船舶电站并车失败原因分析及处理

前言在国际经济快速发展的过程中，海上航运业也得到了不断的发展，为了适应现代航运发展的要求，船舶在设计和建造时，将船舶货运量、航行经济安全和船舶电站自动化的提高作为目标，这时船舶电力系统供电的品质、连续性和可靠性，将直接影响到船舶的经济效益和航行安全。船舶电站的相较于陆地电站容量较小，在船舶正常航行工况下，通常只需要单台发电机组向船舶电网供电，就可满足运行设备的用电需求；但当船舶处于进出港、离靠码头或进出狭窄水道、用船吊装卸货等工况时，负载变化频繁，只用一台发电对电网进行供电已经不能满足供电需求，而且容易使发电机过载而损坏，这就要求起动备用发电机组，并将备用机组并入船舶电网运行,两台或多台发电机组同时向电网供电的操作过程称为并车，并车提高了发电机组的工作效率，使得维护、检修发电机组方便，保障船舶电网供电的可靠性和连续性，在现代船舶电站供电中起着重要的作用。

1船舶电站三相交流发电机并联运行为了满足船舶供电的可靠性和经济性，在设计建造船舶的时候会在船舶电站装设有两台或两台以上的同步发电机组作为主电源进行供电，并配有应急发电机组在主电站发生故障时向应急电网进行供电。船舶电站相比于陆地电站，船舶电站的容量比较小，电力系统负载变化更加频繁，电源与用电设备之间的距离很近，线路的阻抗也很小，短路时的电流很大，工作在恶劣的海上环境容易发生故障。这就要求至少设置两台船舶主发电机进行供电，两台或两台以上的发电机通过公用母线向全船负荷同时供电，这就是通常所说的船舶发电机的并联运行。把船舶发电机投入并联运行同时向电网供电的操作过程称为并车。1.1需要并车操作的情况为了满足电网负荷的需求，当运行发电机组所带的负荷到达其80％左右额定容量时，且负荷仍有可能增加，这时就需要考虑并联一台或多台发电机同时向船舶电网供电以确保电网负荷的正常运行。当船舶处于进出港、靠离码头或进出狭窄水道等的机动航行状态，此时船舶电力系统负载变化频繁，为了保障航行的安全，需要两台或更多发电机并联运行向船舶电网进行供电。当准备检修正在运行的发电机组，需要用备用机组替换运行机组时，为了保证不中断供电，需要先通过并车操作将备用机组投入电网供电，才能将原来的运行机组解列后进行检修。1.2船舶同步发电机多机组并联运行的优点提高了发电机组的工作效率。船舶电力负荷随船舶工况的变动而经常变动，例如航行工况与停泊无装卸工况的负荷差别很大，用电量可能相差数倍。发电机在接近满负荷使用时具有最高的效率，因此，船舶电站总是设计成两台或两台以上的发电机组成，在小负荷时，适宜于单机运行；而大负荷时，则采用两台或两台以上的发电机并联运行，这样能保证在各种不同工况下，使运行中的发电机经常处于高效率的工作状态。维护、检修发电机组方便。船舶电站设备有备用发电机组，当要检修运行中的发电机组时，先将备用机组启动投入电网并联，将要检修的运行机组的负荷转移到备用机组上，再将其从电网解列，这样可以保证不停电检修运行中的发电机组，保证方便、安全地维护检修发电机组。保证供电的高可靠性。从基本保障船舶电力系统供电的角度看，船舶同步发电机采用多机组设计，可以实现只有一台发电机正常工作，船舶电力系统就能保证正常工作的基本要求。因此，船舶电站多机组设计属于可靠性工程中的并联冗余系统设计，可靠性远远超过单机组。显然，这种多机组设计保证了供电的高可靠性。1.3并车的条件及分析1.3.1理想的并车条件当进行并车操作时，不能随意将代并发电机的开关与电网接通，操作不当会导致并车失败，严重时会导致全船失电，机组也将受到电磁和机械的有害冲击。并车时要求合闸冲击电流最小，合闸后应能很快进去同步运行。为此，并车必须满足一定的条件。如果需要实现准同步并车，必须满足下列三个条件：待并发电机的电压与运行发电机（或电网）的电压大小相等。待并发电机的频率与运行发电机（或电网）的频率数值相等。待并发电机的初相位（初相角）与运行发电机（或电网）电压的相位（初相角）一致。如果完全满足上述三个条件，则待并发电机的电压相量与电网的电压相量完全重合，而且同步运行。此时并车，冲击电流为零，是最理想的情况。把电压相等、频率相等和相位完全一致称为理想的并车条件。并车操作就是检测和调整待并发电机的电压、频率和相位,使之在满足上述三个条件的瞬间通过主开关的合闸投入电网,这样就可以保证在并车合闸时没有冲击电流，并且并联后能保持稳定的同步运行。