船舶电气设计

1、课程设计成果说明书题目：船 舶 岸 电 自 动 并 车 装 置 的 设 计学生 姓名： 向 得智学 号 ： 130407132学 院 ： 船 舶与 海洋工程学 院班 级 ：A13 船 电指导 教师：单 海校浙江海洋学院教务处2016年 06 月 19 日浙江海洋学院船舶与海洋工程 学院课程设计成绩评定表20152016 学年第 二 学期学院 船舶与海洋工程学院 班级 A13 船电 专业 船舶电子电气工程学生姓名 （ 学 号）（13向04得07智132） 课名程设称计船舶电气设计与检验题目船舶岸电自动并车装置的设计指导教师评语指导教师签名：年月日答辩评语及成绩答辩小组教师签名：年月日浙江海洋学院

2、 课程设计 任务书学院 船舶与海洋学院 班级 A13 船电 专业 船舶电子电气工程学生姓名 （学号）向得智 课程（130407132） 名称 船舶电气设计与检验设计 题目船舶岸电自动并车装置的设计完成 期限自 2016 年 6 月 13 日至 2016 年 6 月 20 日 共 1 周设 计 依 据随着船舶电站自动化程度的不断提高和微机控制技术的飞速发展， 先进的 数字控制式的自动并车装置一显示出其特有的优越性。 数字控制方案可采用单 片机、 微机或工控机作为控制核心， 也可以采用数字信号处理器或可编程控制 器（ PLC ）实现自动控制。设 计 要 求 及 主 要 内 容自动并车装置应具有以下

3、功能：（1）检测待并发电机电压与运行发电机的电压差、频率差和相位差，当 任一条件不符合时，实现闭锁，不允许发送合闸指令。（2）检测待并发电机与运行发电机电压的频率差，根据频差的大小和方 向自动的对待并发电机组发出调频信号， 使待并发电机组频率与运行发电机频 率接近，减小频差，创造合闸条件。参 考 资 料1刘国平 . 船舶电气与通信 M. 北京：海洋出版社 ,20042张国桥，穆鑫探索岸电技术建设绿色港口一连云港港船舶靠港接用岸电项目 调査港口经济， 2011,（ 1） :36-383黄建新， 船舶电站微机保护及自动准同步并车系统研究，大连海事大学硕士学位论文， 2006II目录一、设计任务及要

4、求 - 1 -1.1 设计任务 - 1 -1.2 设计要求 - 1 -二、设计过程 - 1 -2.1 自动同步并车原理 - 1 -2.1.1 同步并网的过程及原理 - 1 -2.1.2 同步并网过程 - 1 -2.1.3 同步并网分类 - 2 -2.1.4 并联运行的条件 - 2 -2.1.5 并联运行分析 - 4 -2.1.6 并联运行并网点的捕捉 - 6 -2.2 供船舶用岸电结构及技术 - 8 -2.2.1 供船舶用岸电电源结构和分布 - 8 -2.3 自动准同步并车装置硬件设计 - 10 -2.4 软件设计 - 12 -2.4.1 自动准同步并车装置软件设计整体构架 - 12 -三、参

5、考文献 - 13 -III船舶岸电自动并车装置的设计摘要： 随着科学技术的日新月异，舰船修造技术也日趋成熟。现如今，海运在全球运输系统 中起着不可或缺的重要作用，港口已经成为区域经济和国民经济社会发展的重要战略资源。 与此同时， 经济高速发展中的中国与世界各国的航运贸易大规模正不断扩大， 越来越多的远 洋船舶到访我国各大港口。 特别是随着经济全球化以及造船技术的飞速发展， 大吨位船舶数 量急剧增加，由船舶造成的海洋环境污染日趋严重。船舶多靠燃烧燃油，燃气等进行发电， 回向环境中排放大量的二氧化碳以及氮氧化物等， 对环境造成污染。 在船舶靠港期间， 原动 机的发动更是对港口的造成除环境污染外的噪

