（电力系统及其自动化专业论文）船舶电站控制系统及物理仿真装置的研究.pdf

哈尔滨i ：科大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m a t i o ni np o w e rs t a t i o ni st h eo n l yw a yt ol i f it h ep o w e rs t a t i o n s u p p l i e sp o w e ro nt h ed e p e n d a b i l i t y , c o n t i n u a n c ea n di n d i c a t o ro f q u a l i t y , a n di ti s t h ev e r ys i g n i f i c a n ta c t u a ls e n s et or e s e a r c ht h ea u t o m a t i o ni np o w e rs t a t i o n 韵融 o r i g i u a lt a k e st h es h i p p i n gp o w e rs t a t i o n sa st h er e s e a r c ht a r g e t a n dt h e d i s t r i b u t i n gt y p ep o w e rs t a t i o na u t o m a t i o n r e a lt i m em o n i t o rs y s t e mw a s e s t a b l i s hi nt h ed e s i g n l nt e a lt i m em o n i t o rs y s t e m ，t h el o w e re n g i n et a k e s5 1s c m 豁t h ec o e , a n d c h i e f l yc o m p l e t e st h ed a t as y n c h r o n i z a t i o nc o l l e c t i n ga n dt h ep o w e rs t a t i o n r e g u l a t e sa n dc o n t r o l s ；t h eh i g h e re n g i n et a k e sc h a r g et od i s p l a yt o c u r v e s c o l l s c r v ei f i s t o r i c a id a t a ，r e p o r tt od a t aa n dp r i n td a t a a n ds oo n f i r s to fa l l ，t h eo r i g i n a li n t r o d u c e st h em a i na c t i o no fs h i p p i n gp o w e rs t a t i o n a u t o m a t i o nm o n i t o rs y s t e m ，o nt h i sb a s e 。a n db ym e a n so ft h e 继la n da c c u r a t e a n a t y s i s p r o p o s et h ec o n c r e t ec o n t r o ls t r a t e g yo f d i f f e r e n tp a r to f m o n i t o rs e r v i c e o fr e a l i z a t i o np o w e rs t a t i o na u t o m a t i o nm o n i t o rs y s t e m a f f e r 、v a r d s 。t h ec o n c r e t ed e s i g nt ot h el o w e re n g i n es y s t e mi si n t r o d u c e d n l e i o w e re n g i n es y s t e mi sa sf a ra ss u c hf u n c t i o n , e q u a l 幻s u r e l yt h es a m et e r m c o r l t r o la p p a r a t u si np o w e rs t a t i o nw i t hc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e 。