一種新型調(diào)速方式在船舶電站中的應(yīng)用

王永興，劉建設(shè)

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

目前，在船舶交流電力系統(tǒng)中，廣泛地采用了柴油發(fā)電機(jī)組。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，隨著電力電子及變頻調(diào)速技術(shù)的快速進(jìn)步，船舶電力推進(jìn)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)與其他日用負(fù)載通常采用同一船舶電站供電，這也導(dǎo)致船舶電站的容量越來(lái)越大，自動(dòng)化程度也越來(lái)越高。為了使各種電氣設(shè)備能夠可靠、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須保證船用柴油發(fā)電機(jī)組具有較高的發(fā)電品質(zhì)[1]。

為使柴油發(fā)電機(jī)組可以發(fā)出高品質(zhì)的電能，需要保持發(fā)電機(jī)組的電壓及頻率的穩(wěn)定。電壓由發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，頻率則由柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。頻率為衡量電能質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間有直接的計(jì)算關(guān)系。船用電網(wǎng)負(fù)荷一直處于實(shí)時(shí)變化之中，加上柴油機(jī)組工作環(huán)境的復(fù)雜性，所以保持柴油機(jī)組恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行是比較困難的。

作為調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的特定裝置，調(diào)速器在船舶電站中得到了廣泛的應(yīng)用。調(diào)速器的作用是通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)改變油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位置，進(jìn)而改變循環(huán)供油量，將柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到規(guī)定轉(zhuǎn)速范圍，維持柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定[2]。調(diào)速器按執(zhí)行機(jī)構(gòu)分類(lèi)，可分為機(jī)械式調(diào)速器、液壓調(diào)速器和電子調(diào)速器。目前一些具有負(fù)載分配功能的電子調(diào)速器也越來(lái)越多的應(yīng)用在船舶電站中，比如伍德沃德和海因茲曼公司的電子調(diào)速器。

目前船舶電站調(diào)速模式主要有下垂模式和恒頻模式。其中下垂模式模擬傳統(tǒng)的機(jī)械式調(diào)速特性，恒頻模式則由模擬量電子調(diào)速器輸出來(lái)控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。恒頻模式與下垂模式相比具有更好的頻率特性，而且可以柔和的改變各個(gè)并聯(lián)機(jī)組的負(fù)載而不改變系統(tǒng)頻率；下垂模式則應(yīng)用成熟，可以便捷地實(shí)現(xiàn)功率分配。

Easygen3400控制器是伍德沃德公司用于柴油發(fā)電機(jī)組的控制器?？刂破骶哂须娏骱碗妷夯ジ衅鹘涌?，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)的有功功率進(jìn)行計(jì)算，針對(duì)發(fā)電機(jī)的各種應(yīng)用提供功率管理功能[3]。本文以伍德沃德恒頻模式控制器（Easygen3400），再加上SIEMENS PLC+DEIF PPU組成的下垂模式控制器，提出了一種新型船舶電站控制模式。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 Easygen 3400控制器（恒頻模式）

本文船舶電站設(shè)計(jì)為四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組配置一套Easygen3400控制器。外形圖見(jiàn)圖1。

Easygen3400通過(guò)采集發(fā)電機(jī)的電壓、電流，然后控制器進(jìn)行計(jì)算各發(fā)電機(jī)的輸出功率，各模塊之間為CAN總線通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換后再進(jìn)行邏輯判斷，然后輸出4-20mA信號(hào)進(jìn)行柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速給定。

模塊接線圖見(jiàn)圖2。

圖1 Easygen3400外形圖

圖2 Easygen3400接線圖

各端子功能描述如下：

03~08端子取發(fā)電機(jī)電流樣值，接口類(lèi)型為5A。

30、32、34端子取發(fā)電機(jī)電壓樣值，接口類(lèi)型為480V。

38、40端子取母排電壓樣值，接口類(lèi)型為480V。

15、17端子輸出4~20mA電流信號(hào)控制柴油機(jī)：Easygen3400根據(jù)取樣的發(fā)電機(jī)電流值和電壓值，計(jì)算對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)的輸出功率，通過(guò)模塊之間的CAN線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，內(nèi)部邏輯判斷后輸出4~20mA電流信號(hào)控制柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配功能。

51、52端子送出GCB Open開(kāi)關(guān)量，用于把對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)組的GCB斷開(kāi)：GCB Open對(duì)應(yīng)的內(nèi)部故障Easygen3400已經(jīng)固化，即當(dāng)對(duì)應(yīng)的故障發(fā)生時(shí)，送出GCB斷開(kāi)信號(hào)，同時(shí)送出Stop Alarm信號(hào)。此時(shí)，故障機(jī)組從電網(wǎng)中脫開(kāi)，避免把整個(gè)系統(tǒng)拖垮，其他機(jī)組切換到下垂模式運(yùn)行，同時(shí)把所有Easygen3400恒頻模式關(guān)閉。排除故障后，機(jī)組重新并到運(yùn)行機(jī)組，整體切到恒頻模式繼續(xù)運(yùn)行。

53、54端子送出Stop Alarm開(kāi)關(guān)量：Stop Alarm對(duì)應(yīng)的內(nèi)部故障由用戶定義，當(dāng)對(duì)應(yīng)的故障發(fā)生時(shí)，送出Stop Alarm信號(hào)。任何一臺(tái)Easygen3400送出該信號(hào)，外部系統(tǒng)把所有機(jī)組都切到下垂模式，同時(shí)把所有Easygen3400恒頻模式關(guān)閉。

