一种自适应负载的多并联发电机组协同控制方法及系统与流程

本发明涉及发电机组并联运行控制，尤其涉及一种自适应负载的多并联发电机组协同控制方法及系统。

背景技术：

1、多台发电机组并联组网供电，是孤岛供电、应急备用电源系统中十分重要的供电形式。通过多机组并联运行，能够组合得到更大的供电容量，同时依靠机组冗余配置提升供电系统整体可靠性。目前，并联发电机组普遍采用控制器实现各机组之间的功率协调，常规并联控制方案主要基于有功‑频率、无功‑电压下垂控制原理实现负载均分，部分系统在此基础上增加通信交互链路，实现集中式功率调度。在实际工程应用中，发电机组并联系统运行工况复杂，会面临负载随机波动、冲击性负载投切、机组本体性能衰减、机组在线投退、网络通信扰动、系统短时过载等多种现场工况，控制器需要持续采集电压、电流、功率、温度等运行参数，完成功率分配、机组调节以及故障保护等一系列控制任务，保障母线供电的电压与频率指标满足用电设备要求。

2、现有的发电机组并联控制手段，在负载工况平稳、各机组本体状态一致、通信链路稳定无异常的理想条件下，可以实现负载的均分控制，维持系统基本供电功能。但在复杂现场条件下，现有控制逻辑对机组个体差异考虑有限，难以适配机组健康状态、功率裕度的动态变化；面对负载剧烈扰动时，系统动态调节能力存在局限；当发生通信质量劣化或者系统过载时，现有保护与处置逻辑不够完善，容易出现功率分配失衡，进而引发电压频率偏移、机组过载、非计划解列等问题，对供电系统的运行安全性与运行经济性带来不利影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自适应负载的多并联发电机组协同控制方法及系统，适配稳态负载、动态变化负载、冲击负载、通信异常、系统过载、机组投切等复杂工况，提升多并联发电机组系统供电稳定性与运行经济性。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种自适应负载的多并联发电机组协同控制方法，包括以下步骤：

4、s1：实时采集多并联发电机组中各发电机组的运行状态数据。协同控制器通过本地测量模块以预设的控制周期（如10ms）实时采集各发电机组的运行状态数据。所述运行状态数据包括有功功率、无功功率、输出电压、输出频率、机组温度、机组健康状态、剩余可用容量和通信链路状态。在采集过程中，对原始数据进行滑动平均滤波等预处理，以消除高频噪声干扰，确保数据的准确性。

5、s2：构建多机组协同通信状态矩阵，确定可参与协同分配的机组集合。根据各机组上报的通信链路状态，构建多机组协同通信状态矩阵。若某机组连续多个周期未收到有效心跳包或数据校验失败，则判定其通信状态异常。基于该矩阵筛选出通信正常且状态健康的机组作为可参与协同分配的机组集合；对于通信异常机组，将其转入通信容错分支处理。

6、s3：计算系统总负载与负载变化率。对参与协同分配的机组进行实时有功功率和无功功率求和，计算系统总有功负载ptotal和总无功负载qtotal。采用滑动微分算法求取负载变化率和，精准表征当前系统负载的动态扰动剧烈程度，作为系统运行模式自适应切换的核心判据。

7、s4：根据负载变化率、容量、通信状态判别系统当前运行模式。系统根据负载变化率、机组可用容量和通信状态，自适应确定当前运行模式，并引入滞环比较机制防止模式频繁抖动。具体包括：