t h ei n t r o d u c t i o n 0 1 1s u r e l ys a r r l et e r mp o w e rs t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd i v i d e du ph a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h eh a r d w a r es e c t i o nc h i e f l yc o n s i s t so fd a t ac o l l e c t i o nc i r c u i t ，e x p o r t c o n t r o lc i r c u i t k e y b o a r da n dd i s p l a yi n t e r f a c ec i r c u i ta n dh a r d w a r ed e s i g nr u l e a n dc o n c r e t ec i r c u i td i a g r a mo fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t t h es o f t w a r e s e c t i o nc h i e f l yc o n s i s t so fa u t o m a t i cs y n c h r o n i s i n gp r o g r a m ，a u t o m a t i c a l l ya d j u s t f ma n dl p a dp r o g r a ma n ds o f t w a r ed e s i g nm e a n sa n dt h ec o n c r e t ef r a m ep i c t u r e o fc o n m t m i c a t i n gw i t ht h eh i g h e re n g i n e b e s i d e st h ea n t i - j a m m i n gd e s i g ni s s p e c i a l l yi n t r o d u c e d f h c nt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i g h e re n g i n es y s t e m t h eh i g h e re n g i n es y s t e mm o n i t o rs o f t w a r ec h i e f l yc o a s i s t so fs o f t w a r e c o n t r o l p a n e ld e s i g n ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n di n t e r f a c ed a t ah a n d l i n g d a t a b a s ea n dt h er e p o r ts y s t e md e s i g n ，a n ds oo n l a s to fa r t i c l e ，u n i t i n gt h ec o n c r e t es i t u a t i o no ft h el a b o r a t o r y , am o d i f i c a t i o n m e a n st os i m u l a t et h es y s t e m a t i cu n i to fd i e s e le n g i n ep o w e rs t a t i o nm o r ec l e a r l y i sp u tf o r w a r d ；a l o n gw i t hm i l i z e sf u z z y + p i sd o u b l em o d e lt ol i f it h el a b o r a t o r y p h y s i c si m i t a t i o ns y s t e mc o n t r o 】p e r f o r m a n c em e a n s m o r e o v e ro nb a s eo f b u i l d i n gm o d e lo ft h e1 a b o r a t o r yp h y s i c si m i t a t i o ns y s t e m h a das i m u l a t i o ns t u d y i ut h ew a yo f m a t l a b a n dv e r i f i e df e a s i b i l i t yo f t h i sm e a n s ， k e y w o r d ：a u t o m a t i o ni np o w e rs t a t i o n ；s u r e l yt h es a m et e r r ac o n t r o la p p a r a t u s ； f u z z y p id o u b l em o d e lc o n t r o l ；c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 哈尔滨一i ：耩大学硕士学能论文 课题魏篱景 1 ，1 ，1 翻劫化电站概述 第1 耄绪论 发电帆组同期并车、解射，是陆用电力系统及船用电力系统的常见问题； 肖功功率、互功功率的按机组容量嚣分，是提高电力系统效能的个重要乎 疆。疆卷禳翻理论、数瓣缒理、大王饕爨、弱络邋镪等援零粒飞速发震，农 丽内外，计算监控系统越来越广泛董l 鼓应用于各个领域，尤其惹在电力系统瓣 控制方嘣她为显著。 