（电力电子与电力传动专业论文）船舶电站物理仿真系统的研究与实践.pdf

英文摘要 t h es t u d ya n d p r a c t i c eo fm a r i n ep o w e r s t a t i o np h y s i c a ls i m u l a t i o n s y s t e m a b s t r a c t a l o n g w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fs i m u l a t i o n t e c h n o l o g y a n dc o n t i n u o u s e n h a n c e m e n to fs h i pa u t o m a t i s md e g r e e ，t os e tu pt h es p e c i a ls i m u l a t i o na n dt r a i n i n g s y s t e mi si m p e r a t i v e t h es i m u l a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb eo n eo ft h em o s te f f i c i e n c y a r t i f i c e i nt h er e s e a r c ho ft h es t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cs t a t ep r o c e s so fs h i pe l e c t r i c p o w e rs y s t e mg r a d u a l l y u s u a l l y , t h es i m u l a t i o nm e t h o du s i n gi nt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mi s ：p h y s i c ss i m u l a t i o n m a t h e m a t i c ss i m u l a t i o na n ds oo n t h ee q u i p m e n tf o r m a t h e m a t i c ss i m u l a t i o ni s c h e a pa n da g i l i t y , b u ti t c a n tr e a c he n o u g hs i m u l a t i o n p r e c i s i o nf o rt h ec o m p l e xi n t e r i o rp r o c e s s a d o p t i n gp h y s i c ss i m u l a t i o nn o to n l yc a n s t u d yt h ep r o c e s so ft h es t a t i cs t a t ea n dd y n a m i cs t a t e ，b u ta l s o ，i ti sv e r i s i m i l i t u d e ， c o n v e n i e n c ef o rm e a s u r ea n dc a nr e a c hav e r yw i d er a n g eo fp a r a m e t e rm o d u l a t i o n t h i sp a s s a g eh a ss i xc h a p t e r si nt o t a l f i r s t l yi ti n t r d u c e st h ee m u l a t i o n a lp r i n c i p l e s o ft h em a r i n ep o w e rs t a t i o np h y s i c ss i m u l a t i o ns y s t e m ，c o m p a r e st h es i m u l a t i o no f d i e s e le n g i n eu s i n ga s y n c h r o n i s me l e c t r o m o t o ra n dt r a n s d u c e rt od ce l e c t r o m o t o r t h e ni tc o n c l u d e st h a tt h ef i r s te m u l a t i o nm o d ei st h ed e v e l o p i n gc u r r e n ti nt h ef u t u r e t h ec o r eo ft h i ss y s t e mi sg e n e r a t o rp a r a l l e l i n gc o n t r o l l e r ( g p c ) o fd e w i tc a nr e a l i z e t h eb a s i cc o n t r o l so fm a r i n ep o w e rs t a t i o nw i t hp