（检测技术与自动化装置专业论文）船舶电站自动监控系统的设计与研究.pdf

中文摘要 摘要 船舶电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，电站自动化最主要目的在于 保证船舶供电的连续性、可靠性和供电品质。在具有多台发电机组并联供电的船 舶电站中，要实现船舶电站的自动化，必须将各个环节有机的联系起来，组成一 个总体控制系统，收集来自各发电机、断路器、电网以及主要负载的必要信息和 参数，并加以分析、判断，在合适条件下自动采取适当的措施，处理电站运行中 可能出现的各种情况，并根据电站的负载进行必要的控制。 可编程逻辑控制器( p l c ) 作为控制系统的核心装置，功能强大、性能稳定可 靠，在现代工业自动化生产中得到了广泛的应用。 一一， 本文研究的电站自动监控系统采用分布式结构，由一台工控机和三个发电机 组子系统单元组成。各个发电机子系统由一组p l c 控制模块构成，能够独立完成 发电机组的起动、并车、调频调载、停机解列等功能。工控机与三个p l c 子系统 间采用p r o f i b u s 现场总线进行通信，构成了“双向 通信机制，彻底下放了控 制功能。本文着重阐述了子系统内重要p l c 功能模块的实现方法，以及上位机 m c g s 组态软件进行界面设计的方案。通过对船舶电站总体功能的分析，确定输 入输出点数，进行硬件选型和组态，并提出了实现船舶电站自动控制装置整体 以及各部分功能的具体控制策略。 最后，针对发电机组并车中的调频环节，本文提出了“权重自调整模糊p i d 控制器的理论构想。并运用m a t l a b 软件，结合船舶电站发电机组的特性，进 行了系统建模和仿真，将模糊- p i d 控制算法与普通的模糊、p i d 控制算法的响应 曲线进行了比较，结果表明该算法比采用单独模糊、p i d 算法的控制效果要好。 关键词：船舶电站；自动控制；模糊控制；建模仿真；频率调节 英文摘要 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o no fs h i pp o w e rs t a t i o np l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ne n g i n er o o m s a u t o m a t i o n t h em a i nf u n c t i o no fs h i pp o w e rs t a t i o ni st o k e e pt h ec o n t i n u i t y , r e l i a b i l i t ya n dq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y i nas h i pp o w e rs t a t i o nw h i c hh a sm o r et h a n o n eg e n e r a t o r , i ft h ea u t o m a t i o no fs h i pp o w e rs t a t i o ni se x p e c t e dt ob ec a r r i e do u t ，i t h a st oc o n t a c te a c hg e n e r a t o ro r g a n i c a l l yt oc o n s t i t u t eat o t a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s u s e dt oc o l l e c ta n da n a l y z et h em a i ni n f o r m a t i o na n dp a r a m e t e r sa b o u tt h ee n g i n e , g e n e r a t o r s ，c h o p p e r s ，b u sb a ra n dm a i nl o a d sa n dm a k ej u d g m e n t s t h ec o n t r o l s y s t e mt h e na d o p t sp r o p e rm e a s u r e su n d e rt h ea p p r o p r i a t ec o n d i t i o ni no r d e rt oc o p e 诵m 翘，k i n d so fp r o b l e m st h a tm a y 删i nt h ec o u r s eo ft h es h i pp o w e rs t a t i o n s o p e r a t i o n a n dt h es y s t e ms h o u l dm a k en e c e s s a r yc o n t r o lm e t h o d sb a s e d o nt h el o a d s t h ep r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e