船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載方案設(shè)計(jì)

華春梅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

0 引言

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，船舶設(shè)備的自動(dòng)化程度越來越高，其對(duì)電力供應(yīng)的需求也越來越大，現(xiàn)代船舶對(duì)船舶電站的自動(dòng)化程度及其可靠性和安全性也提出了更高的要求。[1]

船舶電站是整個(gè)船舶的重要核心之一，由原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)）、發(fā)電機(jī)和主配電裝置組成。船舶電站自動(dòng)化需具備兩個(gè)基本條件：一是發(fā)電機(jī)組的起動(dòng)和停機(jī)、并車和解列、負(fù)荷分配、頻率調(diào)節(jié)等以及必要的保護(hù)功能必須實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，這是單元自動(dòng)化；二是在單元自動(dòng)化基礎(chǔ)上，各個(gè)單元按邏輯關(guān)系聯(lián)系起來，自動(dòng)運(yùn)行，形成船舶電站自動(dòng)化系統(tǒng)。各個(gè)單元功能中，發(fā)電機(jī)組的頻載調(diào)節(jié)是船舶電站自動(dòng)調(diào)節(jié)的重點(diǎn)與核心。

船舶電站并機(jī)與解列都會(huì)引起負(fù)荷變化，這不但會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸出功率發(fā)生變化，主電網(wǎng)上的頻率和電壓也會(huì)隨之改變，進(jìn)而影響在網(wǎng)設(shè)備的正常工作。為保證船舶電站正常工作，如滿足主電網(wǎng)頻率恒定、各發(fā)電機(jī)組有功負(fù)載均勻分配等，船舶電站柴油機(jī)需要具備自動(dòng)調(diào)速功能。由此可見，電站的頻載自動(dòng)調(diào)節(jié)目標(biāo)是船舶電站運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。

1 船舶電站電網(wǎng)變化規(guī)律

設(shè)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速且偏差很小，額定轉(zhuǎn)速為基準(zhǔn)值，則由能量守恒原理，發(fā)電機(jī)功率平衡方程為：

式中：PY為原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)）的有效功率；PF為負(fù)載消耗的有效功率；△P為機(jī)電損耗；TC為發(fā)電機(jī)慣性時(shí)間常數(shù)。若原動(dòng)機(jī)為柴油機(jī)，則PY決定于柴油機(jī)的供油量大小。電網(wǎng)負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，轉(zhuǎn)速變化率dn/dt=0；電網(wǎng)負(fù)載增大，即PF突然增加時(shí)，由于柴油機(jī)功率PY不能及時(shí)增加，存在滯后現(xiàn)象。

由上面公式可知，為保持平衡，dn/dt＜0，機(jī)組轉(zhuǎn)速降低，使電網(wǎng)頻率降低；同理，電網(wǎng)負(fù)載減小，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，dn/dt＞0，使電網(wǎng)頻率升高。這是因?yàn)镻F突然減小，而柴油機(jī)功率不能及時(shí)減小，為保持平衡所致。因此電站負(fù)載變化會(huì)使電網(wǎng)頻率產(chǎn)生波動(dòng)，可以在實(shí)船電站中配備調(diào)速器，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，以保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，在允許的范圍內(nèi)變化。

2 調(diào)頻調(diào)載

船舶電站中的各發(fā)電機(jī)組并車運(yùn)行，電網(wǎng)的功率分配是指有功功率分配（恒頻）和無功功率分配（恒壓），[2]無功功率分配通過發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓器的無功電流補(bǔ)償或者環(huán)流補(bǔ)償即可解決，一般不再另外配置。有功功率分配是主要研究問題。

作為原動(dòng)機(jī)的柴油機(jī)均配有機(jī)械或液壓調(diào)速器，由調(diào)速器特性可知，可采用“有差特性法”調(diào)整頻率以實(shí)現(xiàn)有功功率的自動(dòng)分配。即通過選配有差特性的調(diào)速器，使各個(gè)機(jī)組按機(jī)組容量比例承擔(dān)電網(wǎng)負(fù)載的變化。這種方法即為電網(wǎng)頻率“一次調(diào)節(jié)”。

2.1 電網(wǎng)頻率“二次調(diào)節(jié)”——虛有差法的調(diào)頻調(diào)載

通過上述電網(wǎng)頻率的“一次調(diào)節(jié)”，雖能使負(fù)荷自動(dòng)按機(jī)組容量分配，但電網(wǎng)頻率往往產(chǎn)生偏離。這就需要再次對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，成為電網(wǎng)頻率的“二次調(diào)節(jié)”，使電網(wǎng)頻率保持在額定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)有功功率的合理分配。實(shí)現(xiàn)方法有按負(fù)載頻率特性調(diào)節(jié)和按功率差和頻率差調(diào)節(jié)，功率差和頻率差調(diào)節(jié)即“虛有差法”。[3]“虛有差法”應(yīng)用廣泛，研究的是有功功率（恒頻）分配調(diào)節(jié)，[4]系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 按功率差和頻率差調(diào)節(jié)系統(tǒng)框圖

