船舶電站自動調(diào)頻調(diào)載方案設(shè)計

華春梅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧興城125105）

0 引言

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

船舶電站是整個船舶的重要核心之一，由原動機（柴油機）、發(fā)電機和主配電裝置組成。船舶電站自動化需具備兩個基本條件：一是發(fā)電機組的起動和停機、并車和解列、負荷分配、頻率調(diào)節(jié)等以及必要的保護功能必須實現(xiàn)自動控制，這是單元自動化；二是在單元自動化基礎(chǔ)上，各個單元按邏輯關(guān)系聯(lián)系起來，自動運行，形成船舶電站自動化系統(tǒng)。各個單元功能中，發(fā)電機組的頻載調(diào)節(jié)是船舶電站自動調(diào)節(jié)的重點與核心。

船舶電站并機與解列都會引起負荷變化，這不但會導(dǎo)致發(fā)電機的轉(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隨之改變，進而影響在網(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)電機組有功負載均勻分配等，船舶電站柴油機需要具備自動調(diào)速功能。由此可見，電站的頻載自動調(diào)節(jié)目標是船舶電站運行的穩(wěn)定性與可靠性。

1 船舶電站電網(wǎng)變化規(guī)律

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

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

由上面公式可知，為保持平衡，dn/dt＜0，機組轉(zhuǎn)速降低，使電網(wǎng)頻率降低；同理，電網(wǎng)負載減小，發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加，dn/dt＞0，使電網(wǎng)頻率升高。這是因為PF突然減小，而柴油機功率不能及時減小，為保持平衡所致。因此電站負載變化會使電網(wǎng)頻率產(chǎn)生波動，可以在實船電站中配備調(diào)速器，使柴油機轉(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)電機組并車運行，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)電機的自動調(diào)壓器的無功電流補償或者環(huán)流補償即可解決，一般不再另外配置。有功功率分配是主要研究問題。

作為原動機的柴油機均配有機械或液壓調(diào)速器，由調(diào)速器特性可知，可采用“有差特性法”調(diào)整頻率以實現(xiàn)有功功率的自動分配。即通過選配有差特性的調(diào)速器，使各個機組按機組容量比例承擔(dān)電網(wǎng)負載的變化。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)”，雖能使負荷自動按機組容量分配，但電網(wǎng)頻率往往產(chǎn)生偏離。這就需要再次對其進行調(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)，實現(xiàn)有功功率的合理分配。實現(xiàn)方法有按負載頻率特性調(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)兩臺并車運行發(fā)電機組容量相等，U為船舶電站電網(wǎng)電壓，i1和i2為各發(fā)電機電流，F(xiàn)為電網(wǎng)系統(tǒng)頻率，取50 Hz，A1模塊計算輸出并車時各發(fā)電機組的頻率，即電網(wǎng)頻率，A2模塊計算輸出在網(wǎng)各機組功率，A3模塊計算輸出各機組平均功率，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計算出綜合功率差（發(fā)電機組實際功率與平均功率之差）和頻差后（電網(wǎng)實際頻率與設(shè)定值之差），輸出指令調(diào)節(jié)柴油機調(diào)速器的設(shè)定值，進而調(diào)節(jié)各發(fā)電機組的功率分配和電網(wǎng)頻率，使其保持在合適的范圍。輸出信號用于調(diào)節(jié)變頻器的設(shè)定頻率。

2.2 負荷轉(zhuǎn)移

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

負荷轉(zhuǎn)移方案可以借助于調(diào)頻調(diào)載方案實現(xiàn)。當(dāng)船舶電站機組并聯(lián)運行時，如起貨機、電動錨機等負載經(jīng)常變化，各柴油發(fā)電機調(diào)速器都力圖按照各自的動態(tài)特性穩(wěn)定工作。由于各機組的動態(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。在負載頻繁變動的過渡期內(nèi)，為避免調(diào)速器裝置頻繁動作造成振蕩和磨損，自動調(diào)頻調(diào)載裝置一般都采用延時介入。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，由于各機組調(diào)速器的有差特性，系統(tǒng)的頻率和功率分配就會出現(xiàn)靜差，承擔(dān)負荷轉(zhuǎn)移的自動調(diào)頻調(diào)載裝置只是在這時介入，根據(jù)這個偏差進行調(diào)整。