r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) a n dt r a n s d u c e rw h i c hi n c l u d ea u t o m a t i cs y n c h r o n i z a t i o na n dr e g u l a t i o no ff r e q u e n c y a n dl o a d t h e ni ti n t r o d u c e st h eb a s i cc o m p o s i n ga n df u n c t i o n so ft h i ss y s t e m ，a n d r e s e a r c h st h er e p r e s e n t a t i v ep a r t a f t e rm e n s u r a t i o no ft h es i m u l a t i o ns y s t e mi np r a c t i c e , w ef i n dt h a ti t sp e r f o r m a n c et a r g e tc a n s a t i s f yt h ec r i t e r i o nc o m p l e t e l y a f t e rd e b u g g i n g i n l a b o r a t o r ya n dl u c u b r a t i n gt h es i m u l a t i o ns y s t e m ，w ed e s i g nt h ep r o t e c t i o no f e l i m i n a t i n g e x c i t a t i o n t a c h e a l o n g w i t ht h e d e v e l o p i n go f e x c i t a t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y , c o m p u t e ra n de l e c t r o nt e c h n o l o g ya d o p t i n gd i g i t a le x c i t a t i o na d j u s t m e n tt o r e p l a c ea n a l o ge x c i t a t i o na d j u s t m e n ti sai n e v i t a b l ec u r r e n t f o rt h ea b o v er e a s o nw e d e s i g ne x c i t a t i o nr e g u l a t o rb a s e do nd s e k e yw o r d s ：p h y s i c ss i m u l a t i o n ；g e n e r a t o rp a r a l l e l i n gc o n t r o l l e r ；e x c i t a t i o n r e g u l a t o r ；d i g i t a is i g n a lp r o c e s s o r ( d s p l 大连海事大学学位论文原剖性声明鄹使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导孵豹指导下，独立进行硪究工作所取德的成果， 撰写残碛学使论文：整壁垒螫魏逢笾墓丕蕉塑登塞盏塞逡：。豫论文审澄经 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，均已在文巾以明 确方式标明。本论文中不包含任何束加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公丌发表的成果。 本声臻豹浚簿责 薹垂零久承攘。 论文作者签名：萎岛移弦蠹毒月目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师宠全了解“大连海事大学研究生学位论文褥交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构邀突学位 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举可以将 本学覆论文豹全黟或部分内容编入鸯天数攥瘁进彳亍检索，也可采瘸影印、缭印或 扫描等复制手段绦存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不爨密趋( 渣纛以上方挺疼努“” 论文作者签名：蒌免豁导师签名：惑 只期：) t 舻7 年弓月同 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 第1 章绪论 1 1 船舶电站概述 船舶电站是船舶电力系统最重要的组成部分，是船舶电力系统的核心。船舶 电站自动化是机舱自动化的重要组成部分，也是进一步提高船舶电站供电的可靠 性及其质量指标的重要保证。船舶电站的自动化通常包括以下功能： 1 根据负载情况，发电机组自动起动、投入运行和停车； 2 发电机组自动同步和自动并车； 3 发电机组自动调整电压、自动调整各机组间无功功率分配； 4 发电机组自动调整频率、自动调整各机组问有功功率分配： 5 ，自动分级卸载。