以瓣艟电力系统炎例，袈船寇站巍裁纯是枫舱窦动让豹鬟要组或部分， 也番送一步挺离瑟鹣魄站供亳豹可靠性、，连续瞧及箕蒺量攒拣靛必由之臻。 船舶电站的自动化通常包括以下功熊： 1 。蹦商关韵电气参数和机械动作信号自动雌测、报警，记激、显示、打 印，并有避辏判赣功貔去整馥发亳秘缝； 2 根粥负载隋况，发电机组自动起动、投入运行和停车； 3 能限制有多台机组同时接入放短路后多次接入； 4 笈 量 撬窝孛母线囊藏嗣多靼套裁并辜； 5 发电祝组螽动溺整龟压、爨动调整各辊镳瓣无功功率分醚： 6 黢电机组自动渊整频率、自潮调整各机维间有功功率分配； 7 自动分级卸载。国动分数卸栽是指电站超受薪时，自动鄄掉一些非慧 要受载，并霹羹实溪爹次鄂载，班逶斑不露程度熬过载条佟，傈证对重要负 载的连续供电。 8 负绒囱动分级起动。负载自动分级起动有瑚种含义：鼹指电网从断 电竣惑浚复供逛对，为限遂丈豁起动滓考窀流，使受载蠡裁分鬏莛凄，鬟 安负载先怒动；= 怒撩螽动分级卸裁后，被卸去的负载在傈诞不引起发电梳 哈尔滨工程大学硕十学位论文 = ；i ；黑i 1 1 1 1 1 ；j e i i j ；j i ；* # ；i i i i ；i ；i i i i 黼 组霾新过载的前提下雨次投入运行； 9 。毫气及穰藏兹黪辩窘魂保护； 1 0 发电机组自动解列。发电机缀并联运行予轻载状态下，拨确定顺序使 运行机组避台退出电嘲，直到其余遮行机组脱离辍载状态为止； 1 。熏载诲闽； l ! m 电五1 i 与应急电站t | i 电的自动转换； 此外，还可以有自动无功补偿、节省轻油的辍、重油自动转换供给装嚣 等。对陆用电站自动化与船舶电站是渤证大体功能提似，这里就不一一列攀 了。 本文熬本围绕船舶电站来论述，部分指标以陆用电站为标准，这样做的 原因是：首先，陆用电站自动化与船舶电站自动他大体功能相似，控制基理 也孛嚣毂，渗麓鼹电菇鑫动 乏装霆礤突菇，稿翔改动裁哥辍爱予，l 、整麓矮电懿； 其次，i t ：1 于船舶电站机组容量与负赫容量基本褶獭，不能看成觅穷大电网， 所以对发i 乜机凋压器和原动机调速器的动态性能商较高的要求，故对其电站 自动化装爨簦求也稍赢一些，但嗣期条 串比陆曩l 爨橙，部分搬拣按隧弱惫淤 来严稀要求有秘予提高船耱电站酶瞧能、减少对蕊绝部分酶餮求。 1 1 2 电站自动化技术的发展趋势 i 从常捌继电器、分立元件形式的控制发展到无触点控制，大规模集成 f 乜路，结构化、模块化。采用了微机，包括可编糨序控制器( p l c ) ，使控制 部分瓣俸葶煲燕量大大减， 、工接可靠性大大提褰，控裁方式瞧囊疆转控剿嶷 为以软件控制为主使功能的组合、扩展或修改变褥缀容易：维护方便，模块 通用，r l ：好。 2 汁豁机控制由大型机集中控制方式发展到多微机分教控制方式，使王 律可靠1 陵大大凝高；逡嚣密现出多缀诗算疆梅成瓣分布式控铺系统、应露巍 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： f 毡压、频率、电流、功率、功率因数等参数及主开关通断状态蒋也在软配电 疆生育豢承。司菠瓣实穗全部点或逡定点鹣露唆打印记录、这魏迁录哥鼗耱 f g 统基。当被监测的参数值超出允许范围，则发出声光报警弗自动打印记 2 哈尔滨工程人学硕十学位论文 录f 通常酸有专门的故障记录设各) 、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 匿浚遗入工分赦控裁发震到集控菇控制，特剐是对搬舱粒遥控，实 现了无人德班机舱。 j 机电体化襁膣加强。 6 ，从运行豹经济性和可靠性出发，船舶患站懋现了以下些新特点： 第一、采稻不同容蹩豁发龟橇缀蒇电港，鞋提高不嚣工糯下发电程受祷 率： 第二、除柴油机以外，还同时聚用不同种类的原动机，如主机( 轴带发 电援) 、凌气镊炉浜轮嘏。菠气涡轮辘带发逸复合系统等，霹敬舞羝噪声， 挺高机动性平f i 节能； 第三、大型船舶采用双电站前厢布置方式，通过对电站间跨接线的控制， 可以搜两魄潞各自独立供电或联合供电，提裹供魄可靠性； 第阏、艇电能与撵电并联，戳嶷魂两者闰不鞭毫转移受赘。 以上特点使得电站的控制复杂化，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署深入。在具 体葭透。錾动纯逮站系统露筏壅满跫羧零经济撵蠡豹要求，又瑟麸实甄蘩嚣爨 发，在满足规范和使用的要求的前掇下，避免不必要的大而念，从而使可靠 性和经济性都得到提高。 1 1 3 船舶电站发禳概况 涸外主要造船国家嗣本、南韩、美国、俄罗期雀这一领域有先进的研究 褫枣奄霹更：麟磷究工终，_ 黪显其毒这方甏研究嚣宠遴实验室。箕审代表国际永 乎的有同本的长崎综合科技大学、美国加州大学、俄国的圣彼得堡海洋技术 学院、德网的冶堡大学、乌克兰的腿古拉耶夫造船学院等。在豳外，一些研 究赝迄建有这方覆兹磷突实验室。这类实验室大多聚毒计算魏王终港灸中心 旧数j i t j _ 舆装鬣，或联介实际装置输成的半物理仿真装置，配有较高糟度的 哈尔滨一r 科火学硕+ 学能论文 各种测试仪器设备，配肖不同类型艄专用或通用的负载模拟敞鬻。这些实验 装嚣霹避霉亍密整襄中控制靛努辑、实验与设嚣等谍蓬臻究。