Stop Alarm定義的故障可分為A~F多個(gè)級(jí)別，當(dāng)C級(jí)（含C級(jí)）以上的故障發(fā)生時(shí)，Stop Alarm和GCB Open信號(hào)同時(shí)送出。當(dāng)C級(jí)以下故障發(fā)生時(shí)，不影響運(yùn)行，因此不送出信號(hào)，只是Easygen3400本地有指示燈亮，此時(shí)需要人工停機(jī)排除故障。

63、64端子為Easygen3400供電電源。

66端子為Easygen3400輸入的Common端。

68端子閉合輸入表示Easygen3400工作在恒頻模式。

73端子短接表示機(jī)組孤網(wǎng)運(yùn)行，不并到其他電網(wǎng)。

74端子斷開(kāi)輸入表示GCB處于閉合狀態(tài)。

78端子斷開(kāi)輸入表示母聯(lián)開(kāi)關(guān)處于閉合狀態(tài)。

1.2 PLC+PPU控制器（下垂模式）

本文船舶電站PMS（PLC+PPU）為2組完全冗余設(shè)計(jì)的S7-400系列PLC組成，硬件采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)PLC。在一組出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一組自動(dòng)運(yùn)行。執(zhí)行器采用的是DEIF公司的PPU3，可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)組調(diào)速調(diào)壓功能。

圖3 PLC+PPU下垂模式

Easygen3400的恒頻模式和PMS的下垂模式切換功能由PLC實(shí)現(xiàn)，PLC提供與調(diào)速器有關(guān)恒頻/下垂模式的相關(guān)接口。在恒頻控制模式時(shí)，并聯(lián)運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷分配由柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)（Easygen3400）實(shí)現(xiàn)，PPU不參與負(fù)荷分配的控制。在下垂控制模式時(shí)，由PPU負(fù)責(zé)柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷分配。

PMS（PLC+PPU）與恒頻模塊的接口設(shè)計(jì)為以下內(nèi)容：恒頻模式故障、恒頻模式設(shè)定及恒頻模式狀態(tài)反饋。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工作原理

1）下垂模式下，柴油機(jī)工作在開(kāi)關(guān)量調(diào)速模式下，通過(guò)開(kāi)關(guān)量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此時(shí)Easygen3400工作狀態(tài)處于“停止模式”，即模塊不工作。柴油機(jī)隨著負(fù)荷增加轉(zhuǎn)速有所下降，且所有柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速下降值相同，柴油機(jī)之間自動(dòng)進(jìn)行負(fù)荷分配，不需要Easygen3400。

2）恒頻模式下，柴油機(jī)工作在模擬量調(diào)速模式下，通過(guò)Easygen3400送出的4~20mA電流信號(hào)控制轉(zhuǎn)速，此時(shí)Easygen3400工作狀態(tài)處于“自動(dòng)模式”，即模塊正常運(yùn)行。柴油機(jī)負(fù)荷增加對(duì)轉(zhuǎn)速?zèng)]有影響，柴油機(jī)始終工作在恒定轉(zhuǎn)速下，柴油機(jī)之間的負(fù)荷分配通過(guò)Easygen3400控制柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)。

3）對(duì)于Easygen3400，任何時(shí)候兩種模式只能二選一。

機(jī)組起動(dòng)并車(chē)和卸載時(shí)只能工作在下垂模式（Easygen3400“停止模式”，柴油機(jī)開(kāi)關(guān)量調(diào)速），機(jī)組并車(chē)完成正常運(yùn)行后，才能切到恒頻模式（Easygen3400“自動(dòng)模式”，柴油機(jī)模擬量調(diào)速）。

機(jī)組由下垂模式進(jìn)入恒頻模式時(shí)，所有Easygen3400先進(jìn)入“自動(dòng)模式”，然后柴油機(jī)控制器受Easygen3400送出的4~20mA信號(hào)控制。機(jī)組由恒頻模式進(jìn)入下垂模式時(shí)，所有柴油機(jī)控制器取消接受Easygen3400的控制，Easygen3400進(jìn)入“停止模式”。

2.2 軟件設(shè)計(jì)流程

圖4 機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)流程圖

圖5 機(jī)組解列流程圖

圖6恒頻模式故障軟件設(shè)計(jì)

圖4為機(jī)組從啟動(dòng)投網(wǎng)到正常運(yùn)行的軟件設(shè)計(jì)流程圖。圖5為機(jī)組由正常運(yùn)行到解列的軟件設(shè)計(jì)流程圖。機(jī)組的啟動(dòng)并網(wǎng)指令及解列指令可以由人為（半自動(dòng)工況）和軟件自動(dòng)檢測(cè)（全自動(dòng)工況）給出。圖6為機(jī)組恒頻模式故障時(shí)軟件設(shè)計(jì)流程圖。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)船舶電站機(jī)組的調(diào)速方式進(jìn)行了探討，闡述了一種新型的使用伍德沃德電子調(diào)速器以及PLC和PPU的調(diào)速控制模式，詳細(xì)介紹了其硬件組成及軟件設(shè)計(jì)流程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李超.柴油發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)研究[D].大連海事大學(xué),2015.

[2] 王銘鋼,張德智,趙慧恩.Woodward電子調(diào)速器在240系列柴油發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置,2015,32（1）:65-66.

[3] 黃一民.兩種新型調(diào)速方式在船舶電站中的應(yīng)用前景分析[J].機(jī)電設(shè)備,2010,27（3）：3-4.