申 喜 唐 穎 魏文軒 王慶紅

（1.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430064）（2.武漢科技大學(xué) 武漢 430081）

1 引言

船舶電站是船舶的重要組成部分之一，隨著我國(guó)海上航運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，船舶的大型化、高速化和自動(dòng)化趨勢(shì)日益明顯。為滿足船舶高負(fù)荷運(yùn)行工況用電量的需求，如靠離碼頭、進(jìn)出狹窄水道等都要提高電網(wǎng)的容量，這通常需要發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，需要進(jìn)行同期并列操作以及調(diào)頻調(diào)載，將發(fā)電機(jī)組安全可靠、準(zhǔn)確快速地投入系統(tǒng)，確保系統(tǒng)的可靠、安全運(yùn)行和發(fā)電機(jī)的安全。

2 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的原理

在滿足船舶電站并車條件的情況下，采用準(zhǔn)同步并車方式將待并發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行，可以使沖擊電流很小，對(duì)電網(wǎng)及發(fā)電機(jī)本身擾動(dòng)極小。準(zhǔn)同步并車要滿足四個(gè)條件[1～2]：

1）待并發(fā)電機(jī)的相序與運(yùn)行發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)相同；

2）待并發(fā)電機(jī)的頻率與運(yùn)行機(jī)組的頻率相等；

3）待并發(fā)電機(jī)電壓與運(yùn)行發(fā)電機(jī)電壓的幅值相等；

4）待并發(fā)電機(jī)電壓與運(yùn)行發(fā)電機(jī)電壓的相角差為零。

一般如果不是新安裝的發(fā)電機(jī)或檢修后安裝的發(fā)電機(jī)，則電壓相序都是相同的，無需檢查。因此同步發(fā)電機(jī)在進(jìn)行并車操作時(shí)，就是要檢測(cè)待并發(fā)電機(jī)和運(yùn)行發(fā)電機(jī)的電壓、頻率和相位。在滿足上述條件時(shí)，合上主開關(guān)。合閘后瞬間待并發(fā)電機(jī)是浮接在電網(wǎng)上，既不向電網(wǎng)提供功率，也不從電網(wǎng)吸收功率。如果待并發(fā)電機(jī)的頻率略微高于電網(wǎng)頻率，則可迅速向電網(wǎng)供電。實(shí)際并車過程中，為了使待并發(fā)電機(jī)迅速投入并聯(lián)運(yùn)行，除了相序外，其他條件一般不能達(dá)到理想合閘條件，希望有一定的頻差，只要電壓差、頻差和相位差在一定的允許范圍內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)合閘。一般實(shí)際操作中要求電壓差不超過15%，頻率差低于0.5Hz，初始相角差小于15°。

3 自動(dòng)準(zhǔn)同期并車裝置的構(gòu)成

自動(dòng)準(zhǔn)同期并車裝置由三個(gè)控制單元組成[3～5]，如圖1所示，只有當(dāng)這三個(gè)控制單元輸出都為1的時(shí)候，才會(huì)向待并發(fā)電機(jī)發(fā)出并車指令，主開關(guān)才能合閘。反之主開關(guān)不合閘。

圖1 自動(dòng)準(zhǔn)同期并車裝置

1）壓差檢測(cè)和控制單元：

壓差檢測(cè)模塊取系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的電壓U1的有效值與待并發(fā)電機(jī)的電壓U2的有效值進(jìn)行比較，判斷其差值的絕對(duì)值是否小于允許誤差Ux，若

則輸出為1，反之輸出為0，壓差控制單元如圖2所示，電壓有效值測(cè)量單元RMS取自Simulink中的simPowerSystem子庫(kù)，本仿真試驗(yàn)中，電壓差Ux為10%U1：

圖2 壓差檢測(cè)與控制單元的數(shù)學(xué)模型

2）頻差檢測(cè)與控制單元：

頻率檢測(cè)單元的基本原理是將待檢測(cè)正弦波先整形為矩形方波，然后檢測(cè)矩形方波的周期，最后得出方波的頻率即是待檢測(cè)正弦波的頻率，頻率檢測(cè)單元如圖3所示：