另外，对于新安装的发电机或检修后重新安装的发电机，还应满足待并发电机与运行发电机（或电网）的相序一致的要求。通常情况下由于船舶电站在建造时，三相相序已正确接好，各机组的三相相序已分别通过主开关与电网的三相相序分别对应接好，只要不是人为的错误换接，那么船舶发电机并联时要求相序相同的条件，事实上已经得到满足。因此，三相同步发电机的三相相序一旦接好后，不得改动，无须检查。1.3.2并车条件的分析按电压相等、频率相等和初相位相同的并车条件，分析如果这些条件不满足的情形及产生的影响：（1）假设待并发电机G2与运行发电机G1的频率相等，初相位一致，但电压大小不等，并设待并发电机电压大于运行发电机G1电压，即f1＝f2，δ1＝δ2，但U2＞U1。X〃1，X〃2分别为并发电机与发电机的超瞬变电抗，如图1.1所示。此时，在待并发电机G2主开关QF2的动、静触点之间有电压差ΔU=U2-U1，如果将主开关QF2合闸，在两台发电机之间就会产生环流IPH，并联运行时的等值电路图如图1.1所示，向量图如1.2所示：图1.1U2＞U1等值电路图图1.2U2＞U1向量图Fig1.1U2＞U1EquivalentCircuitDiagramFig1.2U2＞U1VectorDiagram发电机电枢的电阻极小，可忽略。滞后ΔU90°，为无功性质的电流，下面分析可知，这一无功性质的电流对两台发电机将产生均压的作用。①由图1.1所示可知，环流IPH与待并发电机G2的输出电流I2同相。由电枢反应的理论可知，发电机G2相当于增加了一个感性的负载电流IPH，它产生去磁性质的电枢反应，使发电机G2的端电压U2的大小较并联之前有所减小。②对于运行发电机G1来说，IPH与发电机G1的输出电流I1反相，即-IPH与I1同相，由图1.1可知，-IPH超前U190°，相当于使发电机G1增加了一个容性电流输出，由电枢反应的理论可知，其电枢反应的性质是増磁效应，这使的端电压的大小较并联之前有所增大，最终使两台发电机并联运行于同一电压U，且U1＜U＜U2。综上所述，当频率相同、初相位一致、电压不等时，两台发电机并车将在两机组间产生一无功性质的环流，这一环流对两台发电机起均压的作用，固又称其为平衡电流。但是，由于发电机在并车的瞬间呈现的等值电抗很小，又称超瞬变电抗，因此当电压差较大时进行并车操作，在合闸瞬间会产生很大的冲击电流。它币稳定后的环流大得多，这是因为稳定后的环流基本上由两台发电机的同步电抗所确定，同步电抗比发电机在并车瞬间呈现的等值电抗大得多。过大的冲击电流对于发电机和电力系统都是很不利的，因为：①电磁力F正比于环流的大小，巨大的电磁力容易损坏汇流排等设备；②环流过大引起发电机跳闸，造成并车失败，甚至造成全船失电。（2）假定待并发电机与运行发电机的电压相等，频率相等但初相位不一致，并设待并发电机电压U2的初相位超前运行发电机电压U1的初相位，即f1=f2，U2=U1=U，但相位差δ=δ2－δ1>0，相位不一致时的并车向量分析图，如图1.2所示，图1.2δ2>δ1并车向量分析图Fig1.3δ2>δ1VectorDiagramOfParallel从相量图可知，尽管两电压的大小相等、频率也相等，但由于初相位一致，仍然会在主开关QF2的动、静触点之间产生电压差ΔU=U2-U1，其大小可从三角函数得知:ΔU=2Usinδ/2。可见，当δ=180°时，则ΔU的大小等于2U,此时电压差最大；当δ=0°时，ΔU的大小等于零。由于电压差的存在，在两台发电机之间仍会产生滞后ΔU90°的环流IPH，但IPH与电压相量U1和电压相量U2的夹角不再为90°，而是δ/2,因此这一平衡电流IPH不再是纯无功性质的电流。对待并发电机G2而言，超前相位的发电机输出有功功率有所增加，产生发电机作用，其轴上的阻力矩有所增大,使其转速有下降的趋势。但对运行发电机G1而言，滞后相位的发电机在并车的瞬间从电网吸收有功功率，产生电动机的作用，即会在其轴上产生加速力矩，使其转速有增加的趋势。可见，平衡电流的有功分量使超前相位的发电机轴上产生阻力矩,使其转速有下降的趋势，而滞后相位的发电机其轴上产生了加速力矩，使其转速有增加的趋势,U2和U1的相位差逐渐减小，最终使得并联运行的两台发电机达到相位一致而进人同步运行，这一过程称“牵入同步”过程。