（轮机工程专业论文）船舶电力系统建模与控制.pdf

独创性声明 rllr lri rl l , ii lr ljfrllrllf y 18 8 0 5 7 3 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 o ， 签名：窆!日期：丝丝：苎：墨! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名)导师( 签名) 日期：矽f f 弓口 0 0 j 心系统之 与管理系 统的要求也越来越高，因此，船舶电力系统的控制质量与控制的稳定性也就显 得越来越重要。为了提高船舶的供电质量，保证船舶电力系统的稳定性，本文 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建了一套基于经典p i d 协调控制的船舶电力系统 仿真模型，重点对原动机的速度控制和发电机的励磁控制进行了建模，为船舶 电力系统实验平台的构建打下了基础。 本文首先介绍了船舶电力系统的组成，重点对调速系统和励磁系统这两个 控制系统进行建模研究。结合当前实船上广泛采用的调速器和励磁系统，本文 的电力系统选用电子调速器和相复励无刷交流励磁控制系统。根据电子调速器 和相复励无刷交流励磁控制系统的结构和控制原理，归纳总结了原动机及其调 速度控制系统和同步发电机及其励磁控制系统的数学模型，并对数学模型进行 了相应的简化，以便于分析和仿真模型的搭建。 接着，根据归纳总结的数学模型以及船舶电力系统的基本原理，利用 m a t l a b s i m u l i n k 软件分别搭建了原动机及其速度控制系统和同步发电机及其 励磁控制系统的仿真模型，再配上必要的简化负载模型，将其整合为完整的船 舶电力系统仿真模型，从而为电力系统的协调控制系统验证试验奠定了基础。 最后，在所搭建的仿真模型上进行典型工况和典型故障的仿真试验。试验 结果表明，所建模型准确地反映了实船的各种状况，所采用的控制策略恰当， 能较好的实现对船舶电力系统的控制，保持船舶电网的稳定运行。 本文所建立的船舶电力系统模型能够用来代替实船进行各种控制策略的仿 真试验，从而进行设计方案的评估；还能够在船舶的制造阶段，模拟各种工况 和故障，检验所造船舶的安全性能，具有广阔的应用前景和推广价值。 关键词：船舶电力系统，速度控制系统，励磁控制系统，m a t l a b s i m u l i n k 。k ， ： 武汉理t 大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a r i n ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sa l li n d e p e n d e n te l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，o n e o ft h ei n d i s p e n s a b l ec o r e s y s t e m so fm o d e r ns h i p s w 曲t h ed e v e l o p m e n to f l a r g e s c a l es h i p s ，t h em a r i n ep o w e rs y s t e mi sm o r ea n dm o r ec o m p l i c a t e d ，a n dc o n t r o l a n dm a n a g e m e n ts y s t e mr e q u i r e m e n t sa r ea l s om o r ea n dm o r eh i g h ，t h e r e f o r e ，t h e e f f e c ta n ds t a b i l i t yo fc o n t r o li nm a r i n ep o w e rs y s t e mw i l lb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n t i no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l ya n de n s u r et h es t a b i l i t yo f p o w e rs y s t e m ，t h i sp a p e ru s em a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r eb u i l tas i m u l a t i o nm o d e l o fm a r i n ep o w e rs y s t e mw h i c hb a s e do nt h ec l a s s i c a lp i dc o n t r o l ，f o c u s i n go