自动分级卸载是指电站超负荷时，自动卸掉一些非重要负 载，并可以实现多次卸载( 一般1 2 次卸载) ，以适应不同程度的过载条件，保 证对重要负载的连续供电： 6 负载自动分级起动。负载自动分级起动有两种含义：一是指电网从断电状 态恢复供电时，为限制过大的起动冲击电流，使负载自动分级起动，重要负载先 起动；二是指自动分级卸载后，被卸去的负载在保证不引起发电机组重新过载的 前提下再次投入运行； 7 电气及机械故障时自动保护； 8 发电机组自动解列。发电机组并联运行于轻载状态下，按确定顺序使运行 机组逐台退出电网，直到其余运行机组脱离轻载状态为止； 9 重载询问； 1 0 主电站与应急电站供电的自动转换： 1 1 对有关的电气参数和机械动作参数自动监测、报警、记录、显示、打印。 上述全部或部分功能按一定逻辑关系组合起来，称为船舶电站综合自动化装 置。 1 2 船舶电站自动化技术的发展趋势 1 从常规继电器、分立元件形式的控制发展到无触点控制，大规模集成电路， 结构化、模块化。采用了微机，包括可编程序控制器( p l c ) ，使控制部分的体积 第1 章绪论 重量大大减小，工作可靠性大大提高，控制方式也由硬件控制变为以软件控制为 主，使功能的组合、扩展或修改变得很容易。维护方便，模块通用性好。 2 计算机控制由大型机集中控制方式发展到多微机分散控制方式。使工作可 靠性大大提高；进而出现由多级计算机构成的分布式控制系统、应用光纤通讯和 网络技术。有对过流、欠压、逆功率等多种参数的监测报警和控制；电压、频率、 电流、功率、功率因数等参数及主开关通断状态等也在软配电板上有指示。可随 时实现全部点或选定点的召唤打印记录，这些记录可代替传统日志。但被监测的 参数值超出允许范围，则发出声光报警并自动打印记录( 通常设有专门的故障记 录设备) 、被测参数值的上下限可方便地整定和修改。 3 信号处理由模拟量信号处理发展到尽可能多的使用数字量信号处理和通 讯。 4 由就地人工分散控制发展到集控站控制，特别是对机舱的遥控，实现了无 人值班机舱。 5 机电一体化程度加强。 6 从运行的经济性和可靠性出发，船舶电站出现以下一些新特点： 1 ) 采用不同容量的发电机组成电站，以提高不同工况下发电机负荷率： 2 ) 除柴油机以外，还同时采用不同种类的原动机，如主机( 轴带发电机) 、 废气锅炉涡轮机。废气涡轮一轴带发电复合系统等，可以降低噪声，提高 机动性和节能； 3 ) 大型船舶采用双电站前后布置方式，通过对电站间跨接线的控制，可 以使两电站各自独立供电或联合供电，提高供电可靠性； 4 ) 船电能与岸电并联，以实现两者| 日j 不断电转移负荷。 以上特点使得船舶电站的控制复杂化，因此需要先进的技术手段来做保证。 随着科学技术的发展，电站自动化的范围和内容必将更为广泛和深入。在具体设 计自动化电站系统时既应满足技术经济指标的要求，又要从实际情况出发，在满 足规范和使用的要求的前提下，避免不必要的大而全，从而使可靠性和经济性都 得到提高。 国外主要造船国家同本、南韩、美国、俄罗斯在这一领域有先进的研究机构 麟躺电站物理仿宾系统的骈究与实践 网开展研究工作，并且舆商这方面研究的先进窟验室。其中代袭网际水平的有日 本的长崎综合科技大学、荧国加州大学、俄国的圣彼得堡海洋技术学院、德国的 冶堡大学、乌克兰的尼杏控耶夫造船学院等。在国外，一些研究所也建有这方蘧 豹骥究安验室。这类实验窳大多配毒诗箕瓿z 掺麓为孛心夔数字傍囊装墨，或联 合实际装置构成的半物理仿真装置，配有较掰精度的各种测试仪器设备，配有不 同类型的专用或通用的负载模拟装置。这些实骏装置可进行电站集中控制的分析、 实验岛设计等课题研究。在实验室中一般有很多的高级科技人员猩工作，有一流 黪设器葶爨充足戆辩硬经费支撩，蒡参与一些蘩裴毫襄课题的磺究。这些丈大摆动 了毫游集中控割豹研究帮发展。 我圈这方面也进行过一些研究，例如我国上海船舶运输研究所的c y 8 8 0 2 型、 沪东造船厂的c d z 型电站自动化系统。c d z 型可根据电网的负荷情况自动增减投 入运行豹电极数髫，监视溆网的状态，电网盼电压和无功功率的良动调整，电嬲 靛貘搴鞠有功臻率数叁韵调整。翟是彝氆嚣妻要造耱国家稳跑，我国这方蘑有较 大的麓距。国内目前所造的许多船的集中控制装置和系统主要成船东的要求购自 国外。因为我国的技术不先进、未与国际接轨，以至达不到国际船电要求。造成 我国在该领域落后的主要原因是技术支持不够、研究工作跟不上、研究人员素质 不裹等。 邋一、二年也曾有豳肉研究所、公司开发了一些功能较强的忿类产品，如华 能的w z z q 型、南电所的s j 1 2 c 型以及上船所的s t i - v c 2 1 0 0 p m m a 系统，但 都由备自的缺点，尤其是价格偏高( 对民用和商校研究来说) ，使得我们有必要在 功上秘产品成本上挖掇港力l ”。 1 。3 耱瀚电站物理彷粪的必要性 船舶电站是一个独立的电力系统，其主鼹特点是发电机容量较小，负载容量 相对较大；如果是多台机组并联工作，并联和解列的转换比较频繁，电气设备的 工作环境比较恶劣，发生番秘事故的可能性比较大。这些特点决定了船舶电站的 运行狻态莛一系翻裁念 窭稷豹连续，缀难蠢耩谓囊歪豹稳态遵稳，篷充分瓷弱了 设计船舶电站时，必须对其动态特性进行充分的研究，保证在各种情况下都能可 靠地工作和有良好的性能。 