发电机由于相位差或频差的存在,在并车过程中出现的这种“牵入同步”作用叫做自整步作用，在各自发电机轴上产生的力矩称自整步力矩。两机组并联运行时需对它们的相位差角进行限制，一般并车操作时要求相位差δ不大于15°。（3）假定待并机G2与运行机G1电压相等，初相位相同,但频率不相等。即U1=U2,δ1=δ2，f1≠f2时并车，此时并车时的向量图，如图1.4所示图1.4f2>f1并车分析向量图Fig1.4f2>f1VectorDiagramOfParallel并车时的相量图假定待并机f2大于运行机f1。由于电压相等，初相位一致，在合闸瞬间(t=0时刻),不会出现电压差，也就没有环流。但由于f2＞f1,随时间后移,待并机就会超前，使得出现相位差，只要相位差一出现，环流IPH也会产生，出现整步转矩,使G2减速,G1加速。只要频率差不大,最终依靠整步转矩都能“牵入同步”。若频差太大，往往难以拉人同步，同时合闸后环流也增大,对发电机和电力系统都不利，应避免这种情况的发生。一般并车操作要求频差小于0.5Hz,通常以0.25Hz最好。由上述可见，并车操作的三大条件只要有一个不满足，就会产生冲击环流。环流的无功分量起均压作用，有功分量起整步作用。只要环流不大，对并车操作是有利的。若环流很大，会产生很大冲击电动力，使系统的参数发生变化，对发电机和船舶电力系统均不利。

2.船舶电站并车失败原因的分析发电机组并车时，只要按操作要求及步骤进行，一般都其原因可能有下列几方面：2.1电网参数波动造成并车失败并车时，若负载剧烈变动(例如多台起货机正在工作)，引起电网功率(电流)，频率、电压大幅度波动，就难以使待并发电机电压、频率、相位与电网的电压、频率、相位一致。因此，当并车合闸时，会产生巨大的冲击电流而使主开关跳闸。有时由于负载变化太大，各台发电机无法及时合理分配负载，而使逆功率继电器动作，造成并车失败。因此，应当避免在负载剧烈波动时并车，或者并车时断开剧烈波动的负载，待并车完毕后再接通负载。2.2操作不当造成并车失败在粗同步并车中，常误以为采用并车电抗器就可以随意并车。实际上当相位差大于90°合闸时，虽有并车电抗器限制电流，但冲击电流仍可使发电机主开关跳闸。因此，采用粗同步法并车时，应将待并发电机与电网的频差限制在0．5Hz之内、相位差在90°以内。实际操作时，最好使待并发电机的频率稍高于电网频率，其电压相位超前电网电压相30°之内合闸。2.3空载并车电网上原有发电机处于空载状态时，若再并上一台发电机，它们难以稳定工作，电网稍有波动，就会形成逆功率运行，引起发电机跳闸。另外，从经济的观点来看，也应避免两台发电机空载并联运行。一般来说，电网上运行的发电机应带50％以上额定负载时方可并联另一台发电机。2.4并车装置或均压线不正常有时可能由于并车装置有故障或均压线接错而使并车失败。对于新建造或经过大修的发电机，要重新检查相序及均压线的极性是否正确，所有接线端处是否紧固；对于已经工作一段时期的电站，则应检查并车装置，如电抗器、电抗器接触器、均压线接触器、主开关的主副触头的接触是否良好。经过检查，确认完全正常后再进行并车。2.5负载转移不及时对于无自动调频调载装置的船舶电站，发电机组并入电网之后，应及时转移负载，否则会因电网波动出现逆功率而跳闸。2.6逆功率跳闸分析2.6.1频率差造成逆功率如果两台机组的频率不等，相差较大时，在仪表上（电流表、功率表）显示出，转速高的机组电流显示正值，功率表指示为正功率，反之，电流指示负值，功率指示负值。这时调整其中一台机组的转速（频率），视功率表的指示进行调整，把功率表的指示调整为零即可。使两台机组的功率指示均为零，这样两台机组的转速（频率）基本上一致。但是，这时电流表仍有指示时，这就是电压差造成的逆功现象了。2.6.2电压差造成逆功率当两台机组的功率表指示均为零时，而电流表仍然有电流指示（即一反一正指示）时，可调整其中一台发电机组的电压调整旋钮，调整时，观察电流表与功率因数的指示进行。将电流表的指示消除（即调整为零），电流表无指示后，这时视功率因数表的指示，把功率因数调至滞后0.5以上即可，一般可调整至0.8左右，为最佳状态。