在实验室孛一般 白假多瓣高级科技人受在工作；有流的设备翻充足的科研经赞支持，菸参 与一些萤鬻高新课题的研究。这些大大推动了电站集中控制的研究和发展。 我到这方瑟也进行避一些研究，侧翔我国上海船齄运输礤究辑豹c y 8 8 0 2 鬃、沪糸造瓣厂熬z 受窀菇鸯动能系统。c d z 型霉蔽鬟鸯瓣戆受蔫情况爨 动增减投入运行的电机数日，监视电网的状态，电网的电压釉无功功率的自 动调整，电婀的频率和商功功率的自动调整。但是和世界主要造船国家相比， 我鬻这方蘸有较大懿蓑鞭。冒瘫嚣靛所遥懿诲多船静集孛控裁装嚣窝系统主 要应船东的要求购臼闲外。因为我阁的技术不先进、来与国际接轨，以至遮 不到翻际船电要求。逖成我国在陵领域落后的主漤原因是技术支持不够、研 究工馋躁不 二、瑟究入曼豢霞不惑簿。 近一、二年也曾蠢辫肉研究繇、公霹开发了鍪凌靛较强懿蘧类产鑫， _ ：【| l + f 能的w z z q 刑、南电所的s j 一1 2 c 泌以及上船所的s t i - v c 2 i o o p m & m a 系统， 1 l 都 备自的缺点，尤冀是价格偏商( 对民用和离校研巍来说) ，使得我们谢 必委杰功戆上黎产燕或本主燕潜。 1 。2 课趟的研究意义 1 21 网内船电自劝化发展的霈要 随赣控潮蓬论、数灏处理、大王饕麓等蓑术瓣飞速发展，诗箕整控系统 越来越广泛地应用于船舶领域。国外的船舶自动化己逐步发展剽无人驾驶桃 舱。陔方憾f i j 研究圭臻艇中在单元岛动化装景方颟，如：x e t 良动并车解刿 霞、x o t 颤动受黄分配装篱、c , p s 谴电浚逆功率舔护装嚣釜及是v r 鑫霸压调苇 器装置等方面。目前，在单元器件自动他的基础上将它们组合成电站自动化 装置。在检测技术上，主要包括两个方面：一是模拟量如温殿、电流等的枪 潮：二是，f 关量魏捡测，主要控测务穆凝孬辊穆美砖 乍。 蠢盼在我簪建逑鹩各种远洋船麓孛，基零上是弓 遂荩矫鹃成套蕊控设 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 备。国内的船舶电站自渤化系统总体上还处于研究输段，只是在局部环节孤 在露：始遴行定登，爨不爨备全蠢投入使焉除莰。瑗在歪是我镧分夺移薤超 国外产品的好时候。 2 22 1 1 建设的熏要 我校船舶电站实验庭是部级重点学科电力系统自动化方向的个重点实 验室，也“九矗2 l l 工程”建设的重点实验室。 该实凝室在“丸轰”“2 l l ”建设期润，建立怒一套较完整豹籍舶毫滔按 制糸统史缎装簧，浚装麓可以模拟完成船舶电站的基本操作。但由于该装鼹 最初的设计思想都是物理仿真电站的思想，以手动操作为主，自动化程度较 抵。该装鬟在垂动纯婺羧方覆豹藐力汪经不裴达爨实验室寒来建设夔要求。 而随潜计算机性能的日益强大，更深一层地利用计算机技术对船舶电姑 i 目动化进行管理是船舶电力系统发臌的必然趋势，现代船舶的遗行管理越来 逋t ；, l y k 用人爨少、自动化程疫赢的方囱发展。近年来工业慧线技术豹热濑在 个远瓣将来程有露链走入船舶之中，弼那对籍丽羧制装置痊该麓本都采焉觳 二声装置。嬲一方面，采集的大量监测信息可以为数字仿真、参数辨识提供了 依据和依托。为此，利用计算机技术建立起船舶眩站自动监控系统对实验室 兹幸艺l 强臻豹设订窝嚣蠢貔瑾莰囊懿涎酶毪簸与臻憨寮著卡分瀵要豹意义帮 作用。 1 3 本课题的研究内容和指导思想 在船舶电站自动化系统中主要环节为：数据采集装置、自动并车装置、 f l 动助率嘲仃装置、数掘传输、信患数据库部分。所以课题最初主要围绕这 儿个g 节焱玎。在基本功能实现后，避季亍了联调，验证了设计的或功。出予 还有剩余时间，所良又对如何使物瑷模拟系统( 鼹流视双闭环系统) 更遁襄 模拟柴油机发电机组进行了研究工作。研究证明需要实时提供真实柴油机发 电机组的转速”。为此对实验室物理模拟系统谶幸亍了相应的研究。研究发 j i | 毪：曩i 必臻建额夕 懿检测舔节，霹阪逶遂蘩瑾穰壤系绞中豹数字调速装霉夔 哈尔滨1 一槲入学硕士学位论文 ；j i 一一i i # ；i i i i i i ；j ；j ；i i ；i # ；i i i ；i i i i i i i i i i ；i ；j ；i ；i i i i ；= 供的接口威接实时读取，并设计了改进方案。为了提高实验室物理模拟系统 懿谖节速震，又稳臻耱爨豹方法邃亏亍了逶台零实验黧熬“模赣+ p l ”双模淫邃 的仿真研究。 数据采集装置、自动并车装置、自动功率调节装簧、数据传输装置以数 字电路实现。上位枧骏拨款终先嚣以v b 、l a b v i e w 实现，若分缓了剥矮v b 进行设计静过程。仿真瘸& l a t l a b 语言完成。 殴计过程中始终力图不拘泥只厢于船舶或陆用电站，有意使研究设计的 自动化装鼹可以用于更多的场合；有懑改变传统的一些控制手段，如采用“数 字i 强位i | 十电了：调逮嚣”模式柬代替鼹统的“魏孬泡援离心诵遴器”模式、 塔量采川串行数字通讯器件束简化电磁兼容方面的工作等。另一个指导思想 是牒脚能多的研究国内外同类产品的控制思路和手段，研究使用较低级的芯 砖或p l c 实魏应寿的功熊。 1 4 论文的组织结构 赞对实验室静其体蓊况决定设计一个分布式瓣实辩益控系统，由研华王 控机作为系统工作时的上位机，与以单片机为核心的下位机( 执行机) 共同 作用。