8、当负载变化率低于预设第一阈值且通信链路状态正常、各发电机组状态正常时，进入稳态均分模式；

9、当负载变化率高于预设第一阈值且低于预设第二阈值时，进入动态跟踪模式；

10、当负载变化率高于预设第二阈值时，进入冲击负载抑制模式，限制单台机组功率变化速率；

11、当系统总负载超过安全容量阈值时，进入过载保护模式；

12、当部分机组通信链路状态异常时，进入通信容错模式。

13、其中，第一阈值、第二阈值和安全容量阈值分别根据系统额定容量和预设安全裕度设定。

14、在通信容错模式下，执行以下容错控制策略：s41：保留异常机组最近一次有效通信数据；s42：采用本地测量值估计系统总负载；s43：降低通信异常机组的分配权重；s44：限制正常机组功率变化速率；s45：禁止通信异常机组承担冲击性负载；s46：当通信异常持续时间超过预设阈值时，将异常机组切换为独立运行或安全退出并联。

15、在过载保护模式下，执行以下过载抑制策略：s47：按预设优先级降低非关键负载；s48：限制各机组功率上升速率；s49：启动备用机组；s410：对过载机组进行降额运行；s411：对故障机组执行解列保护；s412：重新计算剩余健康机组的自适应分配权重。

16、s5：计算自适应分配权重。获取第i台发电机组的剩余可用容量因子ri、健康状态因子hi、通信可靠性因子ci和运行效率因子ei，各因子取值范围均归一化为[0,1]。分别通过非线性权重调节函数、、、对上述各因子进行非线性映射，以突出关键状态的影响。按下式计算第i台发电机组的自适应分配权重wi；

17、

18、其中，α为全局归一化系数，确保所有参与协同分配的机组权重之和满足预设约束条件（即σwi=1）。为确保所有参与协同分配的机组权重之和满足σwi=1的约束条件，需引入全局归一化系数α。其推导过程如下：将wi表达式代入求和公式，提取公共因子α，可得α =1 / σ(φr(ri) · φh(hi) · φc(ci) · φe(ei))。通过该显式计算公式，可精确求得归一化系数，从而保证权重分配的数学严谨性与系统协同控制的稳定性。

19、对于无功功率分配，采用相同的计算框架，仅将输入因子替换为励磁能力系数、电压调节能力系数和无功剩余容量系数。

20、s6：基于自适应分配权重对有功功率和无功功率进行解耦分配，生成功率参考指令。按下式计算第i台发电机组的有功功率参考指令：

21、

22、其中，为系统总有功负载，为第i台机组的有功分配权重，n为当前可参与协同分配的机组数量，为所有参与协同分配的机组有功权重之和。

23、按下式计算第i台发电机组的无功功率参考指令：

24、

25、其中，为系统总无功负载，为第i台机组的无功分配权重，所述无功自适应分配权重根据第i台机组的励磁能力系数、电压调节能力系数和无功剩余容量系数，按照与步骤s51至s53相同的方法确定，为所有参与协同分配的机组无功权重之和。

26、对生成的和进行输出限幅钳位，确保指令在机组安全运行范围内。有功与无功解耦分配有效避免了传统耦合控制中相互干扰的问题。

27、s7：根据功率分配误差生成频率修正量和电压修正量，并根据负载变化率生成前馈补偿量，合成最终控制指令。所有物理量均采用标幺制（p.u.）表示。有功功率基准值选取系统额定单台机组的额定功率，频率基准值选取系统额定频率，电压基准值选取系统额定线电压。