圖3 頻率檢測(cè)單元的數(shù)學(xué)模型

頻差控制單元的基本原理是將檢測(cè)出來的待并發(fā)電機(jī)的頻率f1與系統(tǒng)發(fā)電機(jī)頻率f2做比較，若

則輸出為1，反之則輸出為0。

3）相角差檢測(cè)和控制單元：

系統(tǒng)發(fā)電機(jī)電壓U1與待并機(jī)電壓U2之間的相角差δ如圖4所示。從圖中可知，δ可由U1和U2的波形過零點(diǎn)之間的時(shí)間差反映。它由0°～360°周期性變化。因而，δ可以通過求取圖中相應(yīng)時(shí)間差的方法來獲得。

通過利用 MATLAB／Simulink中的模塊，把系統(tǒng)發(fā)電機(jī)電壓U1與待并發(fā)電機(jī)電壓U2的波形轉(zhuǎn)換成方波，保留其上半部分，如圖5所示：

圖4 相角差δ的示意圖

圖5 相角差δ的示意圖

將待并發(fā)電機(jī)電壓U2的波形取反后與系統(tǒng)發(fā)電機(jī)電壓U1相與，得到的方波的面積就是我們所要求的時(shí)間差t，具體的時(shí)間差t的求取以及相角差的控制如圖6所示，其中Timer的作用是控制待并發(fā)電機(jī)的并車時(shí)間：

圖6 相角差控制單元的數(shù)學(xué)模型

4 船舶同步發(fā)電機(jī)組自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載

在包含多臺(tái)機(jī)組的船舶電站中，當(dāng)需要兩臺(tái)或以上的機(jī)組并聯(lián)供電時(shí)，或者只需要單機(jī)交替供電時(shí)，為了保證連續(xù)不斷電，都需要并車操作及負(fù)荷轉(zhuǎn)移分配操作。在這些情況下，為了實(shí)現(xiàn)船舶電站自動(dòng)化，必須有“頻率自動(dòng)調(diào)整和有功功率自動(dòng)分配環(huán)節(jié)”，執(zhí)行頻率和有功功率自動(dòng)調(diào)整的裝置簡(jiǎn)稱為“調(diào)頻調(diào)載”裝置，又叫“自動(dòng)負(fù)荷分配器”。

4.1 自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置的功能介紹

自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置的基本功能有：

1）自動(dòng)維持船舶電力系統(tǒng)頻率為額定值；

2）依并聯(lián)運(yùn)行各機(jī)組的容量按比例自動(dòng)分配有功功率。

4.2 有功功率分配和調(diào)節(jié)的原則

同步發(fā)電機(jī)輸出的有功功率來自原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率。為了適應(yīng)負(fù)載的變化，需要經(jīng)常調(diào)整原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以保持電網(wǎng)頻率的恒定。對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，改變發(fā)電機(jī)間的有功功率分配，是通過改變各臺(tái)發(fā)電機(jī)原動(dòng)機(jī)的油門大小，即單位時(shí)間進(jìn)入氣缸的燃油量來實(shí)現(xiàn)的。柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下的輸出功率與柴油機(jī)噴油量成正比，發(fā)電機(jī)在單機(jī)運(yùn)行時(shí)的某一轉(zhuǎn)速（頻率）對(duì)應(yīng)輸出某一有功功率；對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，某一頻率對(duì)應(yīng)著每個(gè)發(fā)電機(jī)的輸出功率。所以，并聯(lián)機(jī)組有功功率分配與電力系統(tǒng)頻率調(diào)整密切相關(guān)。系統(tǒng)有功功率平衡被破壞造成電網(wǎng)頻率的變化，因此調(diào)節(jié)頻率和調(diào)節(jié)有功功率是直接相關(guān)的，二者的調(diào)節(jié)歸根到底是調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的油門（柴油機(jī)）或汽門（汽輪機(jī)）的大小。在同容量、同型號(hào)的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)將系統(tǒng)的總負(fù)荷平均分配給參與運(yùn)行的各臺(tái)機(jī)組；當(dāng)不同容量的發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，則將系統(tǒng)的總負(fù)荷按各臺(tái)發(fā)電機(jī)容量成比例地分配給運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，以增強(qiáng)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性[6]。

4.3 船舶電力系統(tǒng)頻率變化的原因

發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，其功率的平衡方程為

(1)劃分關(guān)注區(qū)域(AOI)。按照綜合五人熱點(diǎn)圖的結(jié)果，頁面12選取其中標(biāo)題、中間位置的零件照片、中間位置零件的電路符號(hào)周圍一小圈的三個(gè)封閉區(qū)域作為關(guān)注區(qū)域，見圖1(a)；頁面14選取其中標(biāo)題、電器元件三維圖、左側(cè)電路中開關(guān)符號(hào)、卡通形象周圍一小圈的四個(gè)封閉區(qū)域作為關(guān)注區(qū)域，見圖1(b)。