3.避免并车失败的相应措施随着微电子技术和微机控制技术的不断发展，船舶电站的自动化程度也得到了不断的发展，越来越多的船舶电站都配备了微机控制装置或者可编程逻辑控制器ProgrammableLogicController（PLC）自动控制系统，这使得自动并车不再作为一个独立装置，而是船舶电站自动控制系统的一个单元或部分。现代的船舶电站通过配备GeneratorParallelingandProtectionUnit（PPU）、自动调频调载、自动调压器等自动并车装置，实现了对发电机组频率和电压以及相位的调节，为船舶发电机并车的成功提供了保障。但是只通过优化自动并车装置还不足以保证并车的成功性，因为舶运行过程中，由于受到设备启动时的冲击、浪涌冲击、负荷的变化以及电网谐波的影响，会引起电力负载与船舶发电机组之间的相互影响；为了实现电力系统安全操作、能量传输损耗最小、能源消耗最少的目标，并且由于船舶吨位的增加，船舶电站容量的增大，对大功率电能的需求越来越大。因此，有必要对船舶的发电系统和电力负载进行综合控制。把发电系统、控制系统和推进系统综合成为一个单元，由电源能量系统进行监测、控制、管理。这个电源能量系统就是功率管理系统(PMS)。3.1自动并车的基本功能判断待并发电机与电网的电压差、频率差和相位差，当任一条件不符合并车要求时，实现闭锁，不允许发出合闸指令。检测待并机与电网的频率差，并根据频差的大小和方向，自动对待并发电机组发出调频信号，使频差缩小，直到满足频差条件。当电压差(电压条件不满足时，由电压调整装置手动调整)、频率差在允许范围内时，自动捕捉相位条件,相位条件满足后才允许发出合闸指令。发出合闸指令要有提前量，提前量为发电机主开关的固有动作时间，以保证合闸瞬间有最小的合闸相位角，使并车冲击电流最小。3.2船舶自动调压器因为船舶上大多数负荷都是感性负载，在负荷变化时，其负载电流会对交流同步发电机产生去磁作用，电流大小和功率因数的变化都会引起发电机端电压的变化，这不论对发电机本身还是负载，甚至对整个电力系统都是很不利的。负荷变化导致电压偏高或偏低，都会使发电机的电流增大，发电机发热，严重影响了发电机的使用寿命，并且当电网波动较大，电压不稳定的时候容易造成发电机并车失败，所以必须对船舶发电机安装自动调压器来对端电压进行自动调节。我们知道，发电机端电压变化的主要原因是发电机电流发生变化，根据公式3.1，我们可以看出，发电机的电压大小和发电机磁通Φ的大小成正比，所以通过调节发电机的励磁电流来调节发电机磁通的大小即可调节发电机电压的大小。3.2.1船舶自动调压器的功能在船舶正常航行时，维持发电机端电压在允许的范围之内，从而保障船舶电力系统的可靠运行。船舶单机负荷大，进出港或狭窄水域时，为了提高船舶的机动性，发电机需要并联运行，船舶自动调压器可以合理的分配各发电机承担的无功功率。船舶自动调压器具有一定的强行励磁能力，在发电机负载突然增大或电力系统发生短路时，电压会下降的很大，而船舶自动调压器可以在最短的时间内，将励磁电流升高到超过额定状态是的最大值，从而使发电机电压迅速恢复正常，提高了发电机并联运行稳定性，从短路保护的选择性要求看，船舶自动调压器保证了保护装置动作的准确性。3.2.2船舶自动调压器的分类及基本工作原理开环调压系统开环调压系统是按发电机负载电流If的大小和功率因数进行励磁电流调整的调节装置,类属于按扰动控制的相复励调压装置,又称不可控相复励调压器，开环调压系统原理如图3.1所示，图3.1开环调压系统Fig3.1Open-LoopVoltageRegulatingSystem被测量是发电机负载电流和功率因数，经船舶自动调压器，去调节被调量发电机端电压。因为被测量和被调量不同，所以构成的是一个开环调节系统，从原理上讲，它的静态特性比较差，静态电压调整率相对较大，一般在+2.5%左右。发电机负载电流和功率因数的变化，是发电机端电压变化的重要而且直接的原因。由发电机负载电流和功率因数的变化而引起发电机端电压的变化和由发电机负载电流和功率因数的变化进行调节发电机端电压的变化，这几乎是同时发生的，相复励装置是前馈调节，负载变化时励磁电压变化有超前作用，故可直接启动与发电机容量相接近的异步电动机。因此，从原理上讲，不可控相复励调压器的动态特性特别好，而且，不可控相复励调压器具有较大的强行励磁能力，强励倍数比较大。此外，不可控相复励调压器还具有结构简单、可靠性高、易于调整等优点。不可控相复励调压器可分为电流叠加型、磁势叠加型、带电压曲折绕组的磁势叠加型等几种形式，这里就不再做一一介绍。