nt h e s p e e dg o v e r n o ro fp r i m em o v e ra n de x c i t a t i o no fg e n e r a t o rc o n t r o l l e dm o d e l i n g t h i s s i m u l t a t i o nm o d e lc o n t r i b u t e st ot h ef o u n d a t i o no ft h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r mo f m a r i n ep o w e rs y s t e m t h i st h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o m p o s i t i o no fm a r i n ep o w e rs y s t e m ，f o c u s i n g o nt h e s p e e dg o v e r n i n gs y s t e ma n d e x c i t a t i o n s y s t e m c o n t r o l l e d m o d e l i n g c o m b i n i n gt h er e a ls h i p ，p o w e rs y s t e mo ft h i sp a p e rc h o o s e se l e c t r o n i cg o v e r n o ra n d c o n t r o l l a b l ec o m p o u n de x c i t a t i o nb r u s h l e s se x c i t a t i o n s y s t e m a c c o r d i n gt ot h e s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe l e c t r o n i cg o v e m o ra n dc o n t r o l l a b l ec o m p o u n d e x c i t a t i o nb m s h l e s se x c i t a t i o ns y s t e m ，s u m m a r i z e dt h em a t h e m t i c a lm o d e lo f p r i m e m o v e ls p e e dr e g u l a t i o ns y s t e m ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n de x c i t a t i o ns y s t e m a n d s i m p l i f i e dt h em a t h e m t i c a lm o d e lt of a c i l i t a t et h ea n a l y s i sa n db u i l tt h es i m u l t a t i o n m o d e l t h e n , a c c o r d i n gt ot h em a t h e m t i c a lm o d e la n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fm a r i n e p o w e rs y s t e m ，u s i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r ew e r eb u i l tt h es i m u l t a t i o nm o d e l o fp r i m em o v e r ，s p e e dr e g u l a t i o n s y s t e m ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra n de x c i t a t i o n s y s t e m ，m a t c h e dw i t han e c e s s a r ys i m p l i f i e dl o a dm o d e l ，t oi n t e g r a t et h ec o m p l e t e p o w e rs y s t e m ，s oa st oc o n t r i b u t et ot h ef o u n d a t i o nf o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to ft y p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt y p i c a l f