某船發(fā)電機并車模塊共用方案優(yōu)化

中圖分類號：U663.31 文獻標志碼：A

Optimization of the Shared Scheme for the Generator Paralleling Module on a Vessel

QIN Dengluo， LAI Li， LUO Ling（CSSCHuangpuWenchong ShipbuildingCo.，LTD.，Guangdong510715，China）

Abstract： A vessl uses a common paralleling scheme for multiple generators sharing a single paralleling module.The generators can normally paralel before maintenance，but after repairs， the speed sensitivity becomes inconsistent， and the speed control parameters of the paraleling module cannot match the speed response characteristics of all generators simultaneously， making paralleling difficult or impossible.Without altering the original hardware，a speed control instruction window is added in the software.For each generator， the window size is adjusted according toits speedsensitivityoptimizing the effectivenesofthe speed controlinstructions，allowing all generators to paralel smoothly.This method provides a new approach for automatic near-synchronization paralleling of generators in similar power stations.

Key words： generator paralleling module; command window; optimization

1 引言

船舶電站[一般裝設兩臺以上的同步發(fā)電機組作為主電源，多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行，同時向電網(wǎng)供電，以滿足各種工況的供電要求，同時獲得最經(jīng)濟、可靠和高效率的運行效果。船舶發(fā)電機組通常采用準同步合閘方式進行并車，即要求待并機組和電網(wǎng)的電壓、頻率和相位都調(diào)整到十分接近的時候，才允許合上主開關將待并發(fā)電機組并入電網(wǎng)[。

某船舶電站采用一套并車模塊實現(xiàn)多臺發(fā)電機組自動準同步并車功能。在發(fā)電機組修理后，各機組的調(diào)速靈敏度不一致，并車模塊的調(diào)速參數(shù)不能匹配所有機組的調(diào)速響應特性，導致并車困難，甚至不能并車。通過對并車模塊共用方案進行優(yōu)化，增加調(diào)速指令窗口，優(yōu)化了調(diào)速指令的效用，使各發(fā)電機均能順利并車。

2 電站系統(tǒng)組成

本船電站系統(tǒng)由四臺同步發(fā)電機組及其控制系統(tǒng)（含調(diào)壓裝置和調(diào)頻調(diào)載裝置）、一個岸電、一套主配電板和一套電力控制系統(tǒng)組成，電力控制系統(tǒng)由監(jiān)控臺、控制部件和測量部件組成。電力監(jiān)控臺PLC通過CANopen與控制部件通信，傳輸控制指令和狀態(tài)信息，包括發(fā)電機調(diào)速指令、主開關合/分閘指令、主開關通/斷狀態(tài)信息；通過Modbus與測量部件通信，傳輸電力參數(shù)測量值，包括各發(fā)電機和匯流排的電壓、電流、頻率、功率等參數(shù)測量值；并車模塊（ S 6 0 0 0 + S 6 1 0 0 ）用于實現(xiàn)自動準同步功能；觸摸屏用于顯示電力系統(tǒng)的參數(shù)和對電力系統(tǒng)進行控制。電站系統(tǒng)如圖1所示。

3 自動準同步并車原理

3.1自動準同步電路原理

自動準同步由電力控制系統(tǒng)實現(xiàn)，主要由并車模塊（ ）、同步方式選擇開關、PLC、觸摸屏和控制部件組成，如圖2所示。

S6000是輸入/輸出及保護模塊，提供綜合的保護，基本的輸入/輸出及數(shù)據(jù)引入，負載優(yōu)先脫扣及可編程模擬量輸出等功能，S6000包括了3相電源所有數(shù)據(jù)采集能力。

S6100是同步／負載分配模塊，提供了綜合的匯流排監(jiān)測及單臺發(fā)電機的控制、頻率穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、檢測/自動同步和有功/無功功率分配（本船只應用檢測和自動同步功能）。S6100測量和計算通過S6000模塊獲得的參數(shù)。

S6100和S6000兩個模塊通過CAN通信進行傳輸測量和計算參數(shù)，通過RS485傳輸同步信號。

同步方式選擇開關有手動、自動和檢測三個檔位，手動方式，并車模塊不工作；自動和檢測方式，并車模塊工作過程相同，區(qū)別在于PLC在自動方式時轉發(fā)合閘指令，而在檢測方式時則不轉發(fā)合閘指令。

PLC在自動和檢測同步方式時，接通并車模塊的輸入電路，接收并車模塊的調(diào)速指令和合閘指令，再轉發(fā)到控制部件，控制部件控制相應繼電器動作，觸發(fā)發(fā)電機組調(diào)速和開關合閘。