第1 章绪论 用物理模型来模仿实际系统，通常称为物理仿真系统。物理模型是实际系统 在尺寸上缩小或放大后的相似体，在外观上与实际系统极为相似，描述的逼真感 较强。仿真就是在物理或数学模型上所进行的系统性能分析与研究，它所遵循的 基本原则是相似原理。在物理模型上所作的仿真试验研究具有效果逼真，精度高 等优点。我校刚建成的船舶电站物理仿真实验设备完全采用实物形式，对船舶电 力系统的供、配电过程以及电力系统的静态和动态过程实行物理仿真。其操作控 制贴近实船，即可满足我校师生进行教学实验的基本要求，强化课堂所学理论知 识，加强动手实践能力，又可以作为培训电机员、机电一体化高级轮机员等具有 较强能力的船舶电气管理人才的仿真实践设备。 1 4 课题的提出 船舶电站在船舶设备中占有非常重要的地位，对船舶电站进行物理仿真有着 重要的现实意义。近期本校船舶电站实验室引进了多套船舶电站物理仿真实验装 置，基于本人及导师的研究方向为船舶电站的自动化控制，本人参与了多套船舶 电站物理仿真实验装置的调试，在研究了整套实验装置的基础上，撰写了本论文。 本文主要分析了船舶电站物理仿真系统实验设备的基本仿真原理及其典型环 节的工作原理，并在实验室实测出其工作特性，又针对其不足之处，提出了改进 方案。主要包括设计了低速灭磁保护环节以及基于d s p 的励磁调节器，使船舶电 站物理仿真系统更加完善。 瓣鹧毫站物理仿真系统的磺究与实黢 第2 章船舶电站物理仿真系统 2 1 船舶电站物理仿真系统的基本思懋 熬熬毫蘩蘩理蘩奏系绞酌基本惹怒：瓣瓣瞧鏊瑟镬罴夔蒙涵枫凌搴夫、柒涵 发电机缀体积庞大，价格缀商，在实验室中避行船舶电力系统的研究很不方便。 为了深入研究船舶电力系统的动态特性，研究和设计船舶电站物理仿真系统是比 较有效的方法。传统的船舶电站物理仿真系统大多是以直流电动机同步发电 极模型来摸攒躲靛柴渡发魄机缝，倒如我校瓣电实验室原来采髑敬傍冀设备。用 壹流电动辊模拯柴油掇，瘸强多发电撬雩# 为焱流电动税匏受载模羧浆i 瘗税静受蘅， 改变间步发电机的负载电流就相当于改变了柴油机的负荷。通过手动调整直流调 速系统的参数，可以模拟不同类型的柴油机调速系统。直流电动机同步发电 机模溅，可以满足柴油发电枧组的基本要求，但是在造价与调遮藏匿等方面和三 稳癸移瞧魂凝疆进又鸯蔟筠限瞧，瑟本文谚究豹我校瑟一鼗耱熊逛旗耱瑾费囊系 统采阁变频器一一三相辩步电动机同步发电机基本模型来模拟船舶发电机 组。实船设备、传统设备以及新的设备对比如下【2 1 【3 】： 实船柴油发电机组的物理模型如图2 1 所承： 图2 1 实船柴油发电机组的物理模型 f i g + 2 1p h y s i c sm o d e lo fd i e s e lg e n e r a t o rs e t 传统仿真系统的原理撼图如图2 2 所示： 图2 2 传统仿真系统的原理框图 f i g 2 2p r i n c i p l ef r a m eo f t r a d i t i o n a ls i m u l a t i o ns y s i e m 第2 章船舶电站物理仿真系统 采用此直流电动机一同步发电机系统，由公式e = c e x 巾n 它的基本调速方 式有调压调速，调磁调速( 即弱磁升速) 。当采用调压调速时，主要用转速电流双 闭环的调速系统，由于此过程涉及到可控整流装置，故此调速系统造价较高，是 一大缺点【4 l 【5 j 我校原设备采用的是弱磁调速方法，虽然解决了造价问题，但又引发了新的 问题。它的调速方式简单表示如图2 3 ： 图2 3 弱磁调速原理图 f i g 2 3p r i n c i p l ed i a g r a mo fe b be x c i t a t i o n t i m i n g 由上图可见，调节电动机励磁回路的电位器r ，就可以改变电动机励磁电流的 大小，从而改变电动机的转速，但是，由于弱磁调速的允许调速范围有限，一般 不超过1 ，2 ，特殊调速电机也不过是1 ：3 或1 ：4 ，当负载要求的调速范围超过 这个数值的时候，就不得不采用调压和弱磁配合控制的方案。 我校新的仿真系统可模拟有两台柴油发电机组供电的船舶电力系统，其发电 机的原动机是由两台三相异步电动机来模拟，三相异步电动机的转速则由变频器 调节。由于目前变频器的发展极其迅速，尤其是小型变频器的发展，使得小功率 三相异步电动机的调速变得非常简单容易实现。同时，变频器调速可以实现无极 调速，其调速曲线光滑连续，调速范围广，克服了传统直流电动机调速范围窄的 缺点。变频器又以其越来越低廉的价格而被广泛采用。船舶电站物理仿真系统变 频器采用p o w t r a n 公司生产的p i 1 6 8 系列小型变频器，该变频器体积小、使用 方法简单、维护和管理方便、可靠性高。 船舶电站物理仿真原动机一发电机组系统可由下述方法实现： ( 1 ) 柴油机由三相异步电动机模拟，该电动机的转速由变频调速器控制，而 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 变频调速器由发电机并联控制器g p c ( g e n e r a t o rp a r a l l e l i n gc o n t r o l l e r ) 按仿真的 计算结果进行控制，以使这部分的仿真装置模拟船舶电站原动机及其调速系统的 运行特性。 ( 2 ) 发电机由一台容量较小的同步发电机按相似原理实现物理仿真。 图2 4 给出了每一台原动机发电机的模拟框图： 图2 4 物理仿真系统模拟框图 f i g 2 4p h y s i c ss i m u l a t i o ns y s t e mf r a m e 2 2 船舶电站物理仿真系统仿真策略 本套船舶电站物理仿真系统的核心控制器件是发电机并联控制器g p c ，通过 控制器g p c 与可编程逻辑控制器p l c 、变频器、调压器的适当配合完成发电机组 的起停、并车、负载分配、检测报警与保护等工作。发电机组的自动启动信号由 p l c 检测目前工作状态并进行综合判断后发出，启动后的各种工作状态由控制器 g p c 来控制。控制器g p c 通过检测发电机电压信号、发电机电流信号以及汇流排 电压信号，进行相应的判断并发出控制信号到p l c 和变频器，p l c 主要起执行器 的作用，控制外围线圈进行相应的动作，变频器主要控制机组的频率。调压器负 责维持机组的电压恒定。报警信号由g p c 与p l c 共同提供。发电机的各种运行状 态不仅可由仪表与指示电路及相应的元件显示( 其信号由g p c 提供) ，还可由g p c 的显示屏幕直接察看。 根掘以上所述，可得本套船舶电站物理仿真系统的仿真原理框图和两台机组 并联工作的流程图。 机组的仿真原理框图如图2 5 ： 第2 牵船舶电站物理傍囊系统 翻2 5 系统仿真原理框i 璺i f i g 2 5s i m u l a t i o ns y s t e mf r a i i l e 注意；在上图中，薄台发电辊鲍主开关a c b i 和a c b 2 分别出嚣鸯的控制器 g c 稳p 差- 聚合来控铡，靼主牙关戆合鬻簧弩囊g p c 提供，送绘穰疲豹p l c ， 由p l c 作为执行机构，控制藏开关的合闸线圈；而主开关的分闸信母是由串联在 其线圈阐路中的各种保护继电器的辅触点来发出的。 两螽机组工作的流程图如图2 。6 ： 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 图2 6 两台机组的工作流程图 f i g 2 , 6t w og e n e r a t o rs e tw o r k i n gf l o w c h a r t 2 3 船舶电站物理仿真系统基本组成 该套仿真实验系统可完成具有以下功能的实验：同步发电机单机起动、停止 实验，两台机组的手动、自动并车实验，两台机组并联运行的调频调载实验，发 电机的综合保护实验等。具体由六组控制屏组成。 2 3 1 岸电控制屏 岸电控制屏主要由岸电电源输入开关，1 # 、2 群变频器电源开关，主电源( 变 压器输入) 开关，主电源( 变压器输出a c 3 8 0 v ) 开关，主电源( 变压器输出a c 2 2 0 v ) 开关，d c 2 4 v 控制电源开关，继电保护电路电源开关，照明电源开关，以及相应 第2 章船舶电站物理仿真系统 的指示灯组成。该屏为本实验设备提供各种控制电源。 2 3 21 撵、2 静发电机控制屏 发电机控制屏主要由测量仪表( 电压表、电流表、功率表、频率表、励磁电 流表、功率因数表) 及其转换开关( 手动、自动) ，发电机主断路器，励磁电压调 节器，主开关合闸、分闸按钮，以及发电机运行状态指示灯等组成。该控制屏可 以实现发电机组的启动，停止，手动调频调载，自动调频调载，及手动调整电压 的功能。 2 3 3 同步控制屏 同步控制屏主要由同步状态指示灯，同步指示表，同步顺序选择开关，备车 顺序选择开关，两台机组的控制方式( 本地，遥控) 选择开关，启动停止按钮等 组成。 该屏可以实现两台发电机组的并联运行操作，既可以由人工方式实现手动粗 同步并车，又可以实现自动控制下的准同步自动并车。 2 3 4 负载控制屏 负载控制屏主要由负载工作状态选择开关( 电站、继电保护实验) ，负载工作 方式选择开关( 电站、预投) ，负载性质选择丌关( 阻性、感性) ，以及负载电流 指示等组成。该控制屏可以提供的负载如下： 电阻负载：由两只三层瓷盘变阻器及2 4 只管型电阻组成，分成两组，可分别 进行调整，电阻的接入由设在面板上的转换开关、自动开关及多只插座实现各种 接线方式及阻值的调整，每组最大功率为：3 1 1 k w ，最大电流每相为2 5 a 。 感性负载：由一只三相调压器及一台无功电抗器组成，本实验装置的感性负 载，其无功功率为2 k v a r 。无功电流每相最大为1 0 a 。无功电抗值由设在面板上的 旋钮开关进行调整。 2 3 5 继电保护实验控制屏 该屏是由一系列的时间继电器、电压继电器、电流继电器以及d h 3 型三相一 次自动重合闸装置、各种指示灯、开关及控制旋钮等组成。在实船上并不具备该 控制屏，此屏只是为做实验而设计的。该屏可完成的实验有电磁型电流继电器实 验、电压继电器实验、电磁型时间继电器实验、6 - 1 0 k v 线路过电流保护实验、低 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 电压启动过电流保护及过负荷保护实验、d h 3 型三相一次自动重合闸装置实验等。 