式中：PY為原動(dòng)機(jī)供給發(fā)電機(jī)的有功功率；PF為發(fā)電機(jī)負(fù)載所消耗的有功功率；ΔP為發(fā)電機(jī)通過負(fù)載電流時(shí)的機(jī)電損耗；Tc為發(fā)電機(jī)的慣性時(shí)間常數(shù)。

原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率PY決定于原動(dòng)機(jī)的進(jìn)油量（或進(jìn)汽量），當(dāng)該功率與發(fā)機(jī)的負(fù)載功率和機(jī)電損耗平衡時(shí)，dω／dt＝0，即轉(zhuǎn)速（頻率）為恒定。當(dāng)功率平衡關(guān)系被打破時(shí)，例如，突增（或突卸）負(fù)載時(shí)，即PF增大（或減少）時(shí)，若進(jìn)油量（或進(jìn)汽量）未能及時(shí)變化，則PY不變，這就導(dǎo)致頻率下降（或升高），即dω／dt＜0（或dω／dt＞0），因此為維持頻率不變，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，必須及時(shí)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的進(jìn)油量（或進(jìn)汽量）。

4.4 頻率變化對(duì)船舶電力系統(tǒng)的影響

當(dāng)電網(wǎng)頻率降低（低于額定值）時(shí)，正在運(yùn)行電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，大大減少它們?cè)趩挝粫r(shí)間的送油、送水和送風(fēng)量，使效率大大降低，延長(zhǎng)工作的時(shí)間。當(dāng)頻率高于額定值時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高，從而使電動(dòng)機(jī)輸出功率提高，從電網(wǎng)中需求的電能也增加。此外，電動(dòng)機(jī)變成過載運(yùn)行，就會(huì)加劇零部件磨損并降低效率，并機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，將引起各機(jī)組有功負(fù)載分配不均，甚至發(fā)生逆功，導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作，使主開關(guān)跳閘。

4.5 自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載的方法

自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置的主要任務(wù)是維持電力系統(tǒng)頻率恒定和有功功率按比例分配，其方法歸納起來主要有以下五種：主調(diào)發(fā)電機(jī)法，有差調(diào)節(jié)法，主從控制法，積差法，虛有差法。本文采用的調(diào)節(jié)方法是主從控制法。

5 同步發(fā)電機(jī)并車的過程仿真

5.1 同步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

同步發(fā)電機(jī)模型用MATLAB軟件中的PSB仿真模塊集進(jìn)行建模。這里，船舶同步發(fā)電機(jī)采用五階狀態(tài)方程。兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)為：Pn＝3125KVA，Un＝2400V，fn＝60Hz，H（s）＝1.07，Xd＝1.56，Xq＝1.06，X′d＝0.296，X″d＝0.177，X″q＝0.177X1＝0.052T′d＝3.7，T″d＝0.05，T″qo＝0.05，P＝2，F(xiàn)＝0，Rs＝0.0036。

5.2 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

在柴油發(fā)電機(jī)組中，柴油機(jī)的主要作用是提供原動(dòng)力，由于柴油機(jī)自身沒有自動(dòng)調(diào)速能力，因此其必須裝設(shè)調(diào)速器，以保證柴油機(jī)始終能以規(guī)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行。本文中柴油機(jī)與調(diào)速器的組合采用二階環(huán)節(jié)進(jìn)行建模[7]，加入調(diào)頻調(diào)載裝置后模型如圖7和圖8所示：

圖7 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

圖8 待并發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

GB／T3475－2008《船用柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)技術(shù)要求和試驗(yàn)方法》中規(guī)定了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能指標(biāo)，查找不同精度等級(jí)穩(wěn)定時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，可以確定兩臺(tái)不同調(diào)速器其調(diào)節(jié)時(shí)間最多相差1.5倍，即最懸殊比例為1∶2.5。因此本文中系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.25，待并發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.1。圖7中Timer開關(guān)的作用是在發(fā)電機(jī)并車完成后進(jìn)行一次調(diào)頻，以達(dá)到兩臺(tái)機(jī)組的有功按照比例分配，Timer1開關(guān)的作用是在第10s的時(shí)候投入二次調(diào)頻，使兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行頻率穩(wěn)定在60Hz。

