“育鯤”號船舶電站核心控制器分析

文/ 大連海事大學輪機工程學院 姜 月 吳志良

“育鯤”號是大連海事大學投資建造的我國首艘自行開發(fā)設計、目前世界上最先進的專用遠洋教學實習船之一?！坝H”號船舶電站采用了丹麥DEIF公司生產(chǎn)的發(fā)電機并車控制器和保護單元PPU控制器作為船舶電站的核心控制單元，進行船舶同步發(fā)電機自動并車操作及船舶電站的自動化管理。

一、“育鯤”號船舶電站及其核心控制器PPU概述

“育鯤”號船舶電站由3臺柴油發(fā)電機和1臺軸帶發(fā)電機組成，在每臺發(fā)電機的控制屏上均安裝PPU控制器作為核心控制器，相應地實現(xiàn)每臺發(fā)電機的檢測、控制和保護功能，并可通過串行通信與其他控制器進行聯(lián)系，從而實現(xiàn)船舶電站的自動化。

PPU（Generator Paralleling and Protection Unit）是一種基于微處理器技術的發(fā)電機控制和保護單元，能夠實現(xiàn)所有控制發(fā)電機所需的功能。PPU控制器包含發(fā)電機三相檢測電路，可控制發(fā)電機進行同步并車操作，并在同步運行后進行必需的發(fā)電機控制和保護。系統(tǒng)中主要參數(shù)值和報警值均可以在其LCD屏上顯示。各項保護的設定值既可通過人機交互界面的按鈕在線修改，也可通過RS232與PC機相連，利用操作軟件進行在線設定。

PPU控制器在“育鯤”號船舶電站中與PLC配合進行自動控制。PPU控制器將檢測到的電路各參數(shù)利用微處理器進行運算，獲得控制信號后，通過數(shù)字和模擬I/O端口輸出至PLC的輸入端口和繼電器等報警處，用于進一步控制船舶電站。

二、PPU硬件組成及功能介紹

1. 硬件電路組成

PPU控制器采用模塊化的設計思想，其內部硬件電路包括10塊印刷電路板（S1—S10）和1塊底部連接電路板，其中標準配置電路板為：S1——電源及繼電器配置板；S2——負載分配及工作點設定板；S3——發(fā)電機電流檢測及通信串口板；S4——電壓檢測及核心控制板；S7——發(fā)電機電壓、轉速控制輸出板。同時，GPC/PPU控制器還具有許多擴展功能，如輸出PWM信號至轉速控制器、擴展I/O端口等。若實現(xiàn)這些擴展功能，則需在內部配置相應的印刷電路板（即S5、S6、S8、S9、S10）。每塊印刷電路板均完成各自不同的功能，彼此又可通過底部印刷電路板相連，進行內部信號的傳遞。選擇不同的印刷電路板進行組合可以使PPU控制器實現(xiàn)所需完成的功能。

PPU控制器的核心控制單元是瑞薩（RENESAS）公司生產(chǎn)的16位單片機HBS/2655系列，該系列單片機具有16個16位的內部寄存器，最大時鐘可達20 MHz，可以很好地實現(xiàn)實時控制。

2. 主要功能介紹

PPU控制器主要用于多臺發(fā)電機組的同步并車控制、負載分配和轉移操作，并在并車和負載轉移的過程中實時地進行檢測和保護，下面對其控制功能分別說明。

（1）自動同步并車功能。

自動同步并車功能是PPU控制器的主要功能之一。PPU控制器可以自動進行頻率、電壓匹配和相序檢測等操作，并可通過軟件程序設定模擬主開關動作的時間，使得兩臺待并發(fā)電機能夠在其同步點時刻精準合閘，達到自動控制準確并車的目的。

（2）功率和頻率控制功能。

PPU控制器可以按照四種模式控制發(fā)電機的功率和頻率，從而實現(xiàn)在各種不同的應用環(huán)境下對發(fā)電機的適當控制。具體劃分為以下四種模式。

模式一：恒頻率模式，即控制發(fā)電機的頻率保持恒定（適用于單機運行）。

模式二：恒功率模式，即控制發(fā)電機的負載保持恒定（適用于發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行）。

模式三：頻率曲線模式，即控制

發(fā)電機負載變化時頻率的變化值（適用于對頻率有特殊要求的場合）。

模式四：負載分配模式（適用于發(fā)電機之間并聯(lián)或解列運行時進行負載分配和轉移）。

（3）保護及顯示功能。

PPU控制器具有標準的發(fā)電機保護功能，如過流保護、逆功保護等，并可通過對繼電器輸出進行配置，從而起到報警或斷開主開關等作用。此外，PPU控制器還可通過上位機軟件選擇對發(fā)電機及匯流排的過壓和欠壓保護、過頻和欠頻保護等其他保護功能。

PPU控制器可以通過串行通信將檢測到的電路參數(shù)送至LCD液晶顯示單元，實現(xiàn)在操作過程中方便實時地獲取和監(jiān)測電路參數(shù)。

三、“育鯤”號船舶電站PPU控制器工作原理分析

1. 兩臺柴油發(fā)電機并聯(lián)運行及負載分配過程

圖1為“育鯤”號船舶電站中任意兩臺并聯(lián)運行的柴油發(fā)電機的PPU控制器外部連線示意圖。PPU控制器對兩臺柴油發(fā)電機進行并車及負載分配的自動控制。