2 4 船舶电站物理仿真系统的基本功能 2 4 1 两台机组自动准同步并车的实现 该仿真系统的核心是发电机并联控制器g p c ( g e n e r a t o rp a r a l l e l i n g c o n t r o l l e r ) ，首先由g p c 检测电网电压、电流，发电机电压信号，并进行综合判 断，然后发出控制信号给可编程逻辑控制器p l c ( 西门子s 7 q o o 系列) ，由p l c 控制各开关设备，实现发电机的启动、停止，主开关的合闸、分闸等动作，并可 提供报警信号给报警电路。本套仿真系统中p l c 起执行作用，相当于接口电路的 线圈，从而省去了很多复杂的继电接触器设备，既节省空间，又能防止外界干扰， 提高系统可靠性。 两台机组自动并车过程流程如图2 7 ： 图2 7 诱台机组自动并车流程图 f i g 2 7t w os e ts e l f - m o t i o nc o m b i n a t i o nf l o w c h a r t 第2 章船舶电站物理仿真系统 2 4 2 频率自动调节和有功功率的自动分配 船舶电站物理仿真系统通过发电机并联控制器g p c 和p i 1 6 8 型变频器以及可 编程逻辑控制器p l c 的配合可以实现频率自动调节和有功功率的自动分配。控制 器g p c 实时检测电网电压、电网电流以及发电机电压，经过内部数字信号处理器 d s p 的处理发出控制信号至变频器，通过变频器控制电动机实现调频调载。 2 4 3 继电保护环节的实现 根据钢质海船入级与建造规范规定，对船舶低压同步发电机，只针对其 不正常运行的情况，主要设有如下继电保护：过载保护，外部短路的过电流保护， 欠压保护，逆功率保护，发电机并联运行时的电流速断保护等。本套装置用普通 的继电接触器的触点来代替船用万能式自动空气断路器，而其线圈由各种保护线 圈的常开或常闭辅触点来控制，主要保护类型有欠压保护，过载保护，逆功率保 护，分别由其相应的继电器来给出信号。 2 4 4 监测报警系统 本套仿真装置可实现的报警功能有：1 群、群机组原动机故障报警，1 群、2 撑机 组自启动失败报警，l 带、勰主开关自动合闸失败报警，1 # 、2 撑发电机过载报警， 1 静、猫发电机欠压报警，系统绝缘过低报警，汇流排失电报警，另外，还有两路 备用的报警通道，以及试验消音，复位按钮。 2 5 船舶电站物理仿真系统典型环节分析 2 5 i 发电机并联控制器g p c 简介 通过发电机并联控制器g p c 与p i 1 6 8 系列变频器的适当配合，完成电站两台 机组的自动并车与调频调载过程。当机组稳定运行时，由控制器g p c 保证其频率 为5 0h z 。当出现负载波动时，假设负载增大，则频率开始降低，然后，g p c 通过 对电流与电压信号检测与综合判断，通过本身的调节作用，使频率上升，在此过 程，变频器的输出频率将变大，当机组频率稳定在5 0 h z 时，变频器的输出将大于 5 0 h z ，这就类似于实船上采用的离心式调速器的工作原理，若没有控制器g p c 的 控制作用，单靠变频器，则机组将会稳定在一个小于5 0 h z 的频率上，此过程相当 于船舶电站自动调频调载的“一次调节”过程；当有发电机并联控制器g p c 的控 制作用时，变频器将在其控制下，输出大于5 0 h z 的频率，变频器输出的变化相当 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 于改变了弹簧的预紧力，从而改变油门的大小，此过程相当于船舶电站自动调频 调载的“二次调节”过程。 发电机并联控制器g p c 即g e n e r a t o rp a r a l l e l i n gc o n t r o l l e r ，是由丹麦d e i f 公 司生产的船用m u l t i 1 i n e 2 系列控制器，该控制器采用计算机与集成电路控制方式。 体积小，工作可靠性高，配有显示屏，对其工作状态进行监视比较直观。m u l t i 1 i n e 2 系列控制器是用在由柴油机或汽油机拖动的发电机上的单元装置。根据型号的不 同它可以是一个控制和保护单元也可以是一个保护单元。m u l t i 1 i n e 2 可以完成所有 必须的发电机控制和保护工作。g p c 的基本控制功能包括静态同步、动态同步( 频 率调节、电压检测、开关延时时间补偿、相序检测等) 、稳定负载、确定独立运行 的电机的频率、通过对功率和频率的联合控制实现发电机组问的负荷分配、通过 继电器的输出控制调速器的加减速、通过继电器的输出控制发电机主开关的通断、 通过继电器的输出控制发电机的起动停止等。图2 8 是发电机并联控制器g p c 的 工作的原理框图： c 噼雌f 弘rig g | 培r a t l 2 f ：i 图2 8 控制器g p c 的工作原理 f i g 2 8g p cw o r k i n gp r i n c i p l e 发电机并联控制器g p c 的显示屏幕如图2 9 ： 第2 章船舶电站物理仿真系统 国“_ _ h r “ 囱 1 d m 褡： 1 0 0 v 3 8 9 a3 1 k w ) 囫 p o w e rs t u p p q o tc r r i p o w rs v s r v 一 图2 9 g p c 的显示屏幕 f i g 2 9d i s p l a ys c r e e no fg p c 发电机并联控制器g p c 的尾部接线端口如图2 1 0 ： 4sd ，e0 0 1 1 幢0 “体”1 7 伸伸劐2 2 2 4 i 5 搿磐煽 街铆挑鹞瓤辱黉 o o 口o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0ooooooooooooooo o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o oo o o oooo o o o o o o o o o o o o o o o 暂# e 辨椰4 啦4 9 “茸i 群坤锄5 1 犍5 # 辩5 5 , 5 5 贸# 目辨6 00 1e z 秘h # r v ，r e 寰 8 。