（2）闭环调压系统闭环调压系统按负反馈原理设计，是按发电机输出实际电压与给定值电压(发电机额定电压)的差值即电压偏差信号的大小调整励磁电流的自动装置，如图3.2所示，图3.2闭环调压系统Fig.3.2ClosedLoopVoltageRegulatingSystem被测量是发电机端电压，经船舶自动调压器，去调节被调量发电机端电压。从原理上讲，被测量和被调量都是发电机端电压，构成了一个闭环调压系统。闭环调压系统一般多采用改变可控硅的导通角，调整发电机的励磁电流，因此又称可控硅自励恒压系统或可控硅调压器。由于该装置各环节一般都采用半导体元件构成，因此惯性很小，该励磁系统具有很好的静态特性和比较好的动态特性，并且具有体积小、重量轻等一系列优点。经实船试验,这类励磁装置的静态电压调整率可达±1%左右，反应速度不大于0.01s。可控硅自励恒压系统的不足之处是短路时强励倍数小，可靠性不高，无线电干扰较大。整个励磁系统仍属于滞后调节，典型的可控硅自励恒压系统如波兰产TUR型可控硅调压器。（3）复合控制调压系统复合控制调压系统又称可控相复励调压器，如图3.3所示，图3.3复合控制调压系统Fig3.3CompoundControlVoltageRegulatingSystem被测量同时引人发电机负载电流和功率因数以及电压偏差信号,既按发电机负载电流和功率因数的大小，又按电压偏信号的大小综合调整励磁电流以维持发电机输出电压恒定。它主要由两大部分构成,相复励部分和自动电压校正器AVR部分，相复励部分按负载电流和功率因数的扰动控制励磁，其作用与开环相复励调压器的调压过程样。一般情况下相复励运行在过激状态，如果相复励部分单独工作，会使发电机的端电压高于额定值，高出的电压偏差则由自动电压校正器AVR部分来校正。AVR的输出将改变发电机的励磁电流的分流大小，从而实现调整发电机的励磁电流，保证发电机端电压维持额定值的目的。可控相复励调压器的主体相复励部分负责进行动态调压，电压校正器部分负责静态调压。因此，可控相复励调压器具有上述两种类型自动调压器的优点，在原理上可使动、静态特性都比较好。目前在船舶上得到广泛的应用，许多无刷发电机励磁系统多采用这种装置。典型可控相复励调压器如日本电产CRB型可控相复励调压器。3.3柴油机调速器通过对船舶电站并车条件的分析介绍，我们知道待并发电机的频率在等于运行发电机频率时并车不容易失败，而发电机的频率可以通过调整带动发电机的柴油机的转速来控制。柴油机的不同转速是通过改变喷油量来实现的，改变柴油机的油量调节机构，可以将柴油机的转速控制在规定的范围内的装置就是调速器。调速器通过实际转速值与给定值之间的偏差对原动机的转速进行控制，将船舶发电机的频率稳定在船舶电力系统要求的频率内，使用调速器有助于并车的成功。3.3.1调速器的必要性船舶柴油机主要用作船舶主机带动螺旋桨和作为船舶副机带动发电机。由于被驱动负荷的工作特性不同、运转条件不同，因而对调速的要求也不同。船舶发电柴油机要求能在外界负荷变化时保持恒定的转速，以保证发电机的电压与频率恒定，即柴油机应按负荷特性工作。这就要求柴油机的有效功率能随外界负荷(电功率)的变化而变化，并保持平衡。当外界用电量增加时，柴油机的有效功率小于外界负荷，柴油机转速下降，若不能相应增加供油量而提高柴油机的有效功率，则在转速下降的同时，柴油机的有效功率相应降低，使柴油机与外界负荷间的功率更加不平衡。如此相互作用而导致柴油机自动停车;反之,外界用电量减少时,柴油机将增速，若不能根据转速的增加而降低供油量，柴油机的转速将进一步继续增高，最后导致发生飞车。发电柴油机自身没有自动调速性能，欲使其在外界负荷变化时仍保持恒速稳定运转，必须在柴油机转速随外界负荷变化时相应地调节柴油机的供油量，以使其有效功率与外界负荷的变化相适应，即在发电柴油机上必须装设调速器，以保证柴油机始终能以规定的转速稳定运转。3.3.2调速器的类型调速器因原理、结构和用途不同而有不同的类型。按执行机构分类，船舶柴油机所使用的调器主要有以下类型。(1)机械式(离心式)调速器直接利用飞重产生的离心力去移动油量调节机构以调节柴油机的转速。(2)液压(间接作用式)调速器利用飞重产生的离心力控制一个功率放大元件(称伺服器)，再利用其液压作用所产生的更大动力去移动油量调节机构来调节柴油机转速。