一種新型調速方式在船舶電站中的應用

王永興，劉建設

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

目前，在船舶交流電力系統中，廣泛地采用了柴油發電機組。自20世紀80年代開始，隨著電力電子及變頻調速技術的快速進步，船舶電力推進技術也得到了迅速發展。船舶電力推進系統與其他日用負載通常采用同一船舶電站供電，這也導致船舶電站的容量越來越大，自動化程度也越來越高。為了使各種電氣設備能夠可靠、高效的運轉，必須保證船用柴油發電機組具有較高的發電品質[1]。

為使柴油發電機組可以發出高品質的電能，需要保持發電機組的電壓及頻率的穩定。電壓由發電機的自動調壓系統實現，頻率則由柴油機的轉速實現。頻率為衡量電能質量的一個重要參數，與電機轉速之間有直接的計算關系。船用電網負荷一直處于實時變化之中，加上柴油機組工作環境的復雜性，所以保持柴油機組恒轉速運行是比較困難的。

作為調節柴油機轉速的特定裝置，調速器在船舶電站中得到了廣泛的應用。調速器的作用是通過執行機構改變油量調節機構位置，進而改變循環供油量，將柴油機的轉速調節到規定轉速范圍，維持柴油機轉速穩定[2]。調速器按執行機構分類，可分為機械式調速器、液壓調速器和電子調速器。目前一些具有負載分配功能的電子調速器也越來越多的應用在船舶電站中，比如伍德沃德和海因茲曼公司的電子調速器。

目前船舶電站調速模式主要有下垂模式和恒頻模式。其中下垂模式模擬傳統的機械式調速特性，恒頻模式則由模擬量電子調速器輸出來控制柴油機轉速。恒頻模式與下垂模式相比具有更好的頻率特性，而且可以柔和的改變各個并聯機組的負載而不改變系統頻率；下垂模式則應用成熟，可以便捷地實現功率分配。

Easygen3400控制器是伍德沃德公司用于柴油發電機組的控制器。控制器具有電流和電壓互感器接口，能夠對發電機的有功功率進行計算，針對發電機的各種應用提供功率管理功能[3]。本文以伍德沃德恒頻模式控制器（Easygen3400），再加上SIEMENS PLC+DEIF PPU組成的下垂模式控制器，提出了一種新型船舶電站控制模式。

1 硬件設計

1.1 Easygen 3400控制器（恒頻模式）

本文船舶電站設計為四臺柴油發電機組，每臺柴油發電機組配置一套Easygen3400控制器。外形圖見圖1。

Easygen3400通過采集發電機的電壓、電流，然后控制器進行計算各發電機的輸出功率，各模塊之間為CAN總線通訊，進行數據交換后再進行邏輯判斷，然后輸出4-20mA信號進行柴油機的轉速給定。

模塊接線圖見圖2。

圖1 Easygen3400外形圖

圖2 Easygen3400接線圖

各端子功能描述如下：

03~08端子取發電機電流樣值，接口類型為5A。

30、32、34端子取發電機電壓樣值，接口類型為480V。

38、40端子取母排電壓樣值，接口類型為480V。

15、17端子輸出4~20mA電流信號控制柴油機：Easygen3400根據取樣的發電機電流值和電壓值，計算對應發電機的輸出功率，通過模塊之間的CAN線通訊進行數據交換，內部邏輯判斷后輸出4~20mA電流信號控制柴油機實現負荷分配功能。

51、52端子送出GCB Open開關量，用于把對應發電機組的GCB斷開：GCB Open對應的內部故障Easygen3400已經固化，即當對應的故障發生時，送出GCB斷開信號，同時送出Stop Alarm信號。此時，故障機組從電網中脫開，避免把整個系統拖垮，其他機組切換到下垂模式運行，同時把所有Easygen3400恒頻模式關閉。排除故障后，機組重新并到運行機組，整體切到恒頻模式繼續運行。

53、54端子送出Stop Alarm開關量：Stop Alarm對應的內部故障由用戶定義，當對應的故障發生時，送出Stop Alarm信號。任何一臺Easygen3400送出該信號，外部系統把所有機組都切到下垂模式，同時把所有Easygen3400恒頻模式關閉。