設(shè)兩臺(tái)并車運(yùn)行發(fā)電機(jī)組容量相等，U為船舶電站電網(wǎng)電壓，i1和i2為各發(fā)電機(jī)電流，F(xiàn)為電網(wǎng)系統(tǒng)頻率，取50 Hz，A1模塊計(jì)算輸出并車時(shí)各發(fā)電機(jī)組的頻率，即電網(wǎng)頻率，A2模塊計(jì)算輸出在網(wǎng)各機(jī)組功率，A3模塊計(jì)算輸出各機(jī)組平均功率，A4模塊為比較模塊。

具體工作過程是由綜合調(diào)節(jié)模塊A5計(jì)算出綜合功率差（發(fā)電機(jī)組實(shí)際功率與平均功率之差）和頻差后（電網(wǎng)實(shí)際頻率與設(shè)定值之差），輸出指令調(diào)節(jié)柴油機(jī)調(diào)速器的設(shè)定值，進(jìn)而調(diào)節(jié)各發(fā)電機(jī)組的功率分配和電網(wǎng)頻率，使其保持在合適的范圍。輸出信號(hào)用于調(diào)節(jié)變頻器的設(shè)定頻率。

2.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移

負(fù)荷轉(zhuǎn)移也稱負(fù)載轉(zhuǎn)移，是指發(fā)電機(jī)組解列即退出并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，其承擔(dān)的功率由其余在網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組承擔(dān)，主開關(guān)才能分閘。在這一過程中，既要避免調(diào)整時(shí)間過長(zhǎng)，也不能出現(xiàn)電網(wǎng)頻率波動(dòng)過大的現(xiàn)象。否則會(huì)造成發(fā)電機(jī)組功率分配不均（有功功率），使機(jī)組過載，甚至有可能使有的分閘機(jī)組轉(zhuǎn)入電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，出現(xiàn)逆功率情況。這將使主開關(guān)跳閘，保護(hù)裝置發(fā)生動(dòng)作。

負(fù)荷轉(zhuǎn)移方案可以借助于調(diào)頻調(diào)載方案實(shí)現(xiàn)。當(dāng)船舶電站機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，如起貨機(jī)、電動(dòng)錨機(jī)等負(fù)載經(jīng)常變化，各柴油發(fā)電機(jī)調(diào)速器都力圖按照各自的動(dòng)態(tài)特性穩(wěn)定工作。由于各機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性相差較大，因此，在此過程中頻率和有功功率的分配必定不均勻，有較大變化。在負(fù)載頻繁變動(dòng)的過渡期內(nèi)，為避免調(diào)速器裝置頻繁動(dòng)作造成振蕩和磨損，自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置一般都采用延時(shí)介入。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，由于各機(jī)組調(diào)速器的有差特性，系統(tǒng)的頻率和功率分配就會(huì)出現(xiàn)靜差，承擔(dān)負(fù)荷轉(zhuǎn)移的自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置只是在這時(shí)介入，根據(jù)這個(gè)偏差進(jìn)行調(diào)整。

3自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載硬件設(shè)計(jì)

以船舶電站兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的并車、解列為例，進(jìn)行調(diào)頻調(diào)載功能設(shè)計(jì)，搭建控制平臺(tái)。上位機(jī)選用工控機(jī)，下位機(jī)選用西門子S7-300系列PLC與兩臺(tái)丹麥DEIF公司的PPU（Protection and Parallel Uni）t相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)船舶電站調(diào)頻調(diào)載功能。其中S7-300PLC同時(shí)控制兩臺(tái)PPU，而每臺(tái)PPU則控制對(duì)應(yīng)的柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組。

3.1 PPU工作原理

PPU單元能夠進(jìn)行發(fā)電機(jī)組同步控制、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、調(diào)速器和自動(dòng)調(diào)壓器控制開關(guān)量輸出等控制功能，還具有逆功率、過流等保護(hù)功能，同時(shí)還能夠顯示交流電所有相關(guān)監(jiān)測(cè)參數(shù)等。PPU對(duì)發(fā)電機(jī)組的各項(xiàng)監(jiān)控功能以及與PLC間的信號(hào)連接如圖2所示。