ro a l c ) t a k e na st h ec o r ed e v i c eh a ss t r o n g f u n c t i o na sw e l la ss t a b l ea n dr e l i a b l ep e r f o r m a n c e i ti sw i d d yu s e di nt h ea u t o m a t i c t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m 硒md i s t r i b u t e d s t r u c t u r e t h es y s t e mi sc o m p o s e do fo n ei n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h r e es u b g e n e r a t o rs y s t e m e a c hs u b s y s t e m ，w h i c hi sc o r e db yas e to fp l cc o n t r o lm o d u l e s ， c o u l dc o m p l e t eas e r i e so ff u n c t i o ni n d e p e n d e n t l y , i n c l u d i n ga u t o m a t i cs t a r tm o d u l e , a u t o m a t i cp a r a l l e l i n gm o d u l e ，f r e q u e n c ya n dp o w e ra u t o m a t i cc o n t r o lm o d u l e ，a n d a u t o m a t i cs t o pm o d u l e t h ei n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ra n dt h et h r e es u bg e n e r a t o r s y s t e m sc o m m u n i c a t et h r o u g hp r o f i b u s - d pf i e l d b u s ，c o n s t i t u t i n gi n t e r c o m m u n i c a t i o n , a n dp u tt h ec o n t r o lf u n c t i o n sd o w ne n t i r e l y t h i sp a p e rf o c u s e s0 1 1t h er e a l i z a t i o no f m a i nf u n c t i o nm o d u l e si nt h es u b s y s t e mw i 廿lp l ct e c h n o l o g ya n dt h ei n t e r f a c e d e s i g n e dw i t hm c g sc o n f i g u r a b l e s o f t w a r e b ya n a l y z i n gt h es h i pp o w e rs t a t i o na n d e n s u r i n gt h en u m b e ro fi n p u ta n do u t p u tp o r t s ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sh o wt oc a r r yo u t t h eh a r d w a r ec h o o s i n ga n dc o n f i g u r a t i o n a n dt h i sp a p e rp r o p o s e st h ec o n c r e t e c o n t r o ls t r a t e g yt or e a l i z et h ef u n c t i o no ft h ep a r t i a la n dt h ew h o l eo ft h ea u t o m a t i c c o n t r o ld e v i c e so ft h es h i p p i n gp o w e rs t a t i o n f i n a l l y , a i m i n ga tt h ea d j u s t m e n to ff r e q u e n c yi na u t o m a t i cp a r a l l e l i n gp a r t ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e sam e t h o do fa u t ow e i g h ta d j u s t i n gf u z z y - p i dc o n t r o l l e r b yu s i n g m a t l a