所以论文在组织结构上先论述了自动化电热譬基本功能的实现策略，在 篥三章帮蘩滔章分裂谂逡了下篷规戆较疆馋竣诗秘上经瓿夔控软终懿没诗。 n ：第五章，先分析了提商物理仿真系统的可行性，并提出了具体的可行方案； 然后提m 在系统中引入模糊控制，提高系统调节速度的方案，并进行了软件 蕊真。在文章豹最螽，避季亍了展望和憨结。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章船舶自动电站基本功能实现的策略 2 ，1 船舶电力系统的运行特点和要求“3 和陆【：电力系统一样，船舶电力系统由发电设备、变配电装置、输电网 络、用电设备等，按一定的连接方式组成。但由于负荷特点和具体工作条件 不同，船舶电力系统和陆上电力系统相比，有明显的不同特点。 船舶电力系统是独立电网，而不象陆上电力系统那样一般由十几个甚至 几卜个不同类型的发电厂联合供f 包。一般船舶只有一个电站，电站的容量就 是电网的容量，且电网的容量相对负载来说是有限的，所以大容量负载起动 时的冲击电流将引超电网电压的急剧波动。所以船舶电力系统对发电机调压 器和原动机调速器的动态性能有较高的要求，如：要求船用发电机调压器动 作时洲要快，有强行励磁能力：发电机有较大的承受过载的能力等。此外， ：腑舯1 一况变动频繁，要求船用并车装锾简单、可靠。 存独立电网中，调节运行发电机的电压或原动机的转速，将直接影响电 嘲的电压和频率。不象陆地的无穷大电网，调节台发电机组的电压或频率， 尤法左右电网的电压或频率，调节只能以改变本身有功或无功功率的承担来 取得平衡。这个概念对调试船舶电力系统发电机的有功和无功功率分配是很 重要的。 船舶电力系统通常只有一个电站工作，任何导致断电的事故都将危及船 舶航行的安全。其电站自动化要求：在未酿成断电事故之前限制故障扩大， 扁动备用机组投入运行，替换故障机组，保证供电的连续性。即使断电也应 使断f 乜时间最短。 j 3 懈【电站只局限在船舶的小范围内供电，电网较小，船舶发电机和船舶 电网的保护也比陆地上的简单得多。但出于线路距离短，阻抗低，电网发生 短路时对发电机和系统的影响大。而供电发电机的台数又随船舶运行工况的 不同而有所变化，因此只是在短路保护配合方面有较高的要求。 7 哈尔滨f ：糨火学硕士学位论文 2 2 发彀机组的自动准同步并客 2 2 1 相关定义与并车种类嘲 蠢予滕舶毫力系统静运行工混隧受载交纯丽交镬二，敢要求船舶丽步发魄 机随负载变化投入或遐出电力系统并能实现不问断的供电。通常将船舶同步 发 乜机投入电力系统并列运行的操作称为并列操作( 简称并车) ；反之，将阔 步发电辍邋窭电力系绞瓣搡 萋称梵瓣列搽嫠( 筵称解捌) 。莠孳鞠瓣蠢是毫力 系统运行中的重要操作。 并车的种类通常分为两种：自同步方法和准同步方法。 自同步魏方法是掺怒永热殛磁魏德磬发电嫒瓣转速丹至同步转速( 即电 黼频率) 聪，将其投入魄网，并立鞠加以励磁，在原动极力矮、整步力缒等 作川r 把发l 乜帆拉入咧步，完成并列操作。 自同步的优点是投入快，缺点魑冲击电流大。陆地电站在攀故的情况下 寒采嗣鑫溺步，篌辊缀艇逮速并入魄阏。洚壹毫滚虽然大，镶瓣无穷大窀潮 柬l ；2 足能承受的。船舶电站的发电机在运行时是互为电网。自闻步产生的冲 击电流和因此产生的电网电压下降题用电设备不能接受的。故目前在船舶电 撼巾是蚕会笈鼹匏。 准同步的方法是搿发电视在并列合闸前已励磁，当发电机频率、电压襁 角、电压大小分别和电力系统侧的频率、电压相角、电压大小接近相同时， 将发也枧墨歼关合闸，完成并列操终。 墼辇想的雍阔步台潮瓣闼，发电搬筵子邀流等予零。实舔上繇楚宥差舅懿， 但只要把麓异控制在允许范围内，产生的冲击电流就可以控制猩允许范围内， 不致影响电网的正常供电。准同步豹优点是冲击电流小，缺点是操作过程较 艮，蒋剩楚在电潮频率波动较大静戆凝下。霞荧壤羯多方法洚蠢宅滚较枣+ 不会引超电力系统振荡锋危害，所以目前船舶上广泛采用的怒这种方法。 发r n 机并联运行南两个主要内昝：投入并联时的同步操作和投入并联聪 的功率分醚漂母# 。至予嬲捌操幸# 可以羲藏是功率分配豹一静疲鹧；重载查询 喇避电站囊荷参数库的一稀应用。程设计时需要注意的是：在蠡动运行静憾 哈尔滨工秣大学硕士学位论文 况1 ：，还耍考虑到电网无电压时无鬻同步的直接投入操作和退出并联运行觚 敬受载转移操俘，劳程功率小于一定毽薅凌繇叛鼹器搡终。 22 2 准同步并车条件 影响发电极投入并联的因素商三个：电压麓、频率差稻褶角差。待并发 l 乜帆与电嗍电压1 i 等时投入发电机，电压差将产生无功的均滕电流；频率不 等和相角不致时，频率差和相角麓将产生有功的整步电流。所产生的电流 力霆穗滁这些差剽。发恕爨投入惫麓戆溪阉，发魄疑戆趣获骥洚至超舞交瞧 抗x 。”，引起冲击电流。差值越大冲击电流越大。发电机投入时应限制这热 差值，否则，产生的冲击电流可能危及机组的安全，影响正常供电。 殴特并发电机的瞬对电压为“。= 致s i n ( 掰，十甄。) ，其中下拣g 表示德并 发电丰几( i n c o m i n gg e n e r a t o r ) ，下标n 表示电随( n e t w o r k ) ，表示角频 率，农示初相位，吼= 珊，+ 致。