（1）自動并車過程。

圖1 發(fā)電機并聯(lián)運行負載分配電路連線圖

假設2#發(fā)電機為運行發(fā)電機，1#發(fā)電機為待并發(fā)電機。PPU控制器若想進行頻率調節(jié)、合閘操作、并車操作、模式選擇等控制操作，則25號端子必須為高電平。當1#PPU控制器的25號端子為高電平時，即對1#PPU控制器發(fā)出并車指令，此時1#PPU控制器輸出控制信號至1#發(fā)電機的速度調節(jié)器GOV，調節(jié)1#發(fā)電機的頻率，將其控制在設置的頻率范圍內。同時實時檢測并車條件，比較發(fā)電機與電網(wǎng)的頻率、電壓、相位之差，當兩者之差處于設置的允許范圍內時，1#PPU控制器的內部核心單片機將根據(jù)主開關固有動作時間和實際頻差進行計算，發(fā)出合閘脈沖信號，通過1#PPU控制器的17、18號端子輸出，控制1號主開關ACB1動作，實現(xiàn)并車。

（2）自動負載分配過程。

當1#發(fā)電機主開關合閘后，兩臺發(fā)電機開始并聯(lián)運行，此時1#和2#的PPU控制器同時通過內部繼電器，將控制器本身自動連接至有功功率負載分配線（PS）和無功功率負載分配線（QS），由37、38、39號端子進行負載分配。

2. 軸帶發(fā)電機與柴油發(fā)電機并聯(lián)運行及負載分配過程

由于“育鯤”號采用變矩槳，主機轉速恒定，因此決定了軸帶發(fā)電機的頻率恒定。只在切換發(fā)電機時，軸帶發(fā)電機才與柴油發(fā)電機作短暫并聯(lián)運行，用以進行負載轉移。因此無須控制軸帶發(fā)電機的PPU控制器功率和頻率，只需對其進行并車、負載轉移及保護控制。

圖2為“育鯤”號船舶電站中兩臺柴油發(fā)電機、一臺軸帶發(fā)電機及其各自的PPU控制器的連線示意圖。其中1#和2#發(fā)電機為柴油發(fā)電機，3#發(fā)電機為軸帶發(fā)電機。從該圖可以看出，軸帶發(fā)電機沒有轉速控制器GOV，轉速直接由主機轉速決定，為定值。下面分析并車和負載轉移的具體工作過程。

圖2“育鯤”號船舶電站中帶有軸帶發(fā)電機的并聯(lián)運行連線圖

（1）并車操作。

假設此時1#柴油發(fā)電機和2#柴油發(fā)電機已經(jīng)在電網(wǎng)上工作，軸帶發(fā)電機處于待并狀態(tài)。

當PLC程序控制SYNC SG動作時，繼電器C1得電，輔助觸點C1閉合，控制C1線圈在軸帶發(fā)電機主開關SCB閉合之前一直處于得電狀態(tài)。

當繼電器C1動作時，3#PPU控制器的端子25為高電平，此時1#和2#PPU控制器的端子50接至+24VDC，使得其工作在外部設定工作點狀態(tài)。同時，由于軸帶發(fā)電機的頻率受主機轉速控制，3#PPU控制器端子66、67便對1#和2#PPU控制器的端子40、41輸出轉速調節(jié)模擬量信號，改變1#和2#發(fā)電機的頻率設定值，由1#和2#PPU控制1#和2#發(fā)電機的頻率，使兩者滿足并車條件，實現(xiàn)軸帶發(fā)電機的并車操作。

（2）柴油發(fā)電機向軸帶發(fā)電機轉移負載。

當軸帶發(fā)電機并網(wǎng)運行后，柴油發(fā)電機需要向軸帶發(fā)電機轉移負載。

當PLC程序控制DE-LOAD DGS動作時，繼電器C3得電，1#和2#PPU的端子43有輸入信號，控制1#和2#發(fā)電機轉速下降，承擔負載減少，使得軸帶發(fā)電機承擔負載增大，直至1#和2#發(fā)電機的主開關斷開，繼電器C3失電，負載轉移結束。

（3）軸帶發(fā)電機向柴油發(fā)電機轉移負載。

當軸帶發(fā)電機準備解列時，其需將負載轉移至柴油發(fā)電機。

當PLC程序控制DE-LOAD SG動作時，繼電器C2得電，1#和2#PPU的端子50為高電平，使2個PPU控制器工作在外部設定工作點狀態(tài)。同時，3#PPU控制器的端子66、67輸出轉速調節(jié)模擬量信號至1#和2#PPU的端子40、41，控制1#和2#發(fā)電機頻率設定值增大，使得1#和2#發(fā)電機轉速上升，承擔負載增大，軸帶發(fā)電機承擔負載減少，直至軸帶發(fā)電機的主開關SCB斷開，繼電器C2失電，其負載全部轉移至柴油發(fā)電機。

四、結束語

DEIF公司生產(chǎn)的PPU控制器具有實現(xiàn)船舶電站自動化的功能，在陸地和船舶中得到了廣泛的應用。本文對PPU控制器進行功能和原理介紹，并以“育鯤”號船舶電站為例，對控制器的實船應用進行分析，著重于“育鯤”號船舶電站并車操作及負載轉移的自動控制過程，對掌握和熟悉PPU控制器的工作原理和工作過程具有一定的參考價值。

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