6、声污染。 相对于船舶上辅机发电供电， 船舶在 靠港期间接用港口岸电电源进行供电， 在对于燃烧燃油所带来的污染物排放控制、 噪声减少、 能源节约等方面优势明显， 且具有良好的社会效益和经济效益。 本文从各个方面比较了低压 岸电电源电源和高压岸电电源的优缺点， 分析了船舶岸电自动并车装置的主要技术， 着重对 靠港船舶如何更好跟方便的使用岸电进行了讨论。 对靠港船舶接岸电技术进一步探索， 对于 保护海洋环境、促进节能减排和港口可持续发展具有重要深远的意义。关键词： 船舶；岸电电源；并车装置；自动、设计任务及要求1.1 设计任务搜集大量文献资料， 理解船舶岸电自动并车装置原理并根据原理确定总体设计方案

7、。 然 后进一步确定船舶岸电自动并车装置的硬件以及软件的设计方案。1.2 设计要求自动并车装置应具有以下功能：（1）检测待并发电机电压与运行发电机的电压差、频率差和相位差，当任一条件不符合 时，实现闭锁，不允许发送合闸指令。（2）检测待并发电机与运行发电机电压的频率差，根据频差的大小和方向自动的对待并 发电机组发出调频信号， 使待并发电机组频率与运行发电机频率接近， 减小频差， 创造合闸 条件。二、设计过程2.1 自动同步并车原理2.1.1 同步并网的过程及原理岸电电源与船舶的连接操作有两个部分：当船舶进港时，船舶需要连接港口岸电电源； 当船舶离港时，船舶需要断开岸电电源，使用船舶自身的发电机

8、电力。2.1.2 同步并网过程船舶使用岸电的全部操作过程如下：（1）船舶靠港之后，确保船舶和岸电电源的电缆接地线接地正常，消除船舶与岸电电 源之间的静电电势差；（2）连接船舶与岸电电源之间的电力传输电缆和信号控制电缆；（ 3）确认岸电与船电之间的连接插头被正确的连接好，并开始输送电力；（ 4）船舶辅机与岸电电源进行并网同步；（ 5）当岸电与船电并网同步完成，岸电连接断路器合闸之后，船舶发电机卸掉负载，关闭发电机；6）船舶使用岸电电源的过程中，监控系统监视整个电路中的任何故障，例如接地故障、短路等；（ 7）当船舶要离港时，打开辅机引擎，调节船舶发电机使其与岸电电源并网同步；（8）当负载从岸电电源

9、转移到船舶发电机后，切断岸电电源。并保证岸电电源的接地 系统正常接地，以确保安全；（9）断开岸电电源的连接电缆和控制电缆，船舶准备离港。2.1.3 同步并网分类现代的船舶基本上均采用了交流船舶电站， 且由于船舶本身对电站的大功率、 可靠性和 连续运行的要求， 一般的船舶电站均安装两台或者两台以上的发电机组本小节从船舶电站的 角度分析并网的分类，即发电机组之间或者发电机与船舶电网间同步并网。同步并网可以分成两类：自同期并网法和准同期法。 自同期并网是指将在没有加励磁的情况下把待并网发电机的转速升至发电机机组的同 步转速， 然后把待并网发电机并入系统， 随即供给励磁电流， 依靠机组之间的自整步作用

10、将 待并网发电机拉入同步。 自同期并网法的优点是合间迅速、 操作简单。 自同期一般只需要几 分钟既可以完成同步， 在系统紧急需要额外功率的情况下， 有利于系统的快速稳定。 由于在 没有励磁的情况下不需要考虑准同期并网的一些条件， 易于实现自动化。 但是采用自动同期 并网的方法也有较大的危害， 在合闸的瞬间发电机的定子能够吸收大量的无功功率， 从而使 整个系统在合闹时候电压大幅降低。 准同期并网法在发电机与电网的并网中运用广泛。 准同 期方式并网是当待并网发电机组完全符合并网条件后， 把发电机与电网同歩并车。 采用这种 方式的所产生的冲击电流下， 对电网和发电机组均不会产生较大的危害， 同时对用