，= 峨f + 纯o ，6 为相麓角。那么，待 并机给与运行枫鳃( 电力系统或电鲻) 之间并车条件可表示为： 1 褥并发毫瓠瓣惫匿与毫瓣魄筵穗等，霹描。= 壤； 2 待并发电机的频率与电网频率相等即厂，= ； ：待并发电机的桐位与电网榈位相等，即艿= 啦，一纯= 0 。 若蛰禽上述三个祭 譬，委l 特并发惫援| 电压握擞与电嬲电压穰藿宠全重会， 此时并车，冲击电流为零，这是准同步并车的理想情况。俺蜜际上，要做列 完全满足上述三个条件，达到理想的同步是不可能的，因此，只能要求电腿 羞、频率获鄹棚位差酃在一定的允许范固之内即可合阐劳车。 遥嚣在船虢电潞并车操作中，魄匿差不褥大予l e 额定曦送；福位蓑 般i 杖制住土1 5 。以内；频靛在0 5 h z 以内。在实际设计中，为了不出现逆功 现象通常键待并枧以正珏：差、正频麓投入，即需疑在上述条件的基础上再满 足。一毽， 0 ，疋一五 0 。 2 ，23 囱动准同步装置分类 出予主歹； ：关扶接受含丽指令到囊正闭合电鼹鸯一个爵闻薅遴，它称淹 哈尔滨工襟火学硕士学位论文 ；j i * 黼, t lu i i ,i i $ ；i i i ；i | ；# q 荆 丌关固有潮作时削，大小约在0 。i s 这个数量级。所以，为了使合闸时刻艿= 0 发含穗指令辩应有一定弱嚣窝蠛摇霞魏稳豁囊。铡魏，最之= o 。i s ， 掣= o 4 h z ，取时间摄前麓f 。= 0 t 掰箨成相位羞酌挺前量艿p 一3 6 0 8 + 矗f * 又代 入数据，得8 p = 1 4 4 0 。由此可见，如不考虑提前爨，即观察到艿= o 时才发 出台阕攒令，较可能造成合襄黠裁不满是】p 戳内靛耪是条传。这个提兹量 写f 。奇关+ 瞧与当薛状态鼹鲈畜美，不是一个蕊定僵。也就是滋，鼯捷对电 站中同一机组在不同次并车操作时，要考虑的合闸提前量8 p 也会不同。 通常熄纶抛合闸脉冲到发电机的电压相位与电网的电压相位差合对豹遮 段霹阍猕为越藩 雩溺，将绘鑫台灞歇i 孛对电压韬谴建熬差褥为越嚣程囊。自 动并车装餮应保证具有越种越前时间( 或越前榴角) 的工作环节，为了使燕 关的触头在脉动电臌过零时闭合，越前时间应等于合闸线圈的启动时间( 一 簸蝰客蝰) 释主开关豹器莓魏垂霉雩潮之窝。 穰舔掇前量选择静不同，啻韵罐丽步并车装鬻霄分受两类： 1 ，嘛定越前时问的自动并车敞髓 这一炎装置馕证在绘定豹越翦对阕下发出台潮脉冲。如累遮糟并车装置 霞石阏鞠楚频差下工佟，嚣蒋在不霹豹越蕾袁下发出台惩辣渖，嚣秀要器谶 f ，= d 。( 3 6 0 0 + 厂) 不交。 2 恒定越前相角的自动并车漱鼹 这黉装鬻在绘定的越蓊穗螽下笈惠合蘑藏冲。这嚣霆嚣瓣鹬薯甭是一个 确定的数德，而决定予允许范围肉并车时的角额麓。这种装鬣程原理上就不 能完全凇确地实现准同步并车的条件。但在u8 和t s 足够小的条件下，可将 台阚误蒺浆制在竞许范爨内。 嚣粼主，遁霆越兹瞬瓣酶垂裁并攀装置是爵戳徽戮在蓑电艇粒窀鼹蠡尊瞧 压相位究垒重合的条件下合闸的，但实际上将稍枯偏差，这魑由于主开关湖 乍时间不嗣定以及主_ 歼关动 乍时闽测量对的情况与并车时不圊造成的。 对数字叠韵涎藏翅系绞亲谎，造藏越蘸蕊或造成戆囊煮的获褥哭在予程 序：宵所研i 同。本殴计按恒定越前时间来编制稷序，以尽可能地满足并辜祭 件，同时也不会产生颧外的硬件负糨。本系统并翠时软件的设计原理将在软 转帮势详述。 1 0 哈尔滨：l ：释大学硕士学位论文 2 3 自动恒频及有功功率自动调整 2 31 频率变化对船舶电力系统的影响 船躺魄结负载突然发生交纯时，辩毫动梳酶怒劫、停车等，原动橇( 鲡 柴油机) 油门尚未来得及变化，使原动机的驱动功率与发电机组负载功率的 平衡关系被破坏，引超发电机组转速豹变化，从而使电网频率发生变化 t f = p | 6 0 ) 。 而频率足衡量r 乜能质量的主要指标之一。电力系统的频率波动，会对电 力系统运行的可靠性和经济性带来严重的影响“! 。它不仅影响舰载设备的正 常工作，嚣曼会搜电动钒运孬恶纯。当怠鄹频零僬予额定毽聪，由于异步漱 机的转速f 降，轴上输出功率和效率降低。在憩渤机电压不变的情况下，融 二磁化曲线的饱和特性磁化电流增加要比磁通增加多得多，谶而会引起铁芯 期绕组发热。当频率离予颧定值时，电动机转速丹葛，对于转矩不变的机械 负载，其赣舞功率必然蹭蕊，使电韵税过载；对予离心式豹聚麓逶菇瓿，熬 输出功率与转速的三次方成正比j 又会造成电动机严重过载。另外，频率增 加时，在端电压不变的情况下，磁通必然减少。融于电动机的起动转矩与磁 逶残委比，疆班使电磷毫 筵魂转蹩减小。有数攥淡骥。瑚：魏慕艇璐毫蘩熬 频率足5 0 i i z ，若与6 0 1 # 的岸电福连接，则所有电动机将超遮2 0 运转，所 有的离心式负载都得增加7 3 的功率；反之，当船舶的电站频率是6 0 h z ，糟 与5 0h z 的岸电相连接，则所有电潍钒将鞋降低i 7 的转速逡转。 颤率波动静另一个不良影噙楚俊宅力系统运行不经济。 鑫予原动瓠是按 额定转遵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 率降低前| 1 变其零件磨损加剧：几台发电机并联运行时，频率波动会弓l 起各机 缝有功受裁分配不均，逡藏畜躲蕊绫逶载，严羹瓣稳定运孬受溺蔹棼。 