bs o f t w a r e , c o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a r i n eg e n e r a t o r , t h ep a p e r e s t a b l i s h e sam o d e lo fp o w e rs t a t i o ns y s t e ma n dc o m p l e t e ss i m u l a t i o n , a n dm a k e s c o m p a r eb e t w e e nt h ef u z z y - p i da l g o r i t h ma n dt h es o l ea l g o r i t h m ：f u z z ya l g o r i t h m 英文摘要 a n dp i da l g o r i t h m t h ea n a l y t i c a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c to ff u z z y - p i da l g o r i t h m i sb e t t e rt h a nt h eo t h e rt w oa l g o r i t h m s k e yw o r d s ：s h i pp o w e rs t a t i o n ：a u t o - c o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；m o d e l i n g s i m u l a t i o n ；f r e q u e n c ya d j u s t m e n t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 龃舶电盐自麴堕蕉丕筮的遮让皇婴塞：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 二硷二! 鸟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“ ) 论文作者繇锄，呜导师躲沈 日期：训夕年1 月多日 船舶电站自动监控系统的设计与研究 第1 章绪论 1 1 船舶电站自动化概述 船舶电站是船舶的重要组成部分，电站运行的可靠性、经济性及自动化程度 对保证船舶的安全运行有重要的意义【1 1 。早在2 0 世纪6 0 年代初期，日本、英国、 德国等国家就开始进行船舶电站单元自动化控制的研究，代表性的产品有英国的 m m f 自动并车装置、日本的x e t 自动并车和x p t 自动负荷分配装置。2 0 世纪 8 0 年代，随着微型计算机的发展和推广应用，出现了微机的单机控制系统，如 丹麦s e m c o 公司的a 蹦电站自动控制系统。近年来，由于微机网络技术的日趋 成熟，国内外已研制出分布式网络型电站自动控制系统；如s i e m e n s 、a e g 、 d i e f 等大公司的产品及我国上海船研所的c y 8 8 0 2 c 等。这些系统在各种船舶电 站控制中得到了广泛的应用 2 - 4 1 。 1 2 船舶电站监控系统体系结构的发展 随着近三十年自动控制技术的进步，船舶电站监控系统的性能也得到了大幅 度的提升。按照船舶电站的结构特点，可大致分成三个发展阶段【5 】： ( 1 ) 集中式监控系统( c c s ：c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ) 集中式监控系统于八十年代占主导地位，采用单片机、p l c 、s l c 或微机作 为控制器。系统可对船舶电站运行时的数十个参数进行集中监控。集中式监控系 统的优点是替代了十几个模拟调节器的工作，如温度、压力、转速等调节器。船 员在集控室内便可了解和掌握电站设备的运行情况。但由于其仍然采用模拟量通 信信号，整个系统的造价昂贵；并且集中控制也产生了风险集中的后果，一旦出 现设备故障可能造成整个电站监控系统的失控或瘫痪。其系统结构如图1 1 所示。 第1 章绪论 l 显示打印 报警操作台 上上上上 p l c 单片机微型计算机 j ljl a d 转换d a 转换 tt 测量及变换单元执行机构 t 。 l 监测对象控匍对象 图1 1 集中式监控系统结构图 f i g1 1c c sc o n t i g u r a t l o n ( 2 ) 集散式监控系统( d c s ：d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 进入九十年代，微型计算机技术迅速发展为电站监控系统的进步提供了强有 力的支持。集散型控制系统是计算机( c o m p u t e r ) 、通信( c o m m u n i c a t i o n ) 、显 示( c r t ) 和控制( c o n t r 0 1 ) 技术的产物( 简称四c 技术) 。其核心思想是集中 管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台 下位机下放分散到现场实现分布式控制。