3.2自動準同步過程

同步方式選擇開關置于“自動”檔，在電力監(jiān)控臺觸摸屏上選擇需要合閘的主開關（發(fā)電機主開關、分段開關、跨接開關或岸電開關），按下“合閘”按鈕，PLC根據(jù)所選擇的主開關，識別出待并機組，將待并機組電壓接入S6000，將電網(wǎng)電壓接入S6100，同時接通并車模塊電源，并車模塊開始自動同步過程：S6100在每個調(diào)速周期，計算電網(wǎng)與待并機組的頻率差，若超過自動同步死區(qū)，則發(fā)出調(diào)速指令：頻率差為正，發(fā)出加速指令，頻率差為負，發(fā)出減速指令。S6100通過向待并發(fā)電機組發(fā)出調(diào)速指令，改變待并發(fā)電機組轉速，獲得并車所需的頻率差及相位差，當滿足并車的3個條件（頻率差、相位差、電壓差），且待并發(fā)電機組的頻率稍高于電網(wǎng)電壓的頻率時，S6100發(fā)出合閘信號。合閘信號在實際相位差為零稍前發(fā)出，以補償主開關的合閘時間延遲。PLC接收到S6100的合閘指令后，通過CANOpen將指令傳輸?shù)娇刂撇考?，控制部件接通相應繼電器，使所選擇的主開關合閘，控制部件檢測到主開關合閘狀態(tài)后，通過CANopen傳輸?shù)絇LC，PLC切斷并車模塊電源，并車模塊退出工作，自動準同步并車過程結束。

3.3并車模塊參數(shù)設置

通過并車模塊的參數(shù)設置，獲得自動同步過程的穩(wěn)定性和快速性，穩(wěn)定性和快速性是相互排斥的，需在兩者之間找到一個平衡點。一般設置以下參數(shù)：

1）自動同步穩(wěn)定：定義自動同步器的響應大小。

對比實際頻率差，控制器的控制信號大小由此參數(shù)確定。該參數(shù)設置值較大，可提高控制精度，但調(diào)節(jié)較慢；設置值較小，則會導致過調(diào)及不穩(wěn)定；

2）自動同步死區(qū)：確定自動同步器的動作范圍。自動同步器只有在頻率差超出死區(qū)時才作修正（與匯流排頻率相比較）。設置過窄會使同步器恒定精調(diào)，而過寬則會引起對應參考點的波動；3）最小調(diào)速脈沖寬度：定義最小的速度控制脈沖寬度，設置太低會導致調(diào)節(jié)過慢，設置太高又會導致超調(diào)；4）調(diào)速控制循環(huán)周期：定義兩次調(diào)速工作的最小間隔時間，設置太小可能導致轉速過調(diào)造成不穩(wěn)定，太大又會使調(diào)速過慢。

3.4并車模塊共用原理

并車模塊功能很強大，但本船只應用了其中的自動同步功能。在自動準同步過程中，并車模塊只對待并發(fā)電機組進行調(diào)速，當滿足并車條件時，發(fā)出合閘指令，完成并車的同步過程，退出工作。并車后的調(diào)壓和調(diào)頻調(diào)載由發(fā)電機控制系統(tǒng)完成。

本船通過PLC自動識別待并發(fā)電機組和自動切換電路，接通并車模塊與待并機組之間的控制線路，實現(xiàn)并車模塊共用。

4原自動準同步并車方案存在的問題

原自動準同步并車方案中存在的問題是并車模塊的調(diào)速參數(shù)不能匹配所有發(fā)電機組的調(diào)速響應特性。

由于并車模塊不能隨待并機組的變換而自動改變參數(shù)以匹配待并機組的調(diào)速響應特性，這就要求各發(fā)電機組對同一調(diào)速指令的響應一致或差異很小，否則，就要采取措施使并車模塊調(diào)速參數(shù)自動匹配待并發(fā)電機組的調(diào)速響應特性。因為，當發(fā)電機組的調(diào)速靈敏度不同時，對調(diào)速指令響應特性不同，調(diào)速靈敏度過大的發(fā)電機組，可能出現(xiàn)調(diào)速震蕩，造成并車困難或不能并車。

本船發(fā)電機組修理前，各機組的調(diào)速靈敏度基本一致，而且與并車模塊參數(shù)匹配，自動并車正常。發(fā)電機組修理后，各機組的調(diào)速靈敏度發(fā)生了變化，調(diào)試時發(fā)現(xiàn)1、3號發(fā)電機調(diào)速靈敏度很大，很短的調(diào)速指令就會產(chǎn)生很大的轉速變化；而2、4號發(fā)電機的調(diào)速靈敏度較小，但4號發(fā)電機的調(diào)速靈敏度比2號的大。修理廠家無法將發(fā)電機組調(diào)速靈敏度恢復到原來的狀態(tài)，自動準同步并車困難，合閘時會出現(xiàn)兩臺發(fā)電機功率分配拉扯、電壓波動，甚至跳閘解列。

