一种新型调速方式在船舶电站中的应用

王永兴，刘建设

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

0 引言

目前，在船舶交流电力系统中，广泛地采用了柴油发电机组。自20世纪80年代开始，随着电力电子及变频调速技术的快速进步，船舶电力推进技术也得到了迅速发展。船舶电力推进系统与其他日用负载通常采用同一船舶电站供电，这也导致船舶电站的容量越来越大，自动化程度也越来越高。为了使各种电气设备能够可靠、高效的运转，必须保证船用柴油发电机组具有较高的发电品质[1]。

为使柴油发电机组可以发出高品质的电能，需要保持发电机组的电压及频率的稳定。电压由发电机的自动调压系统实现，频率则由柴油机的转速实现。频率为衡量电能质量的一个重要参数，与电机转速之间有直接的计算关系。船用电网负荷一直处于实时变化之中，加上柴油机组工作环境的复杂性，所以保持柴油机组恒转速运行是比较困难的。

作为调节柴油机转速的特定装置，调速器在船舶电站中得到了广泛的应用。调速器的作用是通过执行机构改变油量调节机构位置，进而改变循环供油量，将柴油机的转速调节到规定转速范围，维持柴油机转速稳定[2]。调速器按执行机构分类，可分为机械式调速器、液压调速器和电子调速器。目前一些具有负载分配功能的电子调速器也越来越多的应用在船舶电站中，比如伍德沃德和海因兹曼公司的电子调速器。

目前船舶电站调速模式主要有下垂模式和恒频模式。其中下垂模式模拟传统的机械式调速特性，恒频模式则由模拟量电子调速器输出来控制柴油机转速。恒频模式与下垂模式相比具有更好的频率特性，而且可以柔和的改变各个并联机组的负载而不改变系统频率；下垂模式则应用成熟，可以便捷地实现功率分配。

Easygen3400控制器是伍德沃德公司用于柴油发电机组的控制器。控制器具有电流和电压互感器接口，能够对发电机的有功功率进行计算，针对发电机的各种应用提供功率管理功能[3]。本文以伍德沃德恒频模式控制器（Easygen3400），再加上SIEMENS PLC+DEIF PPU组成的下垂模式控制器，提出了一种新型船舶电站控制模式。

1 硬件设计

1.1 Easygen 3400控制器（恒频模式）

本文船舶电站设计为四台柴油发电机组，每台柴油发电机组配置一套Easygen3400控制器。外形图见图1。

Easygen3400通过采集发电机的电压、电流，然后控制器进行计算各发电机的输出功率，各模块之间为CAN总线通讯，进行数据交换后再进行逻辑判断，然后输出4-20mA信号进行柴油机的转速给定。

模块接线图见图2。

图1 Easygen3400外形图

图2 Easygen3400接线图

各端子功能描述如下：

03~08端子取发电机电流样值，接口类型为5A。

30、32、34端子取发电机电压样值，接口类型为480V。

38、40端子取母排电压样值，接口类型为480V。

15、17端子输出4~20mA电流信号控制柴油机：Easygen3400根据取样的发电机电流值和电压值，计算对应发电机的输出功率，通过模块之间的CAN线通讯进行数据交换，内部逻辑判断后输出4~20mA电流信号控制柴油机实现负荷分配功能。

51、52端子送出GCB Open开关量，用于把对应发电机组的GCB断开：GCB Open对应的内部故障Easygen3400已经固化，即当对应的故障发生时，送出GCB断开信号，同时送出Stop Alarm信号。此时，故障机组从电网中脱开，避免把整个系统拖垮，其他机组切换到下垂模式运行，同时把所有Easygen3400恒频模式关闭。排除故障后，机组重新并到运行机组，整体切到恒频模式继续运行。

53、54端子送出Stop Alarm开关量：Stop Alarm对应的内部故障由用户定义，当对应的故障发生时，送出Stop Alarm信号。任何一台Easygen3400送出该信号，外部系统把所有机组都切到下垂模式，同时把所有Easygen3400恒频模式关闭。