(3)电子调速器信号监测或执行机构采用电气方式的调速器。3.3.3调速器的调速特性调速器的调速特性是指柴油机调速器的自动调解下，机组的频率与柴油机输出功率的关系，可以分为静态调速特性和动态调速特性。（1）船舶发电机组调速器的静态调速特性，如图3.4所示，图3.4静态调速特性Fig3.4StaticSpeedRegulationCharacteristics从图3.4中可以看出，曲线1的频率不受输出功率的影响，这种被称作无差调速特性；曲线2的频率随输出功率的增加而下降，所以调速器的静态调整特性成为下倾的有差调速特性，现代船舶为了使发电机组能够稳定的并联运行，船舶发电机组调速器的调速特性一般采用有差调速特性。（2）船舶发电机组调速器的动态调速特性船舶发电机组调速器的动态调速特性是指在有功功率发生突变时，运行发电机组能在调速器的自动调节下，快速的恢复到另一个稳定状态的一个过程。现代船舶的瞬态频率变化率一般都不大于额定频率的10%，并且恢复时间（从频率突变到重新恢复到额定频率的1%范围内所用的时间）不超过5s，基本上能够满足并车操作时对发电机组的频差要求，使用调速器对发电机组进行频率调节，大大提高了并车的成功率。3.4自动调频调载装置在船舶同步发电机并联运行，其调速特性为有差特性，在负荷变化时，虽然有调速器进行频率调节，但电网的频率仍会不稳定，这时就需要调频调载装置来协助原动机的调速器对电网电压的频率和有功功率进行调整。自动调频跳载装置在现代船舶自动化中成为了不可缺少的部分，它与自动并车装置一起组成了自动并联运行控制器。3.4.1自动调频调载装置的功能（1）维持船舶电力系统的频率在固定的范围内（2）在发电机并联运行的时候，按照各发电机组的容量占比，合理的将有功功率的自动分配。（3）在接到“解列”操作指令的时候，能够自动的把待解列发电机组上的负荷转移到运行发电机组，等到待解列的发电机组上的负荷接近零的时候，再关闭待解列发电机组的主开关，完成解列操作。3.4.2自动调频调载的方法现代船舶自动化电站中的自动调频调载方法有很多种，主要的方法包括虚有差调节法和主调发电机法。（1）虚有差调节法虚有差调节法是在并联运行的每一台发电机上，都装设按频差和功率分配差进行调整的控制系统，包括有功功率变换器和调整器，整套装置只装一台频率变换器。采用虚有差调节法调频调载，每一台发电机所装设的调速器的特性仍是有差的，但调整的结果可使电网的频率恒定，功率均分(或按比例分配)，是无差的，故称为虚有差调节法，此方法目前在船舶电站应用最广泛。（2）主调发电机法主调发电机法是在并联运行的发电机中选择一台作为“主调发电机”,任务是当电网负荷变化出现频差时，只改变主调发电机的油门，调节电网频率维持额定值，并承担负荷的变化量。此时，自动调频调载装置只作为主调发电机的调频器，它只需检测电网的频率差，并将相应的信号送至主调发电机的调整器，平移主调发电机的调速特性来实现自动调频。其余的机组总是保持运行在接近额定负荷，称为基载发电机。所有基载发电机只在有差特性的调速器控制下运行，且调速特性的工作点经一次整定于额定频率，达到接近额定负荷后，就不再受调速器的控制。3.5发电机并车及保护核心控制器PPU3.5.1PPU简介GeneratorParallelingandProtectionUnit（PPU）即发电机并车及保护核心控制器，PPU控制器采用了模块化的设计思想，使用标准配置电路板通过串行通讯的方式来实现发电机并联运行及保护功能，目前在船舶自动化电站中得到了广泛地应用。PPU控制器和PLC相互配合使用，可以实现对船舶电站的自动控制。它采用模块化的设计思想，使每个模块不但能完成各自不同的功能，而且可以通过串行通信接口与其他的控制器交换数据，简化了轮机操作员的工作量，提高了船舶电站工作的效率。3.5.2PPU的主要功能（1）自动同步并车功能自动同步并车功能是PPU控制器的主要功能之一。PPU控制器可以自动进行频率、电压调节，并可通过软件程序进行编程，设定模拟主开关固有动作的时间，使得待并发电机与电网同步时刻准确合间，实现自动控制船舶发电机准同步并车操作。（2）功率和频率控制功能PPU控制器可以按照四种模式控制发电机的功率和频率，模式的选择可通过二进制数字输入，也可通过串行通信选择，从而实现在各种不同的应用环境下对发电机进行适当的控制。