28、计算第i台发电机组的有功功率误差和无功功率误差：

29、

30、

31、其中，为第i台机组当前有功功率标幺值，为第i台机组当前无功功率标幺值。采用pi闭环控制生成修正量，按下式计算频率修正量：

32、

33、其中，为有功控制通道的比例增益，为有功控制通道的积分增益，为积分时间变量，t为当前控制时刻。

34、积分环节设置抗饱和机制，防止积分饱和导致超调。按下式计算电压修正量：

35、

36、其中，为无功控制通道的比例增益，为无功控制通道的积分增益。

37、同时，引入前馈补偿以提升动态响应。具体包括：

38、s74：按下式计算第i台发电机组的有功前馈补偿量：

39、

40、s75：按下式计算第i台发电机组的无功前馈补偿量：

41、

42、其中，为有功前馈增益系数，为无功前馈增益系数，为系统总有功负载对时间的变化率标幺值，为系统总无功负载对时间的变化率标幺值；

43、s76：按下式合成最终有功控制指令和最终无功控制指令：

44、

45、

46、其中，为频率修正量标幺值，为电压修正量标幺值。对最终指令进行输出限幅后下发。

47、s8：控制指令下发至调速器、自动电压调节器执行。将合成的有功功率控制指令pcmd,i发送至对应发电机组的调速器，将无功功率控制指令qcmd,i发送至自动电压调节器。同时，协同控制器持续进行通信超时检测，若下发指令后未收到执行反馈，则触发通信异常保护。

48、s9：动态闭环调控，包含机组投切与负载爬坡控制。系统以固定周期循环执行s1至s8步骤，并根据系统负载变化、机组投切、通信异常或过载情况，动态调整自适应分配权重、运行模式和机组运行状态。

49、当系统检测到负载变化率介于第一阈值和第二阈值之间时，进入动态跟踪模式。在动态跟踪模式下，系统执行以下控制策略：保持自适应权重分配机制s53持续运行，实时根据各机组状态因子更新权重wi；同时激活前馈控制通道s74、s75，利用负载变化率和对有功和无功指令进行快速预补偿，以缩短反馈调节的响应滞后；pi反馈控制器s72、s73维持正常运行，负责消除稳态误差。该模式通过‘权重自适应+前馈预补偿+反馈稳态修正’的三重协同，确保在中等速率负载变化下系统频率与电压的动态偏差控制在允许范围内。

50、当系统负载增加且现有机组剩余容量不足时，启动待投入机组，进行电压、频率和相位同步判断后合闸并入公共母线。并网后初始负载设定为零或安全下限，按照预设爬坡速率逐步增加负载。爬坡速率根据当前的负载变化率、母线电压偏差和频率偏差进行动态调整，以防止对母线造成冲击。负载爬坡完成后，根据最新的自适应分配权重重新分配系统总负载。当系统负载下降需要退出机组时，退出机组按照反向卸载曲线逐步降低负载，待负载降至安全阈值以下后执行解列操作。

51、一种实现上述方法的自适应负载的多并联发电机组协同控制系统，包括：

52、多并联发电机组单元：包括多台并联运行的柴油发电机组，每台机组包含发动机、发电机、调速器、自动电压调节器、断路器和传感器；

53、本地测量模块：用于采集各发电机组的电压、电流、频率、有功功率、无功功率、转速、温度和通信状态数据，并进行预处理；

54、通信网络模块：用于各发电机组控制器与协同控制器之间的高速、可靠数据交互；

55、协同控制器：作为核心计算单元，用于计算系统总负载、负载变化率、机组可用容量和自适应分配权重，判别运行模式，并生成各机组的有功功率和无功功率分配指令；

56、执行控制模块：用于将协同控制器生成的分配指令转换为调速器控制信号和自动电压调节器控制信号，驱动执行机构动作；

57、状态监测与保护模块：用于实时监测系统过载、通信异常和机组故障，并在异常发生时执行降额、解列、负载再分配或安全停机等保护操作。上述各模块之间通过内部总线或通信网络进行信号交互，共同实现多并联发电机组的自适应协同控制。

58、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

59、（1）通过采用剩余容量、健康状态、通信可靠性和运行效率四维度因子，结合非线性映射计算自适应权重，实现了负载分配与机组实际能力的精准匹配，有效避免了劣化机组重载，提升了系统运行的经济性和寿命；

60、（2）通过建立稳态均分、动态跟踪、冲击抑制、过载保护和通信容错五种运行模式，并通过滞环切换机制适配复杂多变的工况，增强了系统的环境适应性；

61、（3）通过采用有功-无功解耦分配，结合pi闭环误差修正与前馈补偿的复合控制策略，兼顾了稳态分配精度与动态抗扰能力，显著抑制了冲击负载引起的电压和频率波动。