圖2 PPU信號(hào)接線圖

對(duì)于負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)易出現(xiàn)電網(wǎng)頻率波動(dòng)而造成過載、逆功率等現(xiàn)象給電站設(shè)備造成損害的情況，設(shè)置6-9號(hào)端子接收檢測(cè)逆功率、過電流等信號(hào)，輸出分閘信號(hào)，避免電站設(shè)備損害。

并車信號(hào)由61號(hào)端子發(fā)出，同時(shí)25號(hào)端子負(fù)責(zé)接收此信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)并車及主開關(guān)自動(dòng)合閘；解列時(shí)，信號(hào)由63號(hào)端子發(fā)出，同時(shí)43號(hào)端子負(fù)責(zé)接收此信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)解列和主開關(guān)自動(dòng)分閘；54、55號(hào)端子反饋主開關(guān)的合閘與分閘信號(hào)，如果合閘失敗，輸出報(bào)警；船舶電站工作的自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載，實(shí)質(zhì)就是發(fā)電機(jī)組的速度調(diào)節(jié)，由65-68號(hào)端子輸出調(diào)速信號(hào)給電子調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的增減速；37、39號(hào)端子為負(fù)荷分配線，實(shí)現(xiàn)有功負(fù)荷和無功負(fù)荷在并車時(shí)的功率均勻，在解列時(shí)進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

3.2 PLC控制過程

結(jié)合PPU端子信號(hào)，設(shè)計(jì)PLC不同模塊功能，輸出響應(yīng)功能信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。圖3為PLC功能模塊接線圖。

圖3 PLC信號(hào)接線圖

PLC接收PPU發(fā)出的并車信號(hào)，立刻作出相應(yīng)反映。當(dāng)增機(jī)待并機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，先起動(dòng)待并機(jī)組，PLC接收到穩(wěn)定運(yùn)行反饋信號(hào)后發(fā)出自動(dòng)并車信號(hào)；當(dāng)增機(jī)待并機(jī)組處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，PLC直接發(fā)出自動(dòng)并車信號(hào)，實(shí)現(xiàn)并車。需要注意的是，在并車時(shí)可能發(fā)生待并機(jī)組無法自動(dòng)合閘，則需要自動(dòng)優(yōu)先卸載，把次要用電設(shè)備從主電網(wǎng)上斷開，以供主要電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，保證船舶安全運(yùn)轉(zhuǎn)避免發(fā)生意外。當(dāng)PLC接收到PPU的解列減機(jī)信號(hào)時(shí)，就不存在機(jī)組停機(jī)或運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)，PLC直接發(fā)出自動(dòng)解列信號(hào)給PPU。此時(shí)的分閘信號(hào)要有一個(gè)滯后，等待負(fù)荷轉(zhuǎn)移（包括功率分配和頻率穩(wěn)定） 完成后，PLC才發(fā)出自動(dòng)分閘信號(hào)，使待解列機(jī)組與電網(wǎng)斷開，在解列機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間后，PLC發(fā)出自動(dòng)停機(jī)信號(hào)，解列機(jī)組停機(jī)。

在實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載時(shí)，還設(shè)計(jì)有故障報(bào)警、待并機(jī)組啟動(dòng)失敗報(bào)警、主開關(guān)合閘失敗報(bào)警、逆功率與過電流報(bào)警等，由PLC發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警指示檢查排除。

4 自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載控制流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載控制功能的設(shè)計(jì)思想是以保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定并使各個(gè)機(jī)組的負(fù)荷均勻分布為目的。自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載控制流程圖如圖4所示。其中設(shè)置死區(qū)范圍是因?yàn)榇半娋W(wǎng)功率的絕對(duì)均勻是不可能的，過分追求這一指標(biāo)會(huì)使調(diào)速開關(guān)長(zhǎng)期反復(fù)動(dòng)作，并引起振蕩。所以當(dāng)功頻差在死區(qū)時(shí)，調(diào)速開關(guān)不動(dòng)作；當(dāng)參數(shù)超過死區(qū)范圍時(shí)，調(diào)速開關(guān)才動(dòng)作。

圖4 發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載控制流程

5 結(jié)論

通過對(duì)船舶電站功率分配特點(diǎn)以及調(diào)頻調(diào)載理論的研究，提出了應(yīng)用PPU和PLC聯(lián)合控制船舶電站調(diào)頻調(diào)載的方法，設(shè)計(jì)了船舶電站自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載方案，搭建了船舶電站調(diào)頻調(diào)載控制平臺(tái)，使控制功能和顯示功能更加方便實(shí)現(xiàn)，使功率分配更加精準(zhǔn)，頻率更加穩(wěn)定，對(duì)實(shí)際應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。