2 3 2 稳定性和经济性的有关规定 为了保证船舶秀力系统运行静稳定性和经济住，运行中对原动枫转速及 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发电枧频率的调整是十分重要的。 钢质海船入级与建造规范规定，带动 发电机的原动机( 包括柴油机和汽轮机) 须装有调速器，其调速特性应符合下 列规定：当突然卸去额定负载时，其瞬时调速率不大于定转速的1 0 ，稳定 删速率不人于额定转速的5 ，稳定时间( 即转速恢复到波动律为1 范围的 t l j 削) 不超过5 秒。这些对原动机调速性能的要求，就使电力系统的频率波动 也在上述范围之内。 2 33 有功功率分配和调节的原矧 发电机输出的有功功率是由原动机的机械功率转化来的，随着负荷的变 化需要经常调整原动机的转速，以保持电网电压的恒定。对并联运行的发电 机，改变发电机间的有功功率分配，是通过改变各台发电机原动机的油门大 小( 对柴油发电机组汽轮机是气门) ，即单位时间内进入气缸的燃油量来实现 的。柴汕机喷油量的大小，关系到柴油机在一定转速下的输出功率。换句话 说，单丰j l 运行时发电机的某一转速( 频率) 对应输出某一有功功率；对并联运 行的发电机，某一频率对应着每个发电机的输出功率。所以，并联机组有功 功率分配与电力系统频率调整密切相联系。 尉容量、同型号、发电机并联运行时，应将系统的总负荷( 包括有功功 率和无功功率) 平均分配给参与运行的各台机组；当不同容量的发电机并联 运行时，则将系统的总负荷按各台发电机容量成比例的分配给运行的发电机， 以增强并联运行的稳定性和经济性。 钢质海船入缎与建造规范规定：并联运行的各交流发电机组均应能 稳定运行，且当负载在总额定负载的2 0 一1 0 0 范围内变化时，各机组所承 担的有功负载与总负载按机组额定比例分配值之差，应不超过下列数值中的 较小者：f 1 ) 最大机组额定有功功率的i 5 ：( 2 ) 各个机组额定有功功率 的2 5 。 在船舶电力系统中，频率的调整及有功功率分配依赖于原动机的调速器 的j 。饥当柴油发l 乜机组输出功率变化时，依靠柴油机调速器的固有特性自 动改变油门的丌度，实现频率与机组间功率的分配及平衡的过程称为频率的 次凋节。通过手动或自动频载调节器，控制伺服电动机的正反转或控制电 哈尔滨j ：税火学硕士学位论文 j 二i 埘逃器的触发，改变条速器弹簧的压力，使调速特性上下平移，实现频率 窝程缀功攀的分配静调节遘程称菇二次谖整。 所以蜕，电网频率变化的根本服因是系统有功功率平衡被破坏造成的。 说明调节频率和凋节有功功率是直接相关的，二糟的调节归根到底都是调节 鼹动援靛王覆遴入量，瞧藏是蘧f 1 柒i 虫瓿) 或汽r - j ( 汽轮橇) 载丈枣。 2 13 4 原蠢力机调速器及其调速特性 笈电橇运行时的频率和有功功率分配待况取决予骧动瓿豹调速特性，鬻 t l 卜而介绍，下原动机的调速方法和调速特性。 各种紫油机调速系统在调速功能上，一般主戮包含：转速反馈输入，控 蠲溺节罩拜羧行襁麴赣尚这冗令骂蔫一芝( 毒些调逮嚣，妇一些弱予发毫穰熬絷 油机，在调速时附加上旋荷输入，做为转速反馈的补偿) 。其转速反馈环节的 主要作用炮感知发电机的实际转速，如机械调速器的飞铁，电子调速器的磁 电式黄感嚣等。控卷调节环节豹传爆是，将反馈转速懿输入，搬掇调速嚣囊 身豁结褥( 幸咒械式调逮嚣) 或调速算法( 数字式l 彀子调速器) ，转换成控制输 。而执行机构的作用是将控制输出转换成油泵的齿条位移。对于电子调滤 器般这儿个环节在结构上比较清楚，而对另一些调速器，如机械式调速器 或爹械滚惩灞速器。刘往往是褥羹巾豹一望舔节缀合在一起。这稃裁形成了 直接作用调速器和间接作用调速器。船上常采用构是间接作用式液压调速器 和屯子调逮器，在下磷将举例介绍。 23 4 1 离心式调速器瀚原理及特憔 图2 ，l 为离心式调速器示意图。柴油机的传动轴，将转遗传到转轴2 ， 捷飞铰3 绕辘2 旋转，飞铁在离心力作蔫下，力瀚张开。运邋援瓜4 将潘囊 j 向卜顶，压缩弹簧6 ，直到弹簧产生的反作用力平衡。这时滑喾5 处于某一 j 1 7 衡位蜀，通过杠杆7 、枉孝t8 ，将l 汹门拉到一定歼度，使机缎在一定转速下 稳定运行。 着出于突卸负载，机组的转遮升高，飞铁的离心力增加，张开角度 哈尔滨工橼大学硕+ 学能论文 j 0 熠2 1 褰心式调速器示意翻 压迫滑套5 上移，通过枉秆、拉秆使油门减小，阻止转速继续上升。同时， 因滑套上移，将压缩弹簧6 ，弹簧6 反作用力也增大，直到与离心力相平榭， 港套5 敝壤不再上移了。至建，瓤l 缀稳定在一个横塞予覆来转速豹凌态下稳 定运嚣。反之，蔫出予负载突增，转速穆簿低，馕穰组在一个稷低予蒙柬转 速的状惑“f 稳定运行。 换句话说，如负谶减少，则达到新的平衡肘，柴油机承担约负荷减少、 避囊羹也减少，餐转速龆下释了，这矜调速器鞠褥速蒋莲( 紧漉辊貌转逮与 其输出功率的关系) 称为有差调逮。若柴油机的转速与其输出功率大小无关 则称为无靛调速特性。 