因此，这种分布式的控制系统体系结构 有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。 其系统结构如图1 2 所示。 图1 2 集散式监控系统结构图 f i g1 2i ) c sc o n f i g u r a t i o n 2 船舶电站自动监控系统的设计与研究 ( 3 ) 现场总线式监控系统( f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 现场总线式监控系统是由集散式监控系统发展而来，但与集散式监控系统相 比有了实质性的进步。由于智能设备的出现，在现场即可完成数据采集、数据处 理、控制运算和数据输出等功能。这样就要求通信具有“双向性 ，而大部分集 散式系统的通信接口互联方式不满足此要求。现场总线式监控系统正是顺应以上 潮流而诞生的，它用现场总线这一开放的、具有可互操作的网络将现场各控制器 及仪表设备互连，构成现场总线监控系统，同时监控功能彻底下放到现场，提高 了现场信息的可利用程度，降低了安装成本和维护费用。其系统结构如图1 3 所 示。 图1 3 现场总线式监控系统结构图 f i g1 3f c sc o n f i g u r a t i o n 本船舶电站监控系统的架构正是基于p r o f i b u s d p 总线式结构。 1 3p l c 可编程控制器在船舶电站监控系统中的应用 船舶电站需要其监控系统长时间运行。并且电站元器件结构复杂，控制设备 不可避免会受到干扰。因此，电站监控系统的设计首先要保证其稳定可靠。而电 站自身又具有动作复杂、频繁的特点，这就需要较多执行元件进行控制。 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ) 通常称为可编程逻辑控制器( 又称 3 第1 章绪论 为可编程控制器) ，它是一种以微处理器为基础，综合了现代计算机技术、自动 化技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置【6 】。由于它拥有体积 小、功能强、程序设计简单，以及维护方便等特点，特别是p l c 适应恶劣的工 业环境的能力和高可靠性，使其应用越来越广泛。 p l c 技术能够完美的实现上述要求，其优点如下阴： ( 1 ) 可靠性高、抗干扰能力强 p l c 是专为工业控制设计的，能适应工业现场的恶劣环境。在p l c 的设计 和制造过程中，采取了多层次抗干扰及精选元器件等措施，使p l c 的平均无故 障时间通常在2 0 0 0 0 小时以上，这是一般的其他设备做不到的。 ( 2 ) 所需添加设备数量少 一般的p l c 都有上百个内部辅助继电器，还有多种内部专用继电器，可节 约大量的中间继电器。另外，当需要较多的i o 时，可方便的添加扩展模块。 ( 3 ) 易于操作维护 p l c 的控制程序无须更改硬件，通过修改其内部辅助继电器程序即可完成逻 辑控制的更改。p l c 还具有很强的自诊断能力，能随时检查出自身的故障，并显 示给操作人员。 1 4 本文研究的主要内容 本课题设计了基于p l c 的现场总线式控制系统，每个发电机组都有其独立 的p l c 控制单元，并通过r r o f i b u s d p 总线结构进行与上位机双向的数据通信。 本文研究的内容分为以下几部分： ( 1 ) 船舶电站监控系统的功能及其原理。 该部分是整个船舶电站监控系统设计的基础，为后文的p l c 实现提供了理论 依据。 ( 2 ) 船舶电站监控系统的p l c 实现。 该部分针对下位机的p l c 设计实现进行详细的介绍。先从总体上概况了总 线式系统的结构特点，再详细说明了各操作级所选用的硬件设备，最后对电站控 制子系统的重要功能模块的设计进行了细致的说明。 ( 3 ) 基于m c g s 组态软件的上位机监控功能设计 该部分主要工作为设计上位机操作界面。本文应用m c g s 组态软件编写界 4 船舶电站自动监控系统的设计与研究 面，力求界面设计简洁清晰，便于用户操作管理。 ( 4 ) 模糊控制在船舶电站并车中应用的研究 该部分尝试在船舶电站并车过程中运用一种新型的模糊控制算法。并在 s i m u l i n k 仿真环境下，对各种算法的控制曲线进行了比较分析。 5 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 2 1 船舶电站自动监控系统的组成 船舶电站自动控制系统一般由三大主要子系统组成，即自动控制子系统、安 全保护子系统和自动监测报警子系统【8 1 。 2 1 1 自动控制子系统 自动控制子系统是船舶电站的核心，它主要完成以下控制功能： ( 1 ) 电压自动调整：电压自动调整就是对发电机励磁电流的自动调节，从 而使发电机输出电压稳定。衡量电压调节的性能指标有两个，即静态特性和动态 特性。一般情况下，静态电压调整率不超过额定电压的z 5 ；动态电压调整率 应不超过额定电压的1 5 ，恢复时间不超过1 5 s ( 电压波动3 额定电压) 。 ( 2 ) 机组自动起动：机组自动起动应具有三次起动功能，若三次起动失败 要给出报警指示。