5 自動準同步并車方案優(yōu)化

共用并車模塊需要解決的核心問題是如何使并車模塊的調(diào)速參數(shù)與待并機發(fā)電組的調(diào)速響應特性匹配。其優(yōu)化方案是通過設置指令窗口，在不改變并車模塊調(diào)速參數(shù)情況下，達到并車模塊調(diào)速參數(shù)自動匹配所有發(fā)電機組調(diào)速響應特性的效果。

所謂指令窗口，指的是一個時間段，指令只在該時間段內(nèi)有效，超出該時間段，指令將被剪裁掉。

根據(jù)自動準同步并車工作原理，并車模塊發(fā)出的調(diào)速指令需經(jīng)PLC轉發(fā)到待并機組調(diào)速器，因此，根據(jù)每臺發(fā)電機的調(diào)速靈敏度，在PLC中設置不同的指令窗口，讓調(diào)速指令通過指令窗口轉發(fā)到待并發(fā)電機組，原理如下：

設S6100調(diào)速控制循環(huán)周期為T1，調(diào)速指令窗口為T2。S6100在每個調(diào)速控制循環(huán)周期內(nèi)計算出調(diào)速指令并發(fā)出。PLC接收到S6100的調(diào)速指令時，打開調(diào)速指令窗口進行轉發(fā)，若 T1gt;T2 ，則調(diào)速指令窗口在T2后關閉，該指令只有T2時長內(nèi)有效，T2時長外的T1-T2部分被剪裁掉。若T1 ? T2 ，則該指令全部有效，調(diào)速指令窗口在T1后關閉。

以1號發(fā)電機為例，加速指令窗口實現(xiàn)PLC程序代碼如下（PLC型號為施耐德M340系列，程序采用ST語言編寫，PLC掃描周期設置為固定 1 5 m s ，調(diào)速指令窗口寬度 1 2 0 m s ）。

if RE（in_186）then（*加速指令上升沿時，打開指令

窗口，計數(shù)器復位*）Acc_count_G1：=O；（*加速器計數(shù)清零 ）in_186_G1 ： = 1 ；（*輸出加速指令*）end_if;if in_186then（*當S6100有加速指令發(fā)出時進行

如下處理*）inc（Acc_count_G1）；（*加速計數(shù)器計數(shù)*）ifAcc_count_G1gt;=8then（*指令窗口打開時間（ 1 5 × 8=1 2 0 m s ）到，關閉窗口*）in_186_G1：=0；（*加速指令窗口關閉時，停止輸

出加速指令*）end_if;else （ 當S6100沒有輸出加速指令時，停止輸

出加速指令 ）in_186_G1： = 0 end_if。

上述程序中in_186為S6100發(fā)出的加速指令，in_186_G1為經(jīng)過指令窗口后的1號發(fā)電機組加速指令，Acc_count_G1為1號發(fā)電機加速指令計數(shù)器。若程序判斷出當前待并機組為1號發(fā)電機，則令out_103：=in_186_G1，原程序是令out_103：=in_186，直接轉發(fā)S6100的加速指令。

6 優(yōu)化方案驗證

為了驗證增加調(diào)速指令窗口的作用，通過觀察同步表工作情況，可判斷同步過程的穩(wěn)定性。由于自動準同步并車時沒有接入同步表，觀察不到同步情況。將在網(wǎng)和待并機組的電壓接入同步表，通過觀察同步表工作情況判斷自動同步過程的情況。

未加調(diào)速指令窗口進行并車操作時，觀察到同步表指示燈一直處于快速旋轉中，而且在合閘時，旋轉速度也很快。

增加調(diào)速指令窗口后，將電網(wǎng)電壓和待并機組電壓接入同步表，斷開合閘線路，模擬自動準同步并車過程，通過改變指令窗口大小，觀察同步表的工作狀態(tài)。當同步表同步指示燈亮起且發(fā)光二極管旋轉較緩慢時，將此時的指令窗口大小作為該待并機組的指令窗口；然后，接通合閘線路，進行實際自動準同步并車，此時可正常并車。通過上述方法確定1號、2號、3號、4號等發(fā)電機組調(diào)速指令窗口寬度分別為 1 2 0 m s 、750ms、 1 2 0 m s ！ 3 7 5 m s 。

設置了調(diào)速指令窗口之后，各機組調(diào)速比較平穩(wěn)，均能正常并車。

7 結論

采用并車模塊共用方案，可簡化電站系統(tǒng)，提高經(jīng)濟性。但是，當發(fā)電機組調(diào)速靈敏度不一致時會導致并車困難或無法并車。在不改變硬件配置的情況下，通過在軟件中增加調(diào)速指令窗口，是解決該問題的一個可行的方案。此方案可推廣應用于同類型電站的發(fā)電機組自動準同步并車，為該型船電站后續(xù)保障提供一個新方法和新思路。

參考文獻

[1]林華峰.船舶電站[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學大學出版社.1998.