a u l ti sm a d ei nt h es i m u l t a t i o nm o d e l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h em o d e l a c c u r a t e l yr e f l e c t st h ev a r i o u sc o n d i t i o n so fr e a ls h i p ，a d o p t i o no fc o n t r o ls t r a t e g yi s h - t 1 m 、 i i i 、 o i i i 1 1 ：! ：1 1 2 2 船舶电力系统建模研究现状3 1 2 3 船舶电力系统控制研究现状。4 1 3 本文所作的主要工作及论文的主要内容4 1 3 1 本文所作的主要工作4 1 3 2 论文的主要内容6 第2 章船舶电力系统概述7 2 1 船舶电力系统的组成与分类7 2 1 1 船舶电力系统的组成。7 2 1 2 船舶电力系统的分类9 2 2 船舶电力系统的运行特点1 2 2 3 船舶电力系统的基本参数1 3 2 4 本章小结1 4 第3 章原动机及其速度控制系统15 3 1 原动机( 柴油机) 的速度控制1 5 3 1 1 调速器的分类1 6 3 1 2 电子调速器l7 3 2 调速器的性能指标2 0 3 3 原动机( 柴油机) 及其速度控制系统数学模型2 3 3 3 1 柴油机电子调速器数学模型2 3 3 3 2 柴油机简化数学模型2 5 3 4 原动机( 柴油机) 及其速度控制系统的仿真模型2 6 3 5 本章小结2 7 i v 4 4 同步发电机及其励磁控制系统的模型3 7 4 4 1 同步发电机的简化数学模型3 7 4 4 2 励磁控制系统数学模型3 8 4 5 同步发电机及其励磁控制系统的仿真模型4 0 4 6 本章小结4 1 第5 章船舶电力系统协调控制仿真试验4 2 5 1 船舶电力系统协调控制仿真模型4 2 5 2 典型工况仿真试验4 4 5 2 1 原动机起动特性试验4 4 5 2 2 突加负载仿真试验4 5 5 2 3 突卸负载仿真试验4 7 5 2 4 突加突卸仿真试验4 9 5 3 典型故障仿真试验5l 5 3 1 三相短路仿真试验51 5 3 2 单相接地仿真试验5 3 5 4 本章小结5 5 第6 章总结与展望5 6 参考文献5 8 致谢6 l 攻读硕士学位期间发表的论文6 2 v - 船舶如同一座在海上可以自由移动的独立的城市，为了满足这座“城市”的正 常运转以及船上人员正常生活的需求，它也像陆上的城市一样有各种各样的用 电设备，因此这座特殊的“城市”就必须有自己独立的发电以及配电设施，以满足 用电设备的用电需求。这样，就构成了一个由发电、配电和用电设备所组成的 独立的船舶电力系统。对船舶电力系统进行建模与控制的研究是在超大型海运 船舶大量应用以及船舶电力系统出现了超常规发展的背景下而进行的。由于世 界各国经济的复苏，各国之间的贸易量随之增加，使得对于超大型船舶的需求 日益增加，海运船舶超大型化发展趋势已经显现。这些超大型船舶都广泛使用 了船舶电力侧推系统，有些船舶的主推进器甚至采用了电力推进方式，导致了 大量的超大功率电力推进设备广泛应用在船舶上，从而大大增加了船舶电站的 负荷，使得船舶电站的容量也必须得到相应的增加【j 】。随着船舶电站容量的不断 增大，越来越多的船用设备需要用电能来驱动和控制，使得整个船舶电力系统 越来越复杂，对电力控制与管理系统的要求也越来越高，因此，船舶电力系统 的控制质量与控制的稳定性也就显得尤为重型2 。 电能的生产、传输、消耗在船舶电力系统正常运行过程中都必须保持动态 平衡，系统中的各个组成部分通过电气联系而联接成一个统一的整体，系统中 任何一个元件发生故障可以瞬间波及整个电网，从而可能对整个电力系统的运 行产生安全隐患，严重时将会使系统失去稳定，由此会威胁船舶的安全和船员 的生命。船舶在茫茫的大海上独立航行，船舶电力系统是船舶的生命，相对于 陆上的电力系统而言，船舶电力系统具有很强的独立性，对系统的安全运行具 有很高的要求，从而使船舶电力系统分析与控制成为一个特殊的研究领域1 3 。 船舶电力系统设计方案应用之前首先需要进行系统静态与动态品质指标、 系统安全运行和系统优化等一系列的评估，另外还需要进行系统参数设定以及 相关故障模拟试验。因此，船舶电力系统的设计、系统调试、参数整定和故障 仿真，都是船舶电力系统设计方案应用之前所必须进行的工作。然而，船舶电 力系统的模型与仿真平台的建立可以轻松地在计算机上完成以上所有的评估工 i ， 武汉理工大学硕士学位论文 作，减少了人力、物力的投入。但是，电力系统模型的精确性对系统设计方案 的评估起到了至关重要的作用，由于不准确的船舶电力系统模型导致得到的系 统分析结果过于乐观和悲观，都会对船舶电力系统的设计和运行造成无法预计 的损失。因此，针对船舶电力系统的特点，对船舶电力系统的控制方法进行建 模和分析研究具有重要的理论价值和实际应用意义。 