“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設計、目前世界上最先進的專用遠洋教學實習船之一。“育鯤”號船舶電站采用了丹麥DEIF公司生產的發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臺柴油發電機和1臺軸帶發電機組成，在每臺發電機的控制屏上均安裝PPU控制器作為核心控制器，相應地實現每臺發電機的檢測、控制和保護功能，并可通過串行通信與其他控制器進行聯系，從而實現船舶電站的自動化。

PPU（Generator Paralleling and Protection Unit）是一種基于微處理器技術的發電機控制和保護單元，能夠實現所有控制發電機所需的功能。PPU控制器包含發電機三相檢測電路，可控制發電機進行同步并車操作，并在同步運行后進行必需的發電機控制和保護。系統中主要參數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利用微處理器進行運算，獲得控制信號后，通過數字和模擬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，可以很好地實現實時控制。

2. 主要功能介紹

PPU控制器主要用于多臺發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電機的功率和頻率，從而實現在各種不同的應用環境下對發電機的適當控制。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，即控制發電機的負載保持恒定（適用于發電機與電網并聯運行）。

模式三：頻率曲線模式，即控制

發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（適用于發電機之間并聯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送至LCD液晶顯示單元，實現在操作過程中方便實時地獲取和監測電路參數。

三、“育鯤”號船舶電站PPU控制器工作原理分析

1. 兩臺柴油發電機并聯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運行的柴油發電機的PPU控制器外部連線示意圖。PPU控制器對兩臺柴油發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 發電機并聯運行負載分配電路連線圖

假設2#發電機為運行發電機，1#發電機為待并發電機。PPU控制器若想進行頻率調節、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控制器發出并車指令，此時1#PPU控制器輸出控制信號至1#發電機的速度調節器GOV，調節1#發電機的頻率，將其控制在設置的頻率范圍內。同時實時檢測并車條件，比較發電機與電網的頻率、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主開關固有動作時間和實際頻差進行計算，發出合閘脈沖信號，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，實現并車。

（2）自動負載分配過程。

當1#發電機主開關合閘后，兩臺發電機開始并聯運行，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. 軸帶發電機與柴油發電機并聯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，因此決定了軸帶發電機的頻率恒定。只在切換發電機時，軸帶發電機才與柴油發電機作短暫并聯運行，用以進行負載轉移。因此無須控制軸帶發電機的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電機、一臺軸帶發電機及其各自的PPU控制器的連線示意圖。其中1#和2#發電機為柴油發電機，3#發電機為軸帶發電機。從該圖可以看出，軸帶發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電機的并聯運行連線圖

（1）并車操作。

假設此時1#柴油發電機和2#柴油發電機已經在電網上工作，軸帶發電機處于待并狀態。

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線圈在軸帶發電機主開關SCB閉合之前一直處于得電狀態。

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。同時，由于軸帶發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輸出轉速調節模擬量信號，改變1#和2#發電機的頻率設定值，由1#和2#PPU控制1#和2#發電機的頻率，使兩者滿足并車條件，實現軸帶發電機的并車操作。

（2）柴油發電機向軸帶發電機轉移負載。

當軸帶發電機并網運行后，柴油發電機需要向軸帶發電機轉移負載。

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#發電機轉速下降，承擔負載減少，使得軸帶發電機承擔負載增大，直至1#和2#發電機的主開關斷開，繼電器C3失電，負載轉移結束。

（3）軸帶發電機向柴油發電機轉移負載。

當軸帶發電機準備解列時，其需將負載轉移至柴油發電機。

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。同時，3#PPU控制器的端子66、67輸出轉速調節模擬量信號至1#和2#PPU的端子40、41，控制1#和2#發電機頻率設定值增大，使得1#和2#發電機轉速上升，承擔負載增大，軸帶發電機承擔負載減少，直至軸帶發電機的主開關SCB斷開，繼電器C2失電，其負載全部轉移至柴油發電機。

四、結束語

DEIF公司生產的PPU控制器具有實現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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