰能力强等特点。所以输入电压为10～35 V之间均可以保证稳压器的输出电压稳定在+10V，兼顾了柴油机采用12 V和24 V铅蓄电池的应用。另外该电路属于线性稳压，电磁干扰极低。
三、并联抗干扰设计
1、干扰主要来源
（1）电气干扰：
① 电压/频率波动： 负载突变、短路故障、其他非线性负载（变频器、UPS）接入等导致母线电压和频率波动，影响并联控制器判断。
② 谐波干扰： 非线性负载产生谐波电流注入电网，污染电压波形，可能导致控制器采样错误、误动作或损坏敏感电子元件。
③ 瞬态干扰： 开关操作、雷击、短路故障等产生的瞬时高电压或电流尖峰，可能损坏控制器或传感器。
④ 接地环路干扰： 不同机组或设备之间的接地电位差形成回路电流，叠加在信号线上，导致控制信号失真（如调速、调压信号）。
⑤ 电磁干扰： 大电流电缆、开关设备、变频器等产生的强电磁场耦合到控制信号线或通信线上，干扰信号传输。
（2）机械干扰：
① 负载突变冲击： 大负载的突然投入或切除对原动机产生巨大扭矩冲击，导致转速波动，进而引起频率波动，破坏并联同步状态。
② 机组振动： 机组本身的机械振动可能影响传感器（转速传感器、PT、CT）的稳定工作。
（3）控制信号干扰：
① 信号串扰： 控制柜内不同信号线（模拟量、数字量、通信线）之间因布线不当引起的电容或电感耦合干扰。
② 信号衰减/失真： 长距离传输导致信号衰减或波形畸变。
③ 电源噪声： 为控制器、传感器供电的电源本身不纯净，含有纹波或噪声。
2、抗干扰设计策略
自动同步器采样两台机组(或电网)上的交流电压信号，依据其相位差进行同步处理。如果因外界干扰无法正确采样交流电压信号，将做出错误判断，出现无法同步或误同步，对机组造成损害。因此，良好的抗干扰设计对于自动同步器是十分必要的。在本自动同步器的设计中，相位信号的采集方法如下：
（1）采用了光电耦合器采样，实现光电隔离，隔离电压高达2kV，提高了自动同步器抗干扰和耐冲击能力；
（2）在采样输入回路加入压敏电阻，可以预防雷击事故发生；
（3）采样回路中加入磁珠和整个模块采用金属外壳，可应对射频干扰；
（4）加入了相位补偿电路，可以补偿由于在输入信号端添加滤波器引起的相位误差，提高并网的可靠性和准确性；
（5）加入合闸角度调整，可以消除因使用不同开关所产生的合闸时间差，实现零冲击合闸；
（6）输出继电器采用金属熔焊密封，外壳为金属壳，线圈和触点都封装里面与外部实现了屏蔽隔离，可以避免闭合和断开瞬间所产生的电磁干扰进入模块内部；
（7）在印制电路板的绘制过程中，正确摆放元器件位置，合理布线，也可以提高系统的抗干扰能力。
3、 软件与监控层面
（1）完善的保护功能： 控制器应具备完善的保护功能（过压、欠压、过频、欠频、逆功率、过载、短路等），在干扰引起异常时能快速、准确动作，保护机组和设备。
（2）状态监测与诊断： 系统应能记录运行参数、事件和报警信息，便于分析干扰来源和故障原因。
（3）滤波参数调整： 根据现场实际情况，可能需要在控制器软件中调整软件滤波器的参数（如截止频率、时间常数），在抗噪性和响应速度之间取得最佳平衡。
柴发并联系统的抗干扰设计是一个系统工程，需要从控制策略、硬件选型、安装布线、软件配置等多个维度综合考虑并严格执行相关规范。忽视任何一个环节都可能成为系统不稳定或故障的隐患。对于重要或复杂的项目，建议咨询有丰富经验的专业工程师或集成商。
总结：
柴发并联运行中的“抗干扰设计”至关重要，它直接关系到并联系统的稳定性、可靠性、功率分配的精确性以及设备寿命。本柴油发电机组自动同步并车控制器的设计借鉴了国内外同类产品的优点，并根据我公司的实际使用情况，做出不断改进，具有性能稳定、可靠性高、易操作等特点。自动同步器检测机组(或电网)输出电压信号，快速实现自动同步并联，在提高用电可靠性方面具有重要意义。
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