出现下列情况时，应使备用机组自动启动：电网失点；运 行机组平均功率大于8 5 p e ；运行机组出现故障或停机；机组接到人工起动 指令。 ( 3 ) 首次自动投入：在电网失电时，备用机组自动起动，最先起动成功的 备用机组投入电网运行。 ( 4 ) 自动同步并车：电站系统需要增加机组时，备用机组起动成功后，自 动进入同步并车程序。并车一般需要满足三个条件：电压相等；频率相同； 相位差为零。在三个条件满足后发出合闸信号，一般合闸信号要提前几十毫秒 发出，并且待并发电机频率要略大于电网频率。 ( 5 ) 自动调频调载：对己投入电网运行的发电机组实现频率和有功负荷分 配的控制，使各机组负载按比例分配，一般负载分配差度小于5 p e ，频率调 节精度为( 5 0 + 0 2 5 ) h z 。 ( 6 ) 自动解列：对已投入电网运行的发电机组出现下列情况时，按顺序使 运行机组逐个解列：在网运行机组平均功率小于3 0 p e ；机组出现冷却水 温度高、滑油压力低等故障；有人工解列指令，且尸= p i n - 1 8 5 。当 解列机组的负载转移到小于1 0 p e 时，发出分闸信号。 6 船舶电站自动监控系统的设计与研究 ( 7 ) 机组自动停机：当投入电网运行的机组解列分闸后，该机组自动停机 此外，下列情况下也应该自动停机：机组出现严重故障：机组平均功率小于 3 0 p c ；机组接到人工停机指令。 ( 8 ) 重载查询控n - 大负荷设备起动前发一询问信号，电站自动控制系统 接到信号后，进行功率储备计算。若储备功率大于负荷设备的额定功率，则允许 大负荷设备起动，否则起动备用机组，直到功率满足条件后，才允许大负荷设备 起动。 ( 9 ) 原动机预润滑预热控制：机组长时间不运行或环境温度较低时，机组 自动起动时要进行原动机预润滑预热，即润滑泵先工作一段时间，同时对冷却水 预热。 2 1 2 安全保护子系统 船舶电站的安全保护子系统直接关系到船舶运行的安全。 ( 1 ) 过载保护：当运行机组输出功率或电流超过额定值时要进行过载保护。 一般情况下过载保护有如下功能：当过载达1 1 0 , - - 1 2 0 额定值时，延时5 - 1 0 s ， 自动卸掉部分次要负载；当过载达1 5 0 额定值时，延时1 0 - - , 2 0 s ，使发电机自动 跳闸。 ( 2 ) 发电机外部短路保护：对于带时限的发电机，当发电机电流为2 5 倍 额定电流时，延时0 2 o 6 s ，使发电机跳闸；对于不带时限的发电机，当发电机 电流为5 1 0 倍额定电流时，瞬时动作使发电机跳闸。 ( 3 ) 欠压保护：对带时限的发电机，当电压低于其额定电压7 0 - - , 8 0 时， 延时1 5 3 s ，发电机跳闸；对不带时限的发电机，当电压低于其额定电压 4 0 7 0 时，发电机跳闸。 ( 4 ) 逆功率保护：当发电机出现逆功，其逆功为5 , - - 1 5 额定功率时，延 时1 l o s ，发电机跳闸。 2 1 3 自动监测报警子系统 自动监测报警子系统应具有对电站的运行情况进行实时显示、报警、记录和 打印等功能。 ( 1 ) 显示和打印：包括各种测量参数的实时动态显示和打印，各种状态图 的实时动态显示和打印。 7 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 ( 2 ) 自动记录：所有测量数据能进行整点自动记录，同时报警和消警信息 也能自动记录。 ( 3 ) 报警：具有声光报警功能，声响报警消音后不得影响后来的报警信号。 灯光报警为闪光方式，确认后变平光。报警系统的线路要独立于控制线路，并具 有灯光和音响的试验功能。 ( 4 ) 报警连锁：机组的起动和停机过程会引起某些控制参数偏离整定值， 因此，要能自动连锁报警屏蔽线路，防止误报警。 船舶电站自动监控系统的设计与研究 2 2 船舶电站自动控制子系统的主要功能单元及其工作原理 船舶电站自动化系统通常包括以下基本功能单元 9 1 ： ( 1 ) 船舶发电机组的自动起动和停车单元； ( 2 ) 船舶发电机组自动并车单元； ( 3 ) 船舶发电机组自动调频调载单元； ( 4 ) 重载查询单元； ( 5 ) 综合报警监控单元等。 这些基本功能单元在电站自动化系统中既相互联系又都具有一定的独立性。 有些功能单元如出现故障，可切除下来，而不影响系统其它功能单元的工作。发 电机组总体功能结构如图2 1 所示。 备用机组准 备工作单元 发电机组 起停控制器 发电机组报 警监视单元 p l c 控制核心 并联运行 控制器 自动l 频载 并车l 调节 电网监视器 图2 1 发电机组总体功能结构图 f i g2 1t h em a i nf u n c t i o nd i a g r a mo fg e n e r a t o r 2 2 1 根据龟网负荷发电机自动起停 发电机组自动起停功能是船舶电站自动控制系统基本功能之一。当主电网 突然失电、发电机运行故障或电站储备功率不足的情况下，电站控制系统会自动 发出增机指令，使备用发电机迅速起动。一般，起动过程要求在电网失电肛1 分 钟以内完成。当电网负载下降或机组故障换机时，电站自动控制系统也须保证停 车解列功能。 