1 2 相关问题的国内外研究现状 船舶电力系统建模、分析与控制研究是以实际船舶电力系统为研究对象， 运用系统建模理论、仿真技术、系统分析与自动控制理论，根据船舶电力系统 的结构、工作原理和工作特点对电力系统的各个基本单元建立数学模型，然后 利用仿真软件根据数学模型对各个模块进行仿真模型的搭建并整合各个模块的 仿真模型，最终形成船舶电力系统模型【4 】。并基于此模型对船舶电力系统的各种 运行情况进行分析和控制研究，尤其是对船舶的发电单元柴油发电机组的 控制研究更是整个系统控制的核心。最终将试验研究的成果应用到实际船舶的 电力系统中去，实现对船舶电力系统更好的控制，来保证船舶电网的稳定性。 1 2 1 船舶电力系统发展现状 电能在船上的应用已有近百年历史，早期电能的使用仅仅为了满足船上的 夜间照明和简单的信号，而后发展到动力设备。在2 0 世纪5 0 年代以前建造的 船舶，基本上以直流电为主。因为在当时的技术条件下，直流发电机具有调压 和并车简单、易于调速且启动冲击小、开关电器及仪表简单、蓄电池可直接由 电源充电等优点。 随着技术进步和船舶电气化程度的不断提高，电站容量日益增加。自2 0 世 纪5 0 年代以后，成功地解决了曾经阻碍船电交流化的一系列难题，交流电制得 到飞速发展和完善，如今，交流电制在船舶上已占据主导地位1 5 j 。 随着船舶向大型化和多功能化的发展，对船舶电力系统提出的要求也越来 越高。船舶电站在近几十年中有了很大的发展，其发展的突出标志是高容量和 自动化。电气设备的性能优良、功能完备、系列化和高科技是实现船舶安全可 靠运行的基本保证。随着电气基础元器件在理论、材料、制造工艺和应用技术 等发面的研究开发，新一代电气元器件将不断涌现，从而使船舶电气设备相高 可靠性、节能型方向发展，势必会对船舶电气技术带来重大变革。 2 武汉理工大学硕士学位论文 船舶自动化经历着从最原始的手动就地操纵进化成手动遥控操纵，再进一 步发展成半自动控制，最后发展到目前的全自动无人值守的发展过程。计算机 技术为船舶综合自动化提高了广阔的发展空间。目前，船舶自动化技术正朝着 微机监控、全面电气化、综合自动化方向发展。高可靠性、功能齐全、分布式、 多微机网络型的电站自动化系统，将是未来船舶电站自动化的发展方向1 6 】。 1 2 2 船舶电力系统建模研究现状 由于电力系统在现代船舶中的重要性，人们长期以来一直致力于船舶电力 系统的研究与应用，但直到近几十年，人们才开始系统地对船舶电力系统的建 模、分析和控制进行研究。七十年代以来，挪威的挪控公司( n r c o n t r 0 1 ) 、英 国船商公司( t r a n s s ) 、德国西门子公司( s i e m e n s ) 、日本三菱公司 ( m i t s u b i s h i ) 等大公司都开始研制和生产包括船舶电站模拟器在内的轮机模 拟器，从而开始了船舶电力系统建模与分析等方面的研究工作。国内直到九十 年代后期，武汉理工大学、哈尔滨工程大学、上海海事大学等高等院校和相关 船舶研究与制造单位才开始研究、制造包括船舶自动化模拟电站在内的轮机模 拟器，从此，船舶电力系统建模、分析与控制在国内逐渐成为一个研究热点。 经过多年的研究，很多单位在船舶电力系统建模和轮机模拟器系统方面的研究 中都有显著的成果，例如武汉理工大学研制的w m s 2 0 0 4 型轮机模拟器和自动化 船舶电站模拟器都已应用到国内多所高等航海院校。但是这类模拟器主要着重 于船舶电力系统的外特性建模仿真与分析，主要为了满足轮机员教学培训的需 要，而不适合用于对船舶电力系统控制的深入研究。 经过几十年的发展，船舶电力系统的建模研究不论是在理论上，还是在实 践上，都已经取得了丰硕的研究成果，积累了大量的数学模型和行之有效的控 制算法。但是目前在系统建模方面，系统运行的精确性与实时性是一个比较突 出的问题，因此，非常有必要根据船舶电力系统自身的特点对系统进行建模的 研究，尽可能地提高系统模型的精确性和运行过程中的实时性。船舶电力系统 是多个柴油发电机组与各种供配电装置组成的大型复杂系统，对于这类大型复 杂系统的建模要考虑到很多非线性和自适应等因素，另外，所建模型能否真实、 全面、系统地反映船舶电力系统运行中的各种实际情况也是我们需要考虑的重 要因素之一。 武汉理工大学硕士学位论文 综上所述，世界各国高校和科研院所都极为重视船舶电力系统建模的研究， 从而为船舶电力系统的控制研究和设计方案的确定提供一个精确且低成本的验 证途径。 1 2 3 船舶电力系统控制研究现状 船舶电力系统的控制研究相对建模研究要早一些，目前的控制方法以经典 的p i d 控制为主。近些年来，有很多智能控制方法和理论被人们从陆上的电力 系统中尝试性地移植到船舶电力系统的控制中来，以提高控制质量，保证船舶 电力系统的稳定性。人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n n ) 便是其中 的一种。