o i | p l 竽为 幽0 p 夕 o ，勰、oo ， 溉、o 4 7 3n7 5 一丌砷讨8 j8 a 28 3 斛褂8 e 卵艄8 8ap f - * 2 糯榭孵桃p 7 o o o o o o 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0o o o o o o o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0ooooooooooooooo o o o o o o o 图2 1 0 g p c 接线端口图 f i g 2 1 0t h ec o n n e c t i o np o r tc h a r to f g p c 2 5 2 两台机组并车功能的实现 实现两台机组并车，发电机并联运行控制器g p c 与可编程逻辑控制器p l c 之 间的基本接线图如图2 1 1 所示： 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 s 7 - 2 0 0 p l c 报警指示 p i 一1 6 8 变频嚣 1 0 61 0 61 0 31 0 - 4q otq o 6 期 _ 一 i r 厂 f - - “ 攀1 罐疆譬一4 1 。蠡譬l l 。甚，g l t $ 1 箩麓一5 g p c 图2 1 1 并车控制接线图 f i g 2 1 1c o m b i n a t i o nc o n t r o lw i r i n gd i a g r a m 控制器g p c 端口的意义： 1 是控制器g p c 的工作电源，直流2 4 v 。 1 7 、1 8 是具有继电器性质的输出端口，能发出主开关合闸指令信号( 高电平) ， 并送到执行机构p l c 。 1 4 、1 5 是具有继电器性质的输出端口，能发出主开关分闸指令信号( 高电平) ， 并送到执行机构p l c 。 6 1 、6 2 是具有继电器性质的输出端口，能发出发电机启动指令信号( 高电平) ， 并送到执行机构p l c 。 6 3 、6 4 是具有继电器性质的输出端口，能发出发电机停止指令信号( 高电平) ， 并送到执行机构p l c 。 6 5 、6 6 是具有继电器性质的输出端口，用来接通6 5 与6 6 ，并送到变频器。 6 7 、6 8 是具有继电器性质的输出端口，用来接通6 7 与6 8 ，并送到变频器。 5 、6 是具有继电器性质的输出端口，能发出发电机过载信号( 高电平) 并送 到报警指示电路。 8 、9 是具有继电器性质的输出端口，能发出发电机逆功率信号( 高电平) 并 送到报警指示电路。 4 3 是数字量输入信号，发电机轻载则输入高电平，此信号由p l c 控制。 1 5 第2 章船舶电站物理仿真系统 2 5 是数字量输入信号，代表同步开始，此信号为“1 ”时手动频率控制端4 4 、 4 5 不起作用，由控制器g p c 自动调节。该信号的控制途径有两条，一是由p l c 控制，二是由主开关合闸按钮与手动自动方式选择按钮配合控制。 4 8 、4 9 是数字量输入信号，不同的组合代表不同的工作方式，图中所示为1 “1 ”状态组合，代表负载分配方式。 4 4 、4 5 是数字量输入端口，由手动的频率控制开关控制，当2 5 信号为“0 ” 时，若需要频率上升，4 4 输入为“1 ”，可控制端口6 5 、6 6 的接通；若需要频率下 降，4 5 输入为“1 ”，可控制端口6 7 、6 8 的接通，完成频率的手动控制。 可编程逻辑控制器p l c 端口的意义： 1 0 5 是主开关合闸的输入信号； 1 0 6 是主开关分闸的输入信号； 1 0 3 是发电机启动的输入信号； 1 0 4 是发电机停止的输入信号： o o 7 是发电机运行的轻载输出信号； q 0 6 是发电机同步开始输出信号。 变频器端口意义： s s l 与c o m 的组合接通可控制频率上升； s s 2 与c o m 的组合接通可控制频率下降。 k 1 是方式选择开关，“手动”闭合，“自动”打开。 k 2 是由p l c 控制的继电器辅触点，“手动”打开，“自动”闭合。 k 3 是检测电网是否有电线圈的辅触点，有电打开，无电闭合。 其控制过程如下( 以1 样机组在网运行，踏机组为待并机组为例) l ( 1 ) 手动控制：将1 撑发电机组位置选择“本地遥控”旋钮开关置于“本地” 位置，“方式选择”开关置于“手动”位置，此时，开关k 1 闭合k 2 打开，端口 2 5 为“0 ”信号，按下1 群发电机组的启动按钮，顺时针调节频率控制开关，g p c 端口4 4 输入高电平，6 5 、6 6 被接通，进行升速，当频率上升到5 0 h z 时，停止频 率调节，当电压和频率都满足合闸条件时，按下主开关合闸按钮，则合闸信号直 接送到p l c 去执行，完成1 群机组的合闸，1 样机组在网运行。