9 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 ( 1 ) 根据电网负荷发电机自动起停功的原理 发电机根据电网负荷自动起停控制的原理是基于电网需要几台发电机运行 才能满足实际负荷需要的计算，按照预先设定好的优先级进行发电机自动起停 控制。这里使用两个参数，一个是设定的起停限制值，一个是系统中使用的特 定参数：预测可用功率。预测可用功率是指在母线上所测得的每台发电机的可用 功率总和。如图2 2 所示，预测可用功率是总功率的3 0 。 1 0 0 1 5 0 0 k w1 0 0 0 k w1 0 0 0 k w= 3 5 0 0 k w 消耗的 黧缝麓 l 撑发电机组2 j | 发电机组3 撑发电机组 图2 2 预测可用功率示意图 ) 。预e = 测1 可0 5 用0 k 功w 率， 卜 f i g2 2t h es k e t c hm a po ff o r e c a s tu s a b l ep o w e r ( 2 ) 起动指令的产生 为了产生发电机自动起停指令，要计算预测可用功率。并和起停限制值进 行比较。发电机根据电网负荷变化产生自动起动指令的原理如图2 3 所示。图中 0 时刻，测得电网可用功率为2 0 0 k w ，而起动限制功率为1 5 0 k w ，无起动指令发 出，在时刻，由于电网负荷增加，测得可用功率降到1 0 0 k w ，低于起动限制功 率，起动指令定时器开始运行，到时刻，延时时间到，发电机开始起动，到 时刻，发电机起动成功并接入电网，这时测得可用功率达到4 5 0 k w ，起动完成。 在到时刻增加一段延时时间是为了避开电网短暂的负载扰动而引起备用发 电机组的不必要的起动。 1 0 船舶电站自动监控系统的设计与研究 t 图2 3 根据电硒负荷变化发电机起动指令产生的原理 f i g2 3t h ep r i n c i p l eo f t h eg e n e r a t o r ss t a ni n s t r u c t i o n sb a s e do nt h el o a d s c h a n g i n g ( 3 ) 停车指令的产生 停车指令的产生是计算值与预定停车限制值比较后产生的。计算的电网可用 功率减去发电机的额定负载，其值大于停车限制值时，可以产生自动停车指令。 这里需要指出的是停车发电机要设置优先级顺序，每次减去发电机的额定负载是 指优先级最高的发电机组。图2 4 为根据电网变化停车指令产生的示意图。 预测可用功率 发电机额定负载 1 0 0 0 k w 停车指令产生的比较值 厂夕l 弋 停车后电网可用功率 4 5 0 k w 停车限制值 3 0 0 隔 图2 4 停车指令产生的示意图 f i g2 4t h es k e t c hm a po ft h eg e n e r a t o r ss t o pi n s t r u c t i o n s 伽 姗 瑚 姗 o m 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 设定停车限制值是为了保证执行停车指令后，电网还保留需要的可用功率。 同样，为了避免电网短暂的负载扰动而使备用发电机组的不必要停车，停车指令 发出后要设定一定的延时时间。 2 2 2 发电机组自动并车 两台及以上发电机同时向负载供电，称为同步发电机组并联运行。当船舶高 负荷运行、靠离码头或在狭水道运行时都需要发电机组并联运行 1 0 l 。 ( 1 ) 发电机并联运行的四个条件【1 1 】： 待并发电机的电压与电网( 或运行机) 电压的相序一致； 待并发电机的电压与电网的有效值相同； 待并发电机的电压频率与电网电压的频率相同； 待并发电机的电压相位( 或初相位) 与电网电压的相位一致。 上述四条中，第一条必须满足，其他条件可以允许稍有差别。一般如果不是 新安装的发电机或检修后安装的发电机，则第一条都是满足的，无须检查。因此 同步发电机在并行暴车操作时，就是要检测和调整待并发电机的电压、频率和相 位，在满足第二、三、四条件时，合上待并发电机的主开关。并车后待并发电机 浮接在电网上，既不向电网提供功率，也不从电网吸收功率，其电压与电网( 或 运行机组) 的电压完全重合，机组同步运行。 我们以两台发电机并联运行为例，详细分析要满足这三个条件的原因： 频率和初相位相同，电压有效值不同 当两台发电机在频率和初相位相同，电压不同并车时，合闸瞬间产生冲击性 无功电流，而并联运行后，两发电机之间会产生环流，它对两台发电机组起均压 作用，此无功电流又称为平衡电流。但是，如果并车时发电机组之间的电压差太 大，合闸瞬间会产生较大的冲击电流，可能会导致两台发电机同时跳闸。所以， 并车操作时两台发电机组之间的电压差不能超过额定电压的1 0 。 频率和电压相同，相位不相同 待并发电机在相位不相同时并车合闸，将产生有功冲击。相位超前发电机轴 上产生制动力矩，转速降低，相位滞后发电机轴上产生驱动力矩，转速升高，靠 这种自整步作用，最终两台发电机的电压相位将趋于一致，同步运行。但是，如 果在并车时两电压的相位差太大，则会产生很大的冲击电流和冲击转矩，两发电 1 2 船舶电站自动监控系统的设计与研究 机之间出现较大的功率振荡，自整步作用不足以牵引两台发电机进入同步运行， 造成并车失败。