a n n 具有处理复杂非线性映射能力、较强的容错能力和对噪声的鲁棒 性，可以很好地满足控制对象的非线性特性【7 】【引。a n n 控制在陆用电力系统中已 有一定的应用，而在船舶电力系统中的控制研究还处于起步阶段。 随着现代船舶电气自动化程度的日益提高，船舶对电力供应的依赖性越来 越大，高安全性和高可靠性的船舶电力系统己成为现代船舶不可缺少的重要系 统之一。为保证船舶电力系统的安全稳定、可靠运行，以提高船舶发电机组的 供电质量，目前还需要对船舶电力系统的很多方面进行研究，比如：船舶电力 系统的动态运行过程研究；船舶电力系统模型研究，对系统的各方面进行运行 评估；船舶发电机组智能控制方法研究；船舶电力系统不稳定运行因素与故障 分析；电网谐波的分析等等【9 】。其中，发电机组的控制问题是船舶电力系统的核 心控制问题，包括柴油机转速控制和发电机励磁控制两方面，这两方面的控制 目前仍然是以经典的p i d 控制为主。由于船舶电力系统是多柴油发电机组的大 型复杂系统，存在同一发电机组控制系统中两个控制回路的控制适应性与协调 性问题，同时还存在着不同发电机组并联运行时不同机组之间的控制适应性与 协调性问题【1 0 】。这些都是导致船舶电力系统的运行质量达不到理想要求的主要 因素。 1 3 本文所作的主要工作及论文的主要内容 1 3 1 本文所作的主要工作 本文主要是应用m a t l a b s i m u l i n k 软件对船舶电力系统进行建模与控制研 究，具体工作如下： 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 根据船舶电力系统的结构，将整个系统分为原动机及其速度控制系统、同 步发电机及其励磁控制系统以及负载三个部分，根据各自的工作和控制原理分 别建立数学模型。 2 利用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建、调试各个功能模块的仿真模型，并整 合、联接各功能模块的仿真模型，使之成为一个比较完整的船舶电力系统的仿 真模型，最后运用协调控制的手段对整个系统的仿真模型进行联调，使系统能 模仿实际工作情况顺畅运行。 3 在完整的船舶电力系统仿真模型上通过典型工况和典型故障的仿真试验， 分析实验数据，来评估该船舶电力系统模型中各部分建模的准确性以及控制系 统的稳定性。 本文的主要工作流程如图1 1 所示。 船舶电力系统 原动机及速度同步发电机及 控制系统数学励磁控制系统 负载简化数学 模犁 模型 数学模型 原动机及速度控 同步发电机及励 负载简化仿真 磁控制系统仿真 制系统仿真模型模型 模型 船舶电，j 系统协 调控制t哼真模型 仿真试验 分析试验结果 图1 1 本文主要工作流程图 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 论文的主要内容 本文是在课题研究工作完成后，取得一些实验成果的基础上撰写的。本文 的章节安排如下： 第一章绪论。主要说明本课题的研究目的和意义以及与本课题相关的国内 外的发展现状，另外，对本文的主要研究内容及章节安排进行了介绍。 第二章船舶电力系统概述。对船舶电力系统从总体上进行了概述，首先介 绍了船舶电力系统的组成和分类；然后阐述了船舶电力系统与陆上典型的电力 系统不同，对其独特的运行特点作了总结；最后简要介绍了船舶电力系统运行 在过程中的一些基本参数。 第三章原动机及其速度控制系统。对柴油机调速器的类型进行了介绍，重 点介绍了本文所采用的电子调速器的结构和控制原理，并阐述了调速器工作过 程中的性能指标；接着根据柴油机以及调速器的结构和控制原理归纳出了简化 的数学模型：最后根据数学模型利用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建了仿真模型， 为后文的仿真试验作准备。 第四章同步发电机及其励磁控制系统。首先介绍了励磁系统的要求、功能 及组成，并重点对励磁系统中最重要的元件自动电压控制装置的技术指标 和分类情况进行了介绍；接着阐述了本文所采用的相复励无刷交流励磁控制系 统的结构和控制原理，并据此建立了同步发电机及其励磁控制系统的数学模型； 最后根据数学模型利用m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建了仿真模型，为后文的仿真 试验作准备。 第五章船舶电力系统协调控制仿真试验。根据第三章和第四章的控制系统 模型，搭建了整个船舶电力系统协调控制仿真模型，并进行了典型工况和典型 故障的仿真试验，验证所采用的控制策略和所建模型的正确性，为建立船舶电 力系统实验平台打下基础。 第六章总结与展望。 6 配电装置、电力网和电力负载四部分组成。图2 1 为船舶电力系统简图。其反映 了船舶电力系统的电源、配电装置、电力网和负载之间的关系，其各功用如下。 