具体可分为:模式一：恒频率模式，即控制发电机的频率保持恒定(适用于单机运行)；模式二：恒功率模式，即控制发电机的负载保持恒定(适用于发电机与电网并联运行)；模式三:频率下倾模式，即控制发电机负载变化时频率的变化值，以保证负载变化时频率的基本恒定；模式四：负载分配模式(适用于发电机之间并联或解列运行时进行负载分配和转移)，这也是一般船舶电站的控制模式。(3)保护及显示功能PPU控制器具有标准的发电机保护功能，如过流保护、逆功率保护等，这些标准保护功能均可设置成反时限特性，并可通过对相应的继电器输出进行配置，实现报警或断开主开关等功能。此外，还可通过上位机软件选择发电机及汇流排进行过压、欠压、过频、欠频等其他保护功能。PPU控制器可以通过串行通信将检测到的系统运行参数送至LCD液晶显示屏，使得在操作的过程中可实时获取和监测系统运行参数。3.6船舶电力管理系统3.6.1船舶电力管理系统的构成PMS功率管理系统是一个包含网络通信、控制调节、信息处理等先进技术的集控制、监测、保护于一体的综合管理系统。船舶电力系统各部件的控制器通过电线或现场总线连接，为实现全船控制功能提供了硬件条件。功率管理系统结构为二层冗余计算机网络体系。其网络构成如图3.5所示。上层为双冗余以太网络，下层为CAN现场总线双冗余网，将中央控制中心互连，实现了发电自动化、监测报警、输配电监控保护、主要用电设备监控管理等功能。它主要由发电管理系统、负载管理系统、配电管理系统组成。如图3.6所示：发电管理系统：机组并网后，电网中的所有发电机组都将参与频率、电压、有功功率和无功功率的自动调控，发电机组的启停取决于负荷。负载管理系统：PMS系统可以监测负载功率的波动及可用功率的大中央控制中心中央控制中心网关配电监控模块设备监控模块保护模块网关机组控制模块分区管理站中央控制中心中央控制中心网关配电监控模块设备监控模块保护模块网关机组控制模块分区管理站测量模块网关分区管理站机组控制模块测量模块网关配电监控模块设备监控模块保护模块Fig.3.5CompositionofPMSNetworkforelectricpropulsionships发电管理系统柴油机速度控制发电机电压控制报警与处理发电管理系统柴油机速度控制发电机电压控制报警与处理失电恢复功率管理系统全船电能管理负载管理系统推进及定位控制实时功率需求分析负载限制及快速减载配电管理系统母线分段管理变压管理负载预测图3.6PMS结构框图Fig.3.6StructureblockdiagramofPMS（3）发电管理系统：机组并网后，电网中的所有发电机组都将参与频率、电压、有功功率和无功功率的自动调控，发电机组的启停取决于负荷。3.6.2船舶电力管理系统的功能考虑到燃油的消耗、运动部件的磨损和机械设备的修理等问题，柴油机的最佳工作条件通常设定在其最大连续输出功率的85%，柴油机应能满足在大负荷条件下运行。通过控制接入电网的柴油发电机组数量，从而满足电力负载的功率需求，使柴油发电机组具有更好的运行性能和经济性能。然而当柴油发电机带大负载运行时，系统发生故障的机率会增大，此时更容易发生发电机组过载问题。因此能量管理系统必须具备故障保护功能，能够提供足够的功率储备，防止突然的电力供应中断，保证船舶正常航行。总之能量管理系统应该具备以下功能，其功能如图3.7所示。PMSPMS功率管理系统能量优化分配和管理发电自动化系统监测报警用电设备监控管理输配电监控保护图3.7PMS系统功能框图Fig.3.7FunctionalBlockDiagramOfPMS电网失电监测与恢复：电力中断是电力推进船舶最严重的故障，为保证船舶正常运行，PMS系统应有失电恢复功能，控制发电机组顺序启动。功率储备：PMS系统是根据负载变化和电网功率储备来完成启动停车功能的，控制发电机组按照预设的方案启动停车。实现能源的高效利用，确保向实际负载不间断供电。功率限制功能：为了防止大功率负载设备运行时造成船舶发电组过载，有必要在船舶电力系统中设置功率限制功能。如果负载增加并达到电力系统的上限，应对相应的电力负载进行功率限制。优先脱扣：当船舶发电系统电能迅速丧失(例如发电机脱扣)时，仅设置失电自启动功能达不到断电保护的要求。需要卸载保护功能完成更深层次的断电保护。当可用功率低于预设值时，次要负载优先断开。当发电机出现故障或突然跳闸时，可用功率会迅速降低，需要对推进系统的功率进行限制。如果可用功率继续下降并达到预设下限时，次要负载将被卸载，只保留保证船舶正常运行的电力负载，以防止电力供应中断。重载启动询问功能：大功率负载直接启动时（如推进电机），由于启动电流很大，会引起电网电压突降、瞬时过载等问题，这就需要对重载设备进行监测、查询。当满足所需电源条件后立即启动。如果不满足电源条件，控制备用发电机组入网，并在电源条件满足后再次启动。