Stop Alarm定义的故障可分为A~F多个级别，当C级（含C级）以上的故障发生时，Stop Alarm和GCB Open信号同时送出。当C级以下故障发生时，不影响运行，因此不送出信号，只是Easygen3400本地有指示灯亮，此时需要人工停机排除故障。

63、64端子为Easygen3400供电电源。

66端子为Easygen3400输入的Common端。

68端子闭合输入表示Easygen3400工作在恒频模式。

73端子短接表示机组孤网运行，不并到其他电网。

74端子断开输入表示GCB处于闭合状态。

78端子断开输入表示母联开关处于闭合状态。

1.2 PLC+PPU控制器（下垂模式）

本文船舶电站PMS（PLC+PPU）为2组完全冗余设计的S7-400系列PLC组成，硬件采用工业级标准PLC。在一组出现故障时，系统能自动转换到另一组自动运行。执行器采用的是DEIF公司的PPU3，可以实现柴油机组调速调压功能。

图3 PLC+PPU下垂模式

Easygen3400的恒频模式和PMS的下垂模式切换功能由PLC实现，PLC提供与调速器有关恒频/下垂模式的相关接口。在恒频控制模式时，并联运行柴油发电机组的负荷分配由柴油机电子调速器系统（Easygen3400）实现，PPU不参与负荷分配的控制。在下垂控制模式时，由PPU负责柴油发电机组的负荷分配。

PMS（PLC+PPU）与恒频模块的接口设计为以下内容：恒频模式故障、恒频模式设定及恒频模式状态反馈。

2 软件设计

2.1 系统工作原理

1）下垂模式下，柴油机工作在开关量调速模式下，通过开关量调节转速，此时Easygen3400工作状态处于“停止模式”，即模块不工作。柴油机随着负荷增加转速有所下降，且所有柴油机的转速下降值相同，柴油机之间自动进行负荷分配，不需要Easygen3400。

2）恒频模式下，柴油机工作在模拟量调速模式下，通过Easygen3400送出的4~20mA电流信号控制转速，此时Easygen3400工作状态处于“自动模式”，即模块正常运行。柴油机负荷增加对转速没有影响，柴油机始终工作在恒定转速下，柴油机之间的负荷分配通过Easygen3400控制柴油机实现。

3）对于Easygen3400，任何时候两种模式只能二选一。

机组起动并车和卸载时只能工作在下垂模式（Easygen3400“停止模式”，柴油机开关量调速），机组并车完成正常运行后，才能切到恒频模式（Easygen3400“自动模式”，柴油机模拟量调速）。

机组由下垂模式进入恒频模式时，所有Easygen3400先进入“自动模式”，然后柴油机控制器受Easygen3400送出的4~20mA信号控制。机组由恒频模式进入下垂模式时，所有柴油机控制器取消接受Easygen3400的控制，Easygen3400进入“停止模式”。

2.2 软件设计流程

图4 机组启动并网流程图

图5 机组解列流程图

图6恒频模式故障软件设计

图4为机组从启动投网到正常运行的软件设计流程图。图5为机组由正常运行到解列的软件设计流程图。机组的启动并网指令及解列指令可以由人为（半自动工况）和软件自动检测（全自动工况）给出。图6为机组恒频模式故障时软件设计流程图。

3 结束语

本文对船舶电站机组的调速方式进行了探讨，阐述了一种新型的使用伍德沃德电子调速器以及PLC和PPU的调速控制模式，详细介绍了其硬件组成及软件设计流程。

参考文献：

[1] 李超.柴油发电机组调速系统研究[D].大连海事大学,2015.

[2] 王铭钢,张德智,赵慧恩.Woodward电子调速器在240系列柴油发电机组的应用[J].内燃机与动力装置,2015,32（1）:65-66.

[3] 黄一民.两种新型调速方式在船舶电站中的应用前景分析[J].机电设备,2010,27（3）：3-4.