m s bd s b q f l g 3 、厂一 q s l 够黑一上 g 2 ，一一，一- l l ， q s 2j j q f 3 i g l 卜二 q q f 1 2 _ m 1 ( 二 一 卜 q f ；生一m 2 o f e q f 3 2 , i a j _ ，q 车卜- - q f t 一晚： _ 匕d 图2 1 船舶电力系统简图 g l g 3 主发电机g e _ 一应急发电机q f l q f 3 发电机组断路器 q f ll q f 3 3 配电断路器m s b 主配电板d s b 分配电板t - 变压器 a 变流装置q f e _ 应急断路器q s l 、q s 2 隔离开关 武汉理：f 大学硕士学位论文 1 电源 电源是将其他形式的能源( 如机械能、化学能等) 转变成电能的装置，用 于整个船舶电能的产生，其主要是由主发电机组( 直流或交流) 和主配电板组 成f 1 2 1 。船上的电源装置通常是柴油发电机组和蓄电池。主发电机组是船舶的主 电源，应急发电机组是应急电源，蓄电池组一般作为小的应急电源使用。主发 电机组不能供电时，由应急发电机组或蓄电池组向船舶重要航行设备和应急照 明系统供电。直流船舶电力系统采用直流发电机组，交流船舶电力系统采用交 流发电机组。 主发电机组是由主发电机和原动机组成，原动机带动主发电机发电。原动 机的类型可分为蒸汽机、柴油机、汽轮机和燃气轮机等。由于柴油机热效率较 高、启动快、机动性好，因此在民用船舶上主发电机和应急发电机的原动机多 采用柴油机。如果船舶主机为汽轮机，其发电机的原动机一般采用汽轮机，汽 轮机需要有配套的燃煤或燃油的蒸汽锅炉装置；核动力船舶( 如有些破冰船和 军用舰船) 则为原子能锅炉；有些船舶为了达到节能的目的，充分利用船舶主 机1 0 - - - 1 5 的功率储备裕量和主机排出废气的热能，因而出现了用轴带发电机 和主机废气透平发电机作为船舶电源。 为了便于电源的管理，发电机组通常集中布置在一个或几个舱室中。发电 机的控制和监测等功能均由主配电板完成。 2 配电装置 配电装置是用来接受和分配发电机发出的电能的装置，与电力网有着密切 的联系，也是对电源、电力网和负载进行保护、监视、测量、转换和控制的装 置。其主要任务是依据各用电设备( 负荷) 的性质和容量，选择合理的供电方 式和合适的配电开关。 配电装置包括各种电力开关、互感器、测量仪表、连接母线、保护电器、 按钮、控制和转换开关、自动化设备及各种附属设施等。根据供电范围和对象 的不同，配电装置可分为主( 总) 配电板、应急配电板、分配电板( 箱) 、充 放电板和岸电箱等。 3 船舶电力网 船舶电力网是输电部分，是全船电缆电线的总称。 船舶电力网是联系发电机、主( 应) 配电板、区域配电板、分配电板和负 载的中间环节，是将电源的电能输送到负载的媒体。船舶电力网按其所连接的 负载的性质，可分为动力电网、照明电网、应急电网、低压电网和弱电电网等。 武汉理工大学硕士学位论文 4 电力负载 电力负载又称电力负荷，指消耗电能的各种用电设备，它的作用是将电能 转换成其他形式能量作为输出。 船上的用电设备形式多样，但动力负载( 各种电力拖动机械) 是其中最主 要的负载，约占全船总用电量的7 0 左右。另外还有一些其他形式的负载，如 照明负载、通信导航设备等，如果是军事舰艇，则还有特殊的武器装备负载。 根据船舶上各种电力负载的用途，可将其大致可分为如下几类【1 3 】f 1 4 1 ： ( 1 ) 船舶各种电力拖动机械设备 甲板机械舵机、锚机、绞缆机、起货机、舷梯绞车、吊艇机等。 舱室机械各类油泵、水泵、空压机、冷冻机、通风机、空调设备等。 电力推进船舶或特种工程船舶所用的推进电动机及电力生产机械等。 ( 2 ) 船舶照明设备 工作场所和生活舱室中安装的各种电气照明灯具、航行灯和信号灯等电气 设施。 ( 3 ) 通导设备 包括船舶通信和导航设备。船舶通信设备有无线电收发报机、电话、广播、 声光报警装置和电车钟等；导航设备有陀螺罗经、雷达、罗兰、无线电测向仪、 测深仪和计程仪等。 ( 4 ) 生活及其他用电设施 如电热器、洗衣机、电视机和影碟机等家用电器。 对船舶用电设备( 负载) 加以保护，同时对整个船舶电力网进行协调保护， 可以提高供电电网的连续性和电力系统的生命力。 2 1 2 船舶电力系统的分类 对于不同用途和不同吨位的船舶，其电力系统实际上存在着很大的差异。 通常将船舶电力系统的发电机组和主配电板称为电站。若按电站的数量和其与 船舶能源系统的关系，大体可分为单主电站电力系统和多主电站电力系统【l5 1 。 1 单主电站电力系统 单主电站电力系统除了配备一个主电站，来保证船舶在正常的运行工况下 对各种用电设备的供电外，一般还设置停泊电站或应急电站，用来保证在船舶 处于低负荷、应急或其他特殊工况下对部分重要电气设备的供电。单主电站电 9 武汉理工大学硕士学位论文 力系统通常设置两台或两台以上的发电机组，以便在一台发电机组出现故障或 需要检修时系统仍能正常工作。这种系统常用于各种民用船舶和军用辅助船舶。 图2 2 为某万吨级货轮单主电站电力系统示意图。主电站的容量为10 0 0 k w ， 主发电机组数量为4 台，另有台容量为2 0 0 k w 的应急发电机。 