特别是1 8 0 。反相合闸，产生的冲击电流最大，不仅两机电枢绕 组受到破坏性电磁应力的冲击，而且也导致两机组同时跳闸。因此，并车时要求 两台发电机电压之间的相位差不能太大，一般相位差应在+ 1 5 之内 并车时电压和相位相同，频率不相同 若合闸瞬间两台发电机电压和相位相同，只是频率不同，由于惯性，两台发 电机组不能立即拉入同步，因而电压之间会出现相位差，且相位差随时间的变化 而变化。如果两台发电机组的频率差不是太大，则借助自整步的作用，频率高的 发电机轴上产生制动力矩，转速下降，而频率低的发电机轴上产生驱动力矩，转 速升高，最终两台发电机将被拉入同步运行。但若两机6 与频差太大，自整步作用 不足以将两台发电机组拉入同步，结果会造成并车失败而跳闸，严重时造成全船 停电事故。因此，并车时一般要求将两台发电机的频差控制在o 5 h z 之内。但 频差也不能太小，否则并车合闸等待时间过长。 通过以上分析可知，发电机并车时，合闸瞬间任一条件的不满足，。都会在发 电机组之间产生冲击电流；如果冲击电流太大，会造成并车失败，严重时会导致 全船停电，甚至造成发电机组的损坏。 图2 5 并车条件示意图 f i g2 5t h ec o n d i t i o n so f p a r a l l e l i z a t i o n 闸 ( 2 ) 发电机自动并车装置的基本功能 检测待并发电机与电网电压的电压差、频率差和相位差，当任何一个条 件不符合并车要求时，实现闭锁，不允许发出合闸指令； 1 3 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 检测待并发电机与电网的频率差，并根据频差的大小与方向自动地对待 并机组发出调频信号，进行频率预调。减小频差，创造合闸条件； 当电压差、频率差在允许范围内时，要能根据发电机自动空气开关的固 有动作时间，相应地提前发出合闸指令，实现自动准同步并车。 自动并车功装置由频率预调、并车条件监视和提前时间或提前相角捕获电路 等组成。它可分为两大部分：一部分为频率预调，另一部分为合闸控制【1 2 】。其原 理如图2 6 所示。 图2 6 船舶电站自动并车原理图 f i g2 6t h ep r i n c i p l ef r a m eo fs h i pp o w e rs t a t i o n sp a r a l l e l i z a t i o n 2 2 3 船舶发电机组自动调频调载 在具有多台机组的船舶交流电站中，当需要两台以上的机组并联供电，或者 虽然只需要单机供电，但为了能够不断电的换机，都需要有并车及负荷分配( 或 转移) 的操作。在这些情况下，要实现船舶电站自动化，“频率自动调整和有功功 率自动分配是不可缺少的环节。执行频率和有功功率自动调整的装置简称为“调 1 4 船舶电站自动监控系统的设计与研究 频调载装置，又叫“自动负荷分配器【”】。 ( 1 ) 船舶电力系统频率变化的原因 发电机运行时，其功率的平衡方程为【1 4 1 ： b = 斥+ p + 乙鲁 ( 2 1 ) 其中：b 为原动机供给发电机的有功功率， b 为发电机负载所消耗的有功功率， 凹为发电机通过负载电流时的机电损耗， 疋为发电机的惯性时间常数。 原动机的驱动功率p r ，决定于原动机的进油量( 或进汽量) ，当该功率与发电 机的负载功率和机、电损耗平衡时，_ d n ：0 ，即转速( 频率) 为恒定，当功率平衡 d f 关系被打破时，例如：突增( 或突卸) 某些负载时，即只增大( 或减少) 时，若进油 量( 或进汽量) 未能及时变化，则只不变，这就导致频率下降( 或升高) ，即 粤 0 ) 。因此为维持频率不变，当负载变化时，必须及时调节原动机的 d t饿 进油量( 或进汽量) 。 如果电网频率低于额定值时，异步电机的转速下降，轴上输出功率和效率降 低。在电动机电压不变的情况下，由于磁化曲线的饱和特性，磁化电流增加要比 磁通增加多得多，进而会引起铁芯和绕组发热。当频率高于额定值时，电动机转 速升高，对于转矩不变的机械负载，其输出功率必然增加，使电动机过载，这样 不仅会影响船舶设备的正常工作，而且更严重的是会使电动机运行恶化，对电力 系统运行的可靠性和经济性带来严重的影响。另外由于原动机是按额定转速发出 最大功率和最高效率设计的，当转速变化时，就会使原动机效率降低并使其零件 磨损加剧。几台发电机并联运行时，频率波动会引起各机组有功负载分配不均， 造成有的机组过载，严重时稳定运行会受到破坏，也使电力系统的运行不经济。 ( 2 )发电机组并联运行的有功功率分配原理 并联运行发电机组间有功功率能否自动的、稳定的按容量比例均匀分配，与 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 发电机的频率和功率特性有关。 p 幢。 有差特性与有差特性有差特性与无差特性 p 伊。 无差特性与无差特性 图2 7 不同频率特性与功率变化的关系 f i g2 7t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r e q u e n c ya n dp o w e r 两台发电机同时具有有差特性并联运行于共同频率岛下，如图2 7 _ 所示， 当频率晶与两特性曲线都有稳定的交点，一号发电机和二号发电机承担的有功功 率为p 1 - - - p ：。