5.3 勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

構(gòu)成相復(fù)勵(lì)無刷交流勵(lì)磁系統(tǒng)的元件包括相復(fù)勵(lì)裝置，交流勵(lì)磁機(jī)和自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器（AVR）。本文參考IEEE推薦的勵(lì)磁機(jī)模型，建立相復(fù)勵(lì)交流勵(lì)磁系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[8～10]，加入電壓調(diào)節(jié)后的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的模型如圖9所示。

5.4 負(fù)載的數(shù)學(xué)模型

負(fù)載L1：P＝1.25e6，Q＝9.375e5，cosφ＝0.8；

負(fù)載L2：P＝1.25e6，Q＝9.375e5，cosφ＝0.8；

負(fù)載L3：P＝0.75e6，Q＝1.7184e6，cosφ＝0.4。

5.5 同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的仿真

Simulink中同步發(fā)電機(jī)雙機(jī)并車的模型如圖10所示。

圖10 同步發(fā)電機(jī)雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型

為便于并車，在并車前通過break開關(guān)使待并發(fā)電機(jī)的頻率略微高于系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的頻率，并車后通過break開關(guān)控制兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的頻率一樣。第5s加入并車指令，將待并發(fā)電機(jī)投入系統(tǒng)中去，第10s加入二次調(diào)頻指令。在整個(gè)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)帶負(fù)載L1運(yùn)行。

5.6 仿真結(jié)果分析

1）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓波形

由圖11～13中可以看到，在第5s的時(shí)候系統(tǒng)給出了并車指令，自動(dòng)準(zhǔn)同期并車裝置通過判斷，在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓的差為零的時(shí)候并車，這樣引起的沖擊電流最小。

2）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速w的波形

由圖14～15中可以看出，在并車前系統(tǒng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在給定的0.98倍的額定轉(zhuǎn)速上，并車后通過break開關(guān)的控制，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在給定的額定轉(zhuǎn)速上。并車后由于負(fù)載的作用，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)不再運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速上，第10s的時(shí)候，通過二次調(diào)頻將兩臺(tái)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行頻率穩(wěn)定到60Hz，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)這個(gè)時(shí)候都運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速上。

3）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電流的波形

從圖中16～17可以看到，第5s的時(shí)候系統(tǒng)給出了并車指令，自動(dòng)準(zhǔn)同期并車裝置通過判斷，在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)電壓差為0的時(shí)候并車，引起的沖擊電流約為250A左右，小于其額定電流，在合理范圍內(nèi)。

4）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率P的波形

由圖18中可以看到，在并車前系統(tǒng)發(fā)電機(jī)承擔(dān)所有的有功輸出，在并車后通過一次調(diào)頻和二次調(diào)頻的作用，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率實(shí)現(xiàn)了完全均分。

5）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的無功功率Q的波形

由圖20中可以看到，在第20s投入負(fù)載L2時(shí)，通過調(diào)頻調(diào)載裝置的作用，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率經(jīng)過短時(shí)間的震蕩后最后都穩(wěn)定在0.4，兩臺(tái)機(jī)組輸出的有功功率完全實(shí)現(xiàn)了均分。

由圖19中可以看到，在并車前系統(tǒng)發(fā)電機(jī)承擔(dān)所有的無功的輸出，在并車后通過勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的無功功率基本上實(shí)現(xiàn)了均分，略微有點(diǎn)差別，其無功負(fù)載與其按比例應(yīng)分配值之差為系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的3.4%，為待并發(fā)電機(jī)的3.5%，在合理范圍內(nèi)。

6）兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，第20s投入負(fù)載L2時(shí)，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率P的波形

圖11 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓波形

圖12 待并發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓波形

圖13 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端相電壓的差

圖14 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線

圖15 待并發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線

圖16 系統(tǒng)發(fā)電機(jī)輸出的電流波形

圖17 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的電流波形

圖18 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率波形

圖19 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的無功功率波形

圖20 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出的有功功率波形

6 結(jié)語

本文通過對(duì)同步發(fā)電機(jī)雙機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的研究，建立了自動(dòng)準(zhǔn)同期并車裝置以及自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置。通過MATLAB仿真結(jié)果表明，所建立的自動(dòng)準(zhǔn)同期并車裝置能實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)的雙機(jī)并車，并且引起的沖擊電流較小，效果較好；所搭建的自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置基本上能完全實(shí)現(xiàn)有功功率的均分，仿真結(jié)果與理論分析的結(jié)果完全一致，證明了所建模型的正確性。

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