一 q f l ( q 卜，一7 _ 1 一，一正常 ，q f 3 。 负载 ( g 3 、广一，一联络 断路器 卜_ 一，一 l 隔离 开关 l ，正 一 q f 4 7 7 负 f 6 缸一l ，丑一矿 主配电 板m s b 卜照明 应急配 电板 e s b 应急 负载 马：。二卜赛曩 图2 2 某万吨级货轮单主电站电力系统 如图所示，每台机组通过电缆、断路器和主配电板汇流排( 即母线) 相连 接。当两台发电机组同时供电时，发电机并联运行在共同的汇流排上，这样不 但简化了供电网络，提高了船舶电站的备用容量，还可以减少由于大的用电负 荷的急剧变化( 如起动大功率电动机时) 所引起的电网电压波动。汇流排采用 分段连接形式( 即通过隔离开关把汇流排分为两段或几段) 。虽然多了一个或 几个隔离开关但却具有一系列的优点。例如：同时工作的发电机可以单独运行， 也可以并联运行；当一段汇流排发生故障时，通过隔离开关的分段，使未发生 故障的一段汇流排继续f 常供电；当某段馈线发生短路故障时，由于分段隔离 开关的迅速断开，就会切断另外一段汇流排上供给的短路电流，因而馈线上的 短路电流就会相应减少。 在单主电站电力系统中，正常情况下是由主发电机供电给主配电板汇流排 和应急配电板汇流排。一旦主发电机故障停止供电时，应急发电机可手动或自 动起动投入工作，并通过联锁装置将主配电板和应急配电板的联络断路器断丌， 这样既可防止应急发电机向主配电板供电而造成过负荷，又可避免当主发电机 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 恢复供电时出现两者同时向应急配电板供电的现象而发生事故。当船舶停靠码 头时，一般可利用岸电( 陆地上的电网) 给船舶供电。岸电一般要接到应急配 电板上，然后再通过联络断路器送至主配电板。 2 多主电站电力系统 多主电站电力系统是指船舶上设有两个以上主电站的电力系统。这种系统 一般用于战斗舰艇、核动力船舶或其他对供电可靠性要求较高的船舶上。例如， 大型的航空母舰上有时甚至设置8 个电站，这些电站分散布置在舰船比较安全 的部位，保证电力系统具有较高的供电可靠性和生命力。 图2 3 所示为某船的多主电站电力系统。船上有两个发电站：一组为汽轮机 发电站( 艉电站) ；另一组为柴油机发电站( 艏电站) 。两个电站均装有两台 发电机组，同一电站的发电机组可并联长期运行。为了提高供电的可靠性，系 统采用跨接线将艏艉两个电站的主配电板连接起来。在战斗时，负荷较重，跨 接线上的断路器断开，两电站独立工作，分区供电；在非战斗时，负荷较轻， 跨接线上的断路器接通，这时可由一个电站向全船供电。对于重要负载，可由 转换开关将其接到任意一个电站上供电，可以提高对此负载供电的可靠性。 ( 艉) 主发 电机 o f 2 f g 4 一一。 ll 络 路器 翳负砷载一q f 一21 ，一1q f 3 一娟负载 负载 一 l 一 一g 兔 型u 篙纠) 下常t 2 一赫： 言裘 一正常 照盼。一( j 一卜y r 么_ 。叭 ? ?| _ 譬一“ ：一f ：) 卜一照明正常q f 2 3 卜多越线二二藩誓i 汽轮机 发电站 msb1 图2 3 某船的多主电站电力系统 柴油发 电站m sb2 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 船舶电力系统的运行特点 由于船舶是一个孤立的活动于水面上的独立体，使得船舶电力系统与陆上 电力系统相比有很大的差异，主要有以下几个方面【1 6 】【17 1 。 1 船舶电力系统的容量较小 陆上电网容量一般在几百万至几千万千瓦，单机容量大多数在数十万千瓦， 如三峡水电站总装机容量为7 7 0 0 0 0 0 k w ，且各电厂联网运行，因此路上电源可 以认为是无限电源系统。而船舶发电机单机容量较小，一般不超过1 0 0 0 k w ，可 见船舶电源远远小于陆上电源，因此船舶电源只能视为有限电源系统。 由于船舶电站容量较小，所以当某些可与单台发电机容量相比的大负载起 动时，会对船舶电网将造成很大的冲击( 电压、频率跌落均很大) ，另外，当 发生局部故障或有人员的误操作时，都容易导致全船断电，从而威胁船舶安全。 因而对船舶电力系统的稳定性和可靠性要求较高，如船用发电机调压器的动态 特性指标比陆地发电机的要高，还要有强行励磁能力，发电机要有较强的过载 能力等【1 8 】。另外，由于船舶工况变动频繁，对自动控制装置的性能也提出了较 高的要求。 由于船舶电力系统相对独立，且容量小，因此船舶发电机组的电压和频率 调节相对较难，调整发电机的电压或原动机的转速，将直接影响电网电压和频 率的波动。不同于陆上的无穷大电网，调节一台发电机的电压或频率，无法左 右全电网的电压或频率，只能改变自身有功功率或无功功率的大小来取得平衡。 船舶电力系统容量虽小，但可靠性要求较高。通常船舶只有一个电站工作， 任何断电事故都将危及船舶航行的安全。