当系统的有功功率增加时，系统的频率下降为f t ，f 1 与两特性曲线仍 有稳定的交点，两机组各自承担的功率分别为# 和爿。 一号机组的功率增加量为： 凹= 晓2 ， 二号机组的功率增加量为： 他：二堑( 2 3 ) 2 e ： 1 6 船舶电站自动监控系统的设计与研究 式中：矽是电网频率变化量。 根据功率平衡关系有： p = 纰+ 鹋= ( 簧+ 篆) 2 二! - a f = 2 4 ) ll - - - - - - 4 - - - - - - - - - - 。疋： 或鲈= 鸣a p ( 2 5 ) 式中巧= 击称为( 两台机组) 并联系统的平均调差系数。 毛。疋： 将平均调差系数k p 代入各机组功率增加量公式中可得： 凹：a p 竖 ( 2 6 ) 1 k n l 此：p 曼( 2 7 ) 。 k n 2 由此可见，有差调节法中，当系统负荷发生变化尸时，将引起系统频率的 变化，矽由式( 2 5 ) 确定。当各机组的疋不同时，功率分配也会变化，这由式 ( 2 6 ) 、( 五7 ) 决定，各机组的功率变化量与p 成正比，与各自的调差系数成反 比【1 5 1 。 因此，有差特性并联运行，随电网负荷的变化能够自动的、稳定的分配有功 功率，使两机组能够稳定的并联运行。但由于特性曲线的斜率不一致，因此功率 不能按容量比例均匀分配。要使两机之间的功率能够按容量比例均匀分配，只有 两特性曲线的斜率一致。由于调速器特性总是存在一定的差别，为了使电网频率 不致随负载变化过大，又要使功率稳定分配，在选用调速器时，应尽可能使e 值 互相接近，并且特性曲线的下降率应在3 左右，不超过5 以保证有功分配偏 差在1 0 以内。 一台具有有差特性与另一台具有无差特性的发电机并联运行，负荷变化时， 由于系统的频率保持不变，因此具有有差特性发电机承担的有功功率不变，而总 功率的变化量将全部由具有无差特性的发电机来承担，如图2 旧所示。 第2 章船舶电站自动监控系统的功能 无差特性不能并联运行，因为任意负载下电网频率不变，频率与并联机组的 频率一功率特性曲线没有明确固定的交点，稍有扰动使一台机组功率增加，油门 加大，另一台机组同功率减少，油门减小，这是一无法逆转的趋势，很快使一台 机组过载，另一台机组成为电动机，因此不能稳定的并联运行，如图2 7 所示。 调节并联运行发电机的功率就是改变发电机输入的机械功率。船上多采用同 容量、同型号的发电机，因此，希望并联运行时各机组承担的有功功率相等。现 以两台发电机组并联运行为例，说明如何进行有功功率的分配操作。 f f o 0p 2p 图2 8 有功功率转移 f i g2 8t h et r a n s f e ro f p o w e r p 设一号发电机运行与a 点，输出的有功功率为p ，二号发电机为并入发电机， 浮接在电网上，处于空载状态，运行于b 点，两机的频率一功率特性曲线分别为 1 和2 ( 如图2 8 所示) 。要实现有功功率的转移，具体操作步骤如下【1 6 1 ： 其方法是通过操作调速器伺服电动机的控制开关( 在发电机控制屏上) ，使 伺服电动机正转或反转，改变调速弹簧的预紧力，使其调速特性曲线向上或向下 平移。在转移负载时，为保持电网的频率不变，必须同时向相反方向调节两机组 的调速控制开关，例如操作1 号发电机的调速控制开关转向“减速”，使伺服电 动机反转，其调速特性向下平移，同时操作2 号发电机的调速控制开关转向“升 船舶电站自动监控系统的设计与研究 速 ，使其调速特性向上平移，最终两机的调速特性曲线分别为、并交于e 点。此时，每台发电机组承担的有功功率均为p 2 ，频率仍为电网的额定频率， 这是并车合闸后必须进行的操作。 当两台发电机组并联运行需解列一台时，也应同时反向调节原动机的调速控 制开关，在电网电压的频率保持不变的情况下，将负荷全部转移至运行的机组， 当需解列的机组的有功功率接近为零时，将该发电机的主开关断开在并联运行 中若出现功率分配偏差较大时，也要按上述操作进行功率按发电机容量比例均匀 分配。如果出现电网频率偏离额定值时，可同时向同方向操作两机组的调速开关， 使频率上升或下降。 ( 3 门刍动调频调载方法 自动调频调载装置维持电力系统频率恒定和有功功率按比例分配，实质上是 对原动机调速器的预紧弹簧压力作微量调节。方法归纳起来主要有以下五种： 有差调节法 利用具有有差调速特性且调差系数相近的发电机组并联运行来实现频率稳 定及负载分配的频载调节方法。这种方法无自动调频调载装置，无法进行二次调 节，各机组只由具有有差特性的调速器来控制，因此不能很好地维持频率恒定， 负载分配一般也不均匀。此外，它不能自动转移负荷。 主调发电机法 这种方法是在并联运行的发电机组中选择一台作为“主调机 ，当电网负荷 变化而出现频差时，由主调机组进行频率的二次调节，改变油门的开度，使电网 频率维持稳定，该主调机还承担电网负荷的变化量。而参与并联的其它机组则总 是带固定的负荷，称为“基载机 。主调发电机法原理简单，但缺点是使主调机 和基载机的功率因数不一致，且随负载的变