11、电设备也 不产生大的冲击。 准同期并网的操作方法是： 在待并网的发电机组与电网并网之前， 调节发 电机转速， 使其产生的电压频率与电网同步； 调节发电机励磁电流， 使发电机产生的电压与 电网电压同歩。 在保证频率差和电压差的条件下， 寻找两者零相角差时刻把发电机组并网到 电网上，此时并网瞬间产生的冲击电流处于可控范围内。准同期并网法的并网装置又可以分成自动准同期装置和手动准同期装置。在并网过程 中，自动准同期装置监测电压差、频率差信号，并捕捉相角差为的合闹时刻，在合间时刻到 来之前的合适时间发出合闹信号。 当频率差、 电压差不满足要求时， 自动准同期装置能够自 动发出控制信号调节待并网发电机。

12、 如果频率差不满足要求， 则发出加速或者减速信号， 调 节发电机原动机的转速。 如果电压差不满足要求， 自动并车装置控制发电机的励磁调整装置， 使发电机升压或者降压。 手动同期装置主要依靠操作人员， 操作人员通过监视电压表、 频率 表以及整步表，结合自己的操作经验判断零相角的合闹时刻，并提前预先合上断路器。2.1.4 并联运行的条件岸电并网是船舶发电机与岸电电源之间的同期并联， 其并联的首要条件之一就是相序一致。在相序一致的条件下，准同期并列的电压相量分析如下图所示。图 准同期方式下电压相图（ a）电路示意图 （b）相量图根据上图可以看出发电机与岸电电源的电压相量差为 ;Ud Usm sin（

13、 sts） UGmsin（ GtG）从图及公式可知， 瞬时电压差主要取决于合闸时船电与岸电之间的瞬时电压差、 频率差 以及相角差， 从而可以得到理想情况下准同期并联操作实现船电与岸电电源准同步方式必须 满足以下四个条件：（ 1）待并网的船舶发电机的电力的相序必须与岸电电源的相序保持一致；（ 2）待并网的船舶发电机的电压与岸电电源的电压幅值相等；（3）待并网的船舶发电机的频率与岸电电源的频率相等；（ 4）待并网的船舶发电机的相角与岸电电源的相角一致。在实际的同步并车操作过程中， 船舶发电机的相序可以保证与岸电电源完全一致， 其余 的三个条件电压差、 频率差和相角差应小于某一个设定值， 从而使合闹

14、冲击电流处于系统可 以承受的范围。2.1.5 并联运行分析同歩并网避免了在合闸的过程中产生巨大的冲击电流，对电网、发电机以 及船上的用电设备具有重要意义，能够保持系统的稳定运行。下面对准同步并 网方式岸电电源并网条件进行分析：( 1)假设船电和岸电的频率、相位均相等的情况下，船电和岸电的电压幅值不相等。 如图所示船舶使用岸电时的电路等效图，此时船舶使用发电机所产生的电力，断路器 QF1 导通， QF2断开。在断路器 QF2两端的电压幅值不相等时，即 UG 与U S不相等，此时如果进行强行并车，断路器 QF2合闹的瞬间必然后产生一个电压差 Ud 。公式可以简化为： U d (U Sm U Gm

15、) sin(StS )假设发电机的绕组暂态电抗 X d ，线路的电抗为 Xl ，岸电电源系统的等值阻抗为 Xs ，且假设USUG ，则其产生的冲击电流的有效值 Iip 为：IipUS UG Xd Xl Xs(2)假设船电和岸电的电压幅值、频率相等，相位不等。在合闹的瞬间，船电和岸电之间存在一个相角差 ，此时电压相量图为：图 相角不相等时的电压相图当相角差不为 0 时，公式进行简化后可以得到：Ud 2UGM sin( G S t G S)cos( G S t G S)上式可以简化为：Ud2UGMcos( G2 StG2 S)sin(2 )则此时的冲击电流为：I ip2U GM X d X l X