在无人值守的情况下，要求在未酿成 断电事故之前应有完善的防范措施，当出现导致全船断电的趋势时，备用机组 就要自动投入运行，替换故障机组，以保持供电的连续性。即使出现断电现象， 也要保证断电时间最短，尽快恢复供电。 2 船舶电网输电线路短 与陆上输电距离数千公里相比，船舶电网输电距离较短，输送的容量也较 小，船舶电网往往不需要采用高压输电，因此电能损失较小。大多数船舶发电 机端电压、电网电压和负荷电压一般为同一电压等级，且电压低( 5 0 0 v 以下) ， 所以输配电装置较陆上电力系统简单。因为船舶空间有限，电气设备相对比较 集中，输电线路较短( 一般不超过2 0 0 m ) ，且都采用电缆，所以对发电机和电 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 网的保护比陆上电力系统要简单，但是当电网发生短路时对发电机和供电系统 的影响较大，所以在保护配合方面的要求比较高。 3 船舶电气设备工作环境恶劣 船舶电气设备工作条件比陆上恶劣得多，环境条件对电气设备的运行性能 和工作寿命有严重影响。当工作环境温度高时，会造成电机出力不足，绝缘加 速老化。相对湿度高则会使电气设备绝缘受潮、发胀及变形等，使绝缘性能降 低，并且会使金属部件加速腐蚀，镀层剥落；空气中的盐雾的存在、霉菌的生 长和油雾及灰尘黏结都能使电气设备绝缘下降、影响其工作性能。船舶运营中 常常受到严重的冲击而产生振动、倾斜和摇摆，会造成电气设备损坏、接触不 良或误动作。因此，船用电气设备必须满足“船用条件”要求【l9 1 。 2 3 船舶电力系统的基本参数 船舶电力系统的基本参数是指电流种类( 电制) 、额定电压和额定功率的 等级【2 们。它们决定了电站工作的可靠性和电气设备的重量、尺寸、价格等。 1 电制的选择 由于电源有直流电源与交流电源之分，因此船舶电力系统也相应有直流电 力系统船舶与交流电力系统船舶，习惯上把它们称为直流船与交流船。在2 0 世 纪5 0 年代以前所建造的船舶，极大部分是直流船；而后随着科学技术的发展， 在6 0 年代以后建造的船舶主要是交流船；7 0 年代后除特种工程船舶外，几乎都 采用交流电力系统。 交流船舶的电气设备在维护、保养等发面工作量比直流船要少得多，且交 流电机结构简单、体积小、重量轻、运行可靠，其相应控制设备也简单。当采 用三相三线绝缘系统时，照明网络与动力网络没有电的直接联系，因此对地绝 缘电阻低的照明网络基本上不影响动力网络。采用交流电制后，船舶的造价和 维修费用也有明显的降低。 2 额定电压的选择 船舶电力系统额定电压的大小直接影响到电力系统中所有电气设备的重 量、尺寸、价格等技术经济指标以及人生安全问题。提高电压主要是使电缆网 络的重量和外形尺寸减少，对电力系统中的其他元件的重量、尺寸特性影响并 不大。可是电压的提高对电气设备的绝缘和安全方面也提出了更高的要求，因 此船舶建造时选择额定电压主要考虑是与本国陆上低压电网额定电压相一致。 武汉理- t 大学硕士学位论文 我国交流船舶主电网额定电压为3 8 0 v ：照明负载为2 2 0 v ；直流船舶的额定 电压有2 2 0 v 或11 0 v 。电源额定电压约比电网电压高5 ，如发动机为4 0 0 v ， 照明变压器为2 3 0 v 。国外建造的交流船舶电网电压有4 4 0 v 的。 随着船舶用电量的增加，船舶发电机的总装机容量和电机容量也大大增加， 低压电压等级已不能满足要求，因此，出现了中压电力系统，如某些商船上已 采用了3 3 k v 的电力系统。 3 额定频率的选择 交流船舶电力系统的额定频率选用陆上的标准等级，有5 0 h z 与6 0 h z 两种 标准。我国采用的频率为5 0 h z ，一些国家如日本、美国等采用6 0 h z 的标准频 率。 2 4 本章小结 本章对船舶电力系统进行了综述，概括性的介绍了船舶电力系统的组成和 分类，然后将其与陆上典型的电力系统进行比较，分析、总结船舶电力系统的 运行特点，最后对船舶电系统运行过程中的一些基本参数作了简要的介绍。 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 第3 章原动机及其速度控制系统 由于柴油机热效率高、结构简单、经济性好等优点，所以目前船舶上普遍 采用柴油机作为发电机组的原动机。柴油机经过近百年的发展，主要经过了三 次重大的技术变革：第一次技术变革是在2 0 世纪2 0 年代，机械式供油系统取 代了传统的蓄压式供油系统；第二次技术变革是在2 0 世纪5 0 年代，增压技术 逐渐应用在柴油机上，增加了柴油机的热效率；第三次技术变革是在2 0 世纪9 0 年代电子控制技术在柴油机上的研究与应用【2 1 】【2 2 】。当前，能源短缺，环境问题 突出，世界各国越来越重视柴油机的燃烧和排放，因此柴油机的电子控制技术 是衡量柴油机性能的重要指标之一。随着科学技术的发展，尤其是控制理论和 微电子技术的发展以及船舶自动化程度的提高，使得以计算机为核心的数字式 电子控制技术在柴油机的电控技术中得到广泛的发展与应用。