4.并车失败后的应急处理根据上述并车失败原因分析可知，造成并车失败的原因有很多种，不论是什么原因造成的并车失败，为了船舶电力系统供电的连续性，都必需要采取并车失败后的应急处理，目的就是为了在最短时间内向电力系统的恢复供电。4.1船舶发电机过载引起的并车失败并联运行时，其中一台发电机因机电故障保护而立即跳闸，而运行机组的自动分级卸载装置失灵，这时电网上的所有负荷完全由运行机组供电，导致运行机组发生过载保护而跳闸。这种情况下引起的发电机过载，应先进行应答报警（消声、消闪），立即将运行机组合闸供电，并优先启动为主机服务的重要负荷，当发电机带上一定负荷后，再启动另一台备用机组进行并车操作，并车均功后，之后再启动大负荷，并调节电网频率，然后检修故障机组，使其投入备用。4.2船舶发电机逆功率引起的并车失败在手动并车操作时，如果轮机操作员在并车时未能够完全根据手动并车操作流程进行并车操作，容易造成逆功率引起并车失败，具体情况如下：（1）在并车操作时，待并发电机组的电压频率小于运行发电机组的电压频率；（2）并车后负荷功率转移操作调节方向反了；（3）解列操作时，将待解列发电机组的功率转移过零；（4）两台发电机并联运行时，其中一台柴油机调速器损坏或供油不足。上述前四种失败原因是由于并车操作不当引起的逆功率跳闸，应先进行应答报警，然后复位逆功率继电器和过流继电器，观察机组的电压和频率，如果两者都正常，即可将其中的任意一台运行机组的主开关合闸供电，之后按功率大小及重要性逐级启动各类负荷，当在网发电机组带上一定的负荷之后，再将另一台机组按并车条件正确地进行并车操作，并车均功之后将剩余负荷启动运行。4.3船舶发电机外部短路故障造成的并车失败对于常规电站，当发电机外部短路时，会造成发电机组主开关跳闸，导致发电机的并联运行失败时，首先要检查主配电板汇流排是否短路，排除短路故障后或确认主配电板没有发生短路故障时，即可合闸供电，再按功率大小及重要性逐级启动负荷，投入运行。4.4自动化船舶电站并车失败的应急处理当除了因短路保护导致主开关跳闸断电外，对于其他各种机电故障导致发电机主开关跳闸，自动电力管系统均能自动处理，不需要值班论及人员的干涉，值班轮机人员仅需按照报警指示故障进行相应的检查、排除故障即可。如果电网突然失电，除报警声外所有设备均停止工作。此时，值班人员切忌启动发电机组、合闸供电，首先查看报警指示。报警指示为发电机短路，则控制模式会自动切换到自动功能闭锁状态。应答报警后，到主配电板排除短路故障后或确认主配电板没有发生短路故障时，才可以按下复位按钮，系统恢复至自动状态，同时解除阻塞，此时自动并车装置会自动启动发电机组，重新向电网供电。

结论现代船舶多向着大吨位、自动化以及强动力的方向发展，为了保障供电的可靠性和连续性，船舶电站通过并联操作的方式不仅能够实现最佳供电还能在维护、检修发电机组时实现不间断供电，在保证船舶供电中十分重要。船舶电站并车操作需要在电压相等、频率相等和初相位相同的并车条件下才能进行合闸操作。通过对这三个要求的分析，在任意一个条件不满足时都会造成并车失败，但是由于机械误差、人为因素的干扰不能做到并车条件的完全一致，所以在一定的范围内是可以进行并车操作的。通过对并车失败原因的分析得知，应当尽量避免在电网参数波动大或发电机组空载运行时进行并车操作，在并车后要及时转移负载注意均功，在解列时切忌将待解列机组功率过零。为了避免并车失败，现代船舶电站中多采用自动调频调载和自动并车装置一起控制并车方式。在自动并车装置中自动调压器负责对发电机电压进行电压调节和无功功率的分配；使用调速器和自动调频调载装置共同控制发电机频率调节和有功功率的自动转移；通过PPU对并车进行自动控制和保护，使用船舶电力管理系统PowerManagementSystem（PMS）对电力系统进行实时监测和发电机组的分配使用。在并车失败后，要根据报警显示或失败的现象，首先要找出导致并车失败