16、 ssin( 2 )3）假设船舶和岸电的电压相等，初始相角一样，频率不相等。图 频率不相等时的电压相图在此时，公式根据条件可化简为：Ud 2UGM cos( G 2 S t G)sin( 2d t)船电和岸电之间电势相量存在相对运动， 其大小随着时间变化而变化， 会形成脉动电压， 脉动电压的赋值即为 。当存在频率差时，合间瞬间会造成能量的传递，使船舶发电机 进入同歩运行之前进入一个抖动暂态，频率差过大会直接造成失步。通过上述分析，理论上岸电电源与船舶电源同步应该使双方的相序、电压、相位、频率 严格相等。 但是在实际的并车操作过程中， 相序必须保持一致； 岸电与船电电压差一般要求 不大于 5%

17、10%；频率差一般要求不大于 0.2 0.5；相角差一般小于 10。2.1.6 并联运行并网点的捕捉(1) 信号的采样方法和分析 :根据同期并车的条件， 并车合闸之前需要判断合间条件， 自动并车装置需要准确的获取 船电和岸电的电压、 频率差、 相位差等信号。 信号的采样精度直接影响同期并车时所产生的 冲击电流的大小， 如果采样获取的信号误差较大， 可能会造成并车的失败。 获取这些信号的 方式一般有直接法和间接法。直接法即采用直接的测频、测压、测相位差的硬件电路，把所 采集到的信息送往系统。间接法是通过一定的技术手段获取船电和岸电的相关电压曲线信 号，通过软件的方式从实际的电压信号中计算出所需要

18、的参数。 直接法由于采用的专门的硬 件电路，其测算速度快，实现容易，但是为了保证其准确性，必须额外采用抗干扰电路。间 接法采用软件的方式， 对于所获取的电压信号中的干扰信号或者高频信号可以直接采用软件 方式进行改善，只要能够保证采样过程中的准确性，间接法测算出的各项参数准确性较高， 但速度相对较慢。 现代电子技术的发展， 专用的数字处理器速度已经很高， 所以采用间接测 量的方式已经能够保证其测算速度。 间接法通过采样电路获取船电和岸电的电压信号送往中 处理，根据其获取电压信号的方式不同，可以分为直流测量法和交流测量法。(2) 相位角计算和恒定超前时间的获取并网操作的过程中， 在相序、 电压差和

19、频率差均满足并车的条件下， 岸电和船电的相角 相等时刻就是并车合闸的时刻。 船舶电源与岸电电源的并车过程中， 岸电电源和船舶电源的 频率差很难为。在实际的工程运用中，如果发现岸电和船电同频率，首先就需要打破同频， 在同频的条件下，船电和岸电不会出现相角相等时刻。恒定超前时间的获取釆用测量时间差的方法来获得恒定超前时间， 这种方法就是把待并发电机和电网的正弦以此来获得恒定波电压变换成方波， 然后测量电网和待并发电机电压方波上升沿的时间差，超前时间的。图 电压方波转化电路图通过上图的电压方波转化电路， 我们可以得到待并发电机和电网电压的方波， 如下图所 示。 在得到待并发电机和电网电压的方波后，

20、通过控制器对其进行边沿检测， 测得两个方波 对应的上升沿时间差，就可以得到恒定超前时间。图 发电机和电网电压变换后的方波信号(3) 并网点的捕捉通过前文的分析， 实现并网操作要提前发出合闸命令， 系统必须要能够计算出发出合闸 命令的时刻，完成对合闸点的捕捉。2.2 供船舶用岸电结构及技术2.2.1 供船舶用岸电电源结构和分布1、供船舶用岸电电源结构 船舶供岸电电源系统可分为三个部分：岸上供电系统，电缆连接设备和船舶受电系统， 如图所示。岸上供电系统是将高压变电站交流电变频、变压后，供应到靠近船舶的连接点。 电缆连接设备是指连接岸上供电箱与船舶受电装置间的电缆和设备。 电缆连接设备应该具有 使用