一n ll m p 暑i 弓) ，剩余 熬功搴袋壤缓滏趋线2 热速，郅凝肇疰l 点上爵，潮余凌率逐澎藏少，最瑟褥 达到助謇平衡点d 对、应于频率疗和五 2 3 6 枧缝闯有功转移与频率调节 2 3 6 1 并联运行机纵间有功功率的转移 下丽讨论一下有功功率的转移，并通过在坐标平面上移动调速特性的分 析方法来进行说明。 假设电力溺上已有台发电机搬缎繁受载逮行，频率为。厶；第二台枧缎 经准确步并入后，还哭是处于空载状态。设两台橇组的容量翱阍，现在需要 将有功功率转移一半给二号机。对这个任务，调速器是不能自动完成的，下 融我静j 以手动操作来避行“自动负衙分配装爱”的工作演示和原理分析。这 攀设电压帮无功分醚已| 耋诞压器豫 燕，敲只讨谂麴 毒实瑰骞甥功率酶转移籁 保持频率不变。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 机组间的功率转移 觅蓬2 4 ，开始时，一号较缓运行子特牲l 魏a 点，对瘟爨必五移尹， 所并入的二号机组空载遮行子特性2 的b 点，对臌量为厶和昱一o 。增大二 号机组的油门，使特性2 向上平移到特性曲线2 2 ：同时减一号机组的油门， 绶褥性1 囱f y - 移副特链鑫l 线1 | ，是与塑线2 稳交予c 点。嚣特犍l l 帮2 2 的交予交点c ，浣明通过上面的调熬，两台梳组的频率都为，厶，丽各自承掇 的功率都为p 2 。以后辫有负载的变化，则由调遴器自动稳定功率分配和调 节电嘲频率。 2 36 2 机缀功率均匀和电网频率的稳定 调遽嚣遴露采弱掰璃熬“畜差谲第法”寒稳定凌率分配彝稳定邀阙叛率。 所滑的? 祷差调节法”，就是将带有肖差调速特性的机组并联。 现以两台具有有嫠调速特性的发电机组并联避行的系统为例，说明有麓 铡节法的工作方式。如阁2 5 矫示，设特性l 和特性2 分别表示题台枫缀的 稠速特性，箕凋差系数分掰为墨；、疋， 1 设在负载变化前，系统运行于a 点，两机组承担的功率均为昱( b 为 上 烫蔽功枣) ，频警均为磊。当系统受羧增麓矗尹对，系缓频搴将下降，l 号翻 2 号机组的次调节过程将沿着各自的调速特幢避行，设下降篷，= 时，l 母 剐! 号机组发m 的功：蛰总和等于电力系统的负载谯f 频率的吸收功率时，系 统达到瑟熬o f 褥。l 号枫王雩# 在蠢点，2 号规工终在盎点，两规分羽承担豹 功率为嚣2 和只。 7 哈尔滨一f ：橼大学硕士学位论文 f n 。 z 图2 5 并列机组频率和有功功率分配示意 幽式( 2 - 1 ) ，1 号机组的功率增量为： 媚= 一a f 绞- l ( 2 - 2 ) 2 号税组的功率蹭量为： 蝇= 一a u 2 ( 2 3 ) 式中，k c ”墨j ：2 号机和2 母桃的调差系数； 够凝率酶交傀餐。 将式( 2 - 2 ) 和式( 2 - 2 ) 的左边和右边部分相加得 舻= 鹋十必一燕= 詈 溅 厂= 一k p a p ( 2 4 ) 式中，岸。并联系统的平均调麓系数。 备蓼【缒豹功搴增量可以写爻 矿 a 置= j ) 竺生( 2 5 ) k ( ! i 矗冀：尹垒_( 2 6 ) 。 式e 2 由此研晃，当系统负荷发生h p 变化时，秭机组原动机调速器的一次调 节作用将引起系统频率的变化，v 由式( 2 4 ) 决定：各机组功率的变化量 总与甜成 i 逡，与番蠡豹k c 或爱毙。 若怨使同容量枫组在并联运行时平均承担系统的功率糟麓，最好令备桃 喻尔滨i 科大学硕士学位论文 组凋速特性的调差系数相等。但实际上，当采用离心式调速器时，若要k c 值都籀等怒缀难骰到懿( 邂子式诵遮瓣粼鞍荔骰至g ) 。在选调逶嚣拜重，要尽霹 能地使k c 值接近，而不必追求较小的k c 值，以利于并联运行稳定性。 山此可见，采用有麓调节法可以实现有功功率的按比例分瓣和稳定电网 频率。薅副蹩当艇耱蘩髑嚣容量、强型号羲辍缝莠联运行，羹琢动撰调速嚣 的型号亦桐同时，各枫缎将均分系统的负荷变化激。 综上胼述，当采用肖差调速特性的机组并联逡行时，各机缀可以有确定 浆功率分酝，频率也可以稳定在一定范围内。 艇应淡髓瓣是，当慧负载变化露，由于凋差系数酶分散缝灏燃油控锈系 统的差异，有功功率分配一般是不均匀的。( 在稳态时，功率分配的实际值与 按平均分配原则所应有功率之差，称为功率分配的静态误差；电网的实际频 率与簇定镞率之差，豫凳频搴静静态谈差。) 兹一簸只要求囊零分醚静骜态谈 茇存符电机额定容量的5 1 0 以内，频率的静态误差在士o 。5 之内。 若渊速器选配得当，则在调速器一次调整作用下，可以获干睁较满意的功 二筝分醚，频羞也不会太大。若想进一步躐少频率与瀵率分配静静态误差，必 须依靠手动或利用自动调频调载装谶杼二次调整才麓实现。 一 2 + 3 7 自动调频调载方案的选择 对电网频率的自动调节和自动控带备机组有功功率的合理分配，有许多 方案可供采用，但归纳越来，大体有以下4 种： l 。套蓑溪节法 有差凋节法和嗣具有有差调逮特性豆调差系数耜近的发嘏梳维并联运行 求实现频牵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鼹， 琵法进行一次调节，各枫鳃只出具露蠢差特性的调速嚣来控铷，邈此不能很 好恐维持籁奉恒定，受载分配一蔽t l 魏不均匀。诧雏，它不裁鑫确转移负荷。 2 ，主调发电机法 这种方法是在并联逡行的发电机缀中选择一禽作为主调机。当电网负载 爻讫露窭糯频差嚣，交主逶援缝进