3自動調(diào)頻調(diào)載硬件設(shè)計

以船舶電站兩臺柴油發(fā)電機組的并車、解列為例，進行調(diào)頻調(diào)載功能設(shè)計，搭建控制平臺。上位機選用工控機，下位機選用西門子S7-300系列PLC與兩臺丹麥DEIF公司的PPU（Protection and Parallel Uni）t相結(jié)合來實現(xiàn)船舶電站調(diào)頻調(diào)載功能。其中S7-300PLC同時控制兩臺PPU，而每臺PPU則控制對應(yīng)的柴油發(fā)電機機組。

3.1 PPU工作原理

PPU單元能夠進行發(fā)電機組同步控制、負荷轉(zhuǎn)移、調(diào)速器和自動調(diào)壓器控制開關(guān)量輸出等控制功能，還具有逆功率、過流等保護功能，同時還能夠顯示交流電所有相關(guān)監(jiān)測參數(shù)等。PPU對發(fā)電機組的各項監(jiān)控功能以及與PLC間的信號連接如圖2所示。

圖2 PPU信號接線圖

對于負荷轉(zhuǎn)移時易出現(xiàn)電網(wǎng)頻率波動而造成過載、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號端子接收檢測逆功率、過電流等信號，輸出分閘信號，避免電站設(shè)備損害。

并車信號由61號端子發(fā)出，同時25號端子負責(zé)接收此信號，實現(xiàn)自動并車及主開關(guān)自動合閘；解列時，信號由63號端子發(fā)出，同時43號端子負責(zé)接收此信號，實現(xiàn)自動解列和主開關(guān)自動分閘；54、55號端子反饋主開關(guān)的合閘與分閘信號，如果合閘失敗，輸出報警；船舶電站工作的自動調(diào)頻調(diào)載，實質(zhì)就是發(fā)電機組的速度調(diào)節(jié)，由65-68號端子輸出調(diào)速信號給電子調(diào)速器，實現(xiàn)發(fā)電機組的增減速；37、39號端子為負荷分配線，實現(xiàn)有功負荷和無功負荷在并車時的功率均勻，在解列時進行負荷轉(zhuǎn)移。

3.2 PLC控制過程

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

圖3 PLC信號接線圖

PLC接收PPU發(fā)出的并車信號，立刻作出相應(yīng)反映。當(dāng)增機待并機組處于停機狀態(tài)時，先起動待并機組，PLC接收到穩(wěn)定運行反饋信號后發(fā)出自動并車信號；當(dāng)增機待并機組處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，PLC直接發(fā)出自動并車信號，實現(xiàn)并車。需要注意的是，在并車時可能發(fā)生待并機組無法自動合閘，則需要自動優(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)備的正常運行，保證船舶安全運轉(zhuǎn)避免發(fā)生意外。當(dāng)PLC接收到PPU的解列減機信號時，就不存在機組停機或運行狀態(tài)的檢測，PLC直接發(fā)出自動解列信號給PPU。此時的分閘信號要有一個滯后，等待負荷轉(zhuǎn)移（包括功率分配和頻率穩(wěn)定） 完成后，PLC才發(fā)出自動分閘信號，使待解列機組與電網(wǎng)斷開，在解列機組運行一段時間后，PLC發(fā)出自動停機信號，解列機組停機。

在實現(xiàn)船舶自動調(diào)頻調(diào)載時，還設(shè)計有故障報警、待并機組啟動失敗報警、主開關(guān)合閘失敗報警、逆功率與過電流報警等，由PLC發(fā)出報警信號，報警指示檢查排除。

4 自動調(diào)頻調(diào)載控制流程設(shè)計

自動調(diào)頻調(diào)載控制功能的設(shè)計思想是以保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定并使各個機組的負荷均勻分布為目的。自動調(diào)頻調(diào)載控制流程圖如圖4所示。其中設(shè)置死區(qū)范圍是因為船舶電網(wǎng)功率的絕對均勻是不可能的，過分追求這一指標會使調(diào)速開關(guān)長期反復(fù)動作，并引起振蕩。所以當(dāng)功頻差在死區(qū)時，調(diào)速開關(guān)不動作；當(dāng)參數(shù)超過死區(qū)范圍時，調(diào)速開關(guān)才動作。

圖4 發(fā)電機組自動調(diào)頻調(diào)載控制流程

5 結(jié)論

通過對船舶電站功率分配特點以及調(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)計了船舶電站自動調(diào)頻調(diào)載方案，搭建了船舶電站調(diào)頻調(diào)載控制平臺，使控制功能和顯示功能更加方便實現(xiàn)，使功率分配更加精準，頻率更加穩(wěn)定，對實際應(yīng)用具有一定參考價值。