21、方便、 快速连接以及快速存储电缆等特点。 电缆连接设备可以安装在船舶上、 码头上或者驳船上。 船舶受电系统是指在船上固定安装船舶受电系统， 其主要包括电缆盘、 船上变压设备以及船舶电气管理装置等。 根据船舶情况的不同， 船舶受电系统根据船舶供岸电系统的船舶供岸电根据上船的电压的不同可以分成低压船舶岸电电源系统（简称低压岸电电源）和高压船舶供岸电电源系统（简称高压岸电电源）。一般低压船舶岸电源系统的上船电压为 440V/690V ，高压岸电电源系统的上船电压为 6.6kV/11kV 或者以上。低压船舶岸电电 源系统适用于岸电需求容量较低的船舶，其在码头附近通过变压器把电压降至 440V ，然后

22、通过电缆直接输送至船舶使用； 高压船舶供岸电电源适用于船舶实际岸电需求容量较大的船 舶上。2 、供船舶用岸电电源分布 图中所示的是岸电电源的基本构成，在实际的船舶供岸电电源系统中， 岸上供电系统的变频设备、 变压设备的组合构成方式是有所不同的。 下面是其三种典型的分 布形式。（1）分布式配置方式，如图所示。在这种方式中，主变电站只有一个变压设备，每个 码头上均设置一个分变电站。 码头的分变电站中有变压设备和变频设备。 电网电力先经过主 变电站，主变电站一般把电力变换为或者其他的高压等级的电压， 通过电缆传输到各个码头， 码头上的分变电站根据停靠船舶的需要提供的电力， 并把电压降至船舶所需要等级

23、。 这种分 布式岸电电源的好处是有非常高的容错能力， 任何一个码头分变电站出现问题均不会影响其 他码头岸电电源的正常使用。 其缺点是占用了码头较大的空间， 每一个码头分变电站都有个 变压设备和一套变频设备， 在空间不足的码头难以采用这种方式， 且此种方式的成本相对较（2）集中式配置方式，如图所示。在这种方式中，只有主变电站拥有变频设备，码头 的分变电站只安装变压装置。 电网电力通过主变电站后能够提供电力， 每个码头根据停靠船 舶的需要选择相应频率的电力。 这种方式把频率的变换集中在主变电站， 相对于分布式， 容 错能力较差， 一旦主变电站的变频设备出现问题， 整个岸电电源均受到影响。 但是这种

24、方式图 集中式岸电电源3）直流传输方式，如图所示。在这种分布方式中，变频设备被分成两个部分，主变电站首先把电网电压降低， 并经过整流设备把电力变换为直流， 通过电缆传输到码头边， 码 头边的变电站安装的有逆变器， 把直流电力逆变为交流电， 再次通过一个变压器把电压变换 为船舶所需的电压等级。 每个码头均需要安装一个变压器和逆变器， 且在主变电站和码头变 电站之间的电力是通过直流传输， 对码头的空间要求也比较高， 但相对于第一种方式需求要 小，且传输的电能损耗更低。这种方式对设备的要求很高，现有的技术条件下难以实现。图 直流传输的岸电电源对上述的三种分布形式， 从现阶段技术以及实际操作的可行性上

25、岸电电源的分布形式应 首先选用第二种方案。 这种方式减少了对频率变换器的需求， 降低了实施的成本， 并且在可 靠性和实施性上也有一定的保证。第二种结构形式也己经在国外的一些港口进行实际应用。2.3 自动准同步并车装置硬件设计舶供岸电自动并车装置的整体结构示意图如下图所示- 10 -图 船舶供岸电自动并车装置结构示意图图中简要描述了自动并车装置与船舶发电机、 岸电电源之间的连接和控制关系。 是船舶 发电机与船舶配电板之间的断路器， 是岸电电源与船舶配电板之间的断路器。 当断路器合间 且断开时，船舶电力由船舶发电机提供，当合闸断开时，船舶电力由岸电电源提供。从前文 的分析并结合图， 可以得到船舶供岸电的自动并车装置工作过程为： 当船舶连接到岸电电源 时， 自动并车装置首先检测岸电与船电的相序是否保持一致，如果不一致立即发出报警。 在岸电与船电相序一致的情况下， 自动并车装置采集岸电电源和船舶发电机电源的电压、 频率 相角差信息， 经过计算进行判断。 如果当前合间条件不满足， 则向船舶发电机发送调节信号， 如果满足并车合闲条件，