Stop Alarm定義的故障可分為A~F多個級別，當C級（含C級）以上的故障發生時，Stop Alarm和GCB Open信號同時送出。當C級以下故障發生時，不影響運行，因此不送出信號，只是Easygen3400本地有指示燈亮，此時需要人工停機排除故障。

63、64端子為Easygen3400供電電源。

66端子為Easygen3400輸入的Common端。

68端子閉合輸入表示Easygen3400工作在恒頻模式。

73端子短接表示機組孤網運行，不并到其他電網。

74端子斷開輸入表示GCB處于閉合狀態。

78端子斷開輸入表示母聯開關處于閉合狀態。

1.2 PLC+PPU控制器（下垂模式）

本文船舶電站PMS（PLC+PPU）為2組完全冗余設計的S7-400系列PLC組成，硬件采用工業級標準PLC。在一組出現故障時，系統能自動轉換到另一組自動運行。執行器采用的是DEIF公司的PPU3，可以實現柴油機組調速調壓功能。

圖3 PLC+PPU下垂模式

Easygen3400的恒頻模式和PMS的下垂模式切換功能由PLC實現，PLC提供與調速器有關恒頻/下垂模式的相關接口。在恒頻控制模式時，并聯運行柴油發電機組的負荷分配由柴油機電子調速器系統（Easygen3400）實現，PPU不參與負荷分配的控制。在下垂控制模式時，由PPU負責柴油發電機組的負荷分配。

PMS（PLC+PPU）與恒頻模塊的接口設計為以下內容：恒頻模式故障、恒頻模式設定及恒頻模式狀態反饋。

2 軟件設計

2.1 系統工作原理

1）下垂模式下，柴油機工作在開關量調速模式下，通過開關量調節轉速，此時Easygen3400工作狀態處于“停止模式”，即模塊不工作。柴油機隨著負荷增加轉速有所下降，且所有柴油機的轉速下降值相同，柴油機之間自動進行負荷分配，不需要Easygen3400。

2）恒頻模式下，柴油機工作在模擬量調速模式下，通過Easygen3400送出的4~20mA電流信號控制轉速，此時Easygen3400工作狀態處于“自動模式”，即模塊正常運行。柴油機負荷增加對轉速沒有影響，柴油機始終工作在恒定轉速下，柴油機之間的負荷分配通過Easygen3400控制柴油機實現。

3）對于Easygen3400，任何時候兩種模式只能二選一。

機組起動并車和卸載時只能工作在下垂模式（Easygen3400“停止模式”，柴油機開關量調速），機組并車完成正常運行后，才能切到恒頻模式（Easygen3400“自動模式”，柴油機模擬量調速）。

機組由下垂模式進入恒頻模式時，所有Easygen3400先進入“自動模式”，然后柴油機控制器受Easygen3400送出的4~20mA信號控制。機組由恒頻模式進入下垂模式時，所有柴油機控制器取消接受Easygen3400的控制，Easygen3400進入“停止模式”。

2.2 軟件設計流程

圖4 機組啟動并網流程圖

圖5 機組解列流程圖

圖6恒頻模式故障軟件設計

圖4為機組從啟動投網到正常運行的軟件設計流程圖。圖5為機組由正常運行到解列的軟件設計流程圖。機組的啟動并網指令及解列指令可以由人為（半自動工況）和軟件自動檢測（全自動工況）給出。圖6為機組恒頻模式故障時軟件設計流程圖。

3 結束語

本文對船舶電站機組的調速方式進行了探討，闡述了一種新型的使用伍德沃德電子調速器以及PLC和PPU的調速控制模式，詳細介紹了其硬件組成及軟件設計流程。

參考文獻：

[1] 李超.柴油發電機組調速系統研究[D].大連海事大學,2015.

[2] 王銘鋼,張德智,趙慧恩.Woodward電子調速器在240系列柴油發電機組的應用[J].內燃機與動力裝置,2015,32（1）:65-66.

[3] 黃一民.兩種新型調速方式在船舶電站中的應用前景分析[J].機電設備,2010,27（3）：3-4.