当要实现并车时，同 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 上述过程启动措发电机组，当满足并车条件时，按下合闸开关，此时，由于电网 有电，故其常闭丁f 关k 3 断开，合闸信号不会直接送到p l c ，而是通过开关k 1 送 到g p c ，使端口2 5 为“1 ”信号，g p c 再自动控制频率微调，当达到合闸条件时 通过端口1 7 、1 8 发出合闸信号送到p l c ，实现并车。 ( 2 ) 自动控制：将两台机组位置选择“本地遥控”旋钮开关置于“遥控”位 置，“方式选择”开关置于“自动”位置，备车顺序选择开关选择“d g l ”位置。 此时开关k 1 断开，由可编程序控制器p l c 控制的开关k 2 闭合，s y n cs t a r t c o n t 端口2 5 为“1 ”状态，由p l c 检测汇流排状态和备车顺序，发出启动1 撑发 电机组信号，并由g p c 控制其自动升速( 该过程由其继电器性质的输出端口6 5 、 6 6 的接通来完成) 至合闸频率，端口1 7 、1 8 接通，送出高电平到p l c 的i o 5 端 口，控制主开关合闸，由1 群发电机组向汇流排供电，如果1 群机组输出功率大于8 0 额定功率时，由1 群机组的g p c 根据负载情况延时1 0 s 发出启动备用机组信号至 p l c ，2 群机组自启动并升速，过程与1 撑相同。此时由控制器g p c 检测1 舟，嚣机 组的频率差，并根据频差方向通过撕机组的g p c 发出升速或减速信号至豁变频 器，调节错机组的频率，当甜机组与1 撑机组频率( 5 0 h z ) 、电压( 4 0 0 v ) 相同，相位 一致时，准同步并车条件满足，g p c 发出自动合闸信号至2 # 机组的p l c ，使错 机组主开关自动闭合，并车完成。 2 5 3 两台机组调频调载功能的实现 在调频调载环节，发电机并联运行控制器g p c 与可编程逻辑控制器p l c 之间 的基本接线图如图2 1 2 所示： 端口3 7 ，为负载分配端口，两组g p c 的端口3 7 由导线连接，这条线称作负 载分配线，该端口同4 8 、4 9 配合使用，可完成负载的自动分配功能。 端口3 8 ，为两组g p c 的共地端。 其它端口与2 5 2 节相同。 第2 章船舶电站物理仿真系统 i l e 0 s 7 2 0 0 p l c 隧 s 72 3 0 p l c 盘毵器 如5 l e ti o 3 ，口 i e # f f j 51 ：o 嚣f 辅s ；o r ，槲斟牟牟 | 圳f _ y _ 亨| l厂 撼盛黥嚣k “瓣“1 擞“ 熊褊舷燃，耐，麓“。2 g p c g p c 图2 1 2 调频调载控制接线图 f i g 2 1 2r e g u l a t i o no ff r e q u e n c ya n dl o a dw i r i n gd i a g r a m 其控制过程可简单表述如下： ( 1 ) 手动调频调载：假设两台机组已经由手动方式成功实现了并车，此时， 1 撑机组承担全部负载功率，而错机组由于是刚并入网的机组，不承担负载功率， 此时要分配负载，可以手动实现。由于工作方式选择手动，故g p c 的端口2 5 为 “o ”信号，顺时针调节甜机组的频率调节开关，逆时针调节1 样机组的频率调节 开关，使勰机组的4 4 端口为“1 ”，控制端口6 5 、6 6 接通发出升速信号到勰变频 器，1 群机组的4 5 端口为“1 ”，控制端口6 7 、6 8 接通，发出减速信号到1 静变频器， 使负载由1 撑机组向2 撑机组的转移，直至两台机组承担的负载功率基本相同，停止 调节操作，完成负载均分。 ( 2 ) 自动调频调载：假设两台机组已经由自动方式成功实现了并车，此后， 由g p c 检测发电机承担的功率，1 # 机组多于勰机组，由于端口2 5 为“1 ”状态， 故由g p c 自动调节频率使1 群机组减速，踏机组升速，并配合负载分配线实现功率 的均分，其余各端口的工作状态与( 1 ) 相同。 船舶电站物理仿真系统的研究与实践 第3 章船舶电站物理仿真系统的实验室调试 3 1 同步发电机单机启动、停机调试实验( 1 号机为例) ( 1 ) 接通外部电源，将以下开关闭合：主电源( 变压器输入) ，主电源( 变压器 输出a c 3 8 0 v ) ，主电源( 变压器输出a c 2 2 0 v ) ，1 撑变频器，d c 2 4 v 控制电源， 1 撑发电机主断路器，保证变频器电源及d c 2 4 v 控制电源有效。 注意：必须保证1 群发电机主断路器( 该开关为隔离用，由接触器及分闸按钮 作为发电机主开关) 在闭合位置时才能启动及对发电机组进行调频及调压操作。 ( 2 ) 将发电机组位置选择“本地遥控”旋钮开关置于“本地”位置，“方式选 择”开关置于“手动”位置。 ( 3 ) 按下“发电机组启动”按钮，启动变频器，调节“频率控制”转换开关， 使变频器输出频率增加，同时将“电压表”测量转换开关转至发电机测量位置 “r s - s t - t r ”中任意一档，检测发电机组输出电压及频率，当变频器输出频率为 5 0 h z ( 观察面板频率表