主柴油發(fā)電機(jī)組大小機(jī)并車試驗(yàn)方法研究

夏冬梅 李春明 陳歡

摘? ? 要：4000kW新型海洋救助船配置了4臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)，分別為2臺(tái)2600kW的大機(jī)和2臺(tái)450kW的小機(jī)，實(shí)現(xiàn)了功率比接近6倍的大小機(jī)并車試驗(yàn)，而且在后續(xù)的使用中能穩(wěn)定的運(yùn)行。本文介紹了本船的用電工況和兩種常用的并車模式，并簡要介紹了并車模式的選擇、調(diào)速信號(hào)的選擇、并車流程的制定，以及實(shí)船并車試驗(yàn)情況，可供同類型船舶參考。

關(guān)鍵詞：柴油發(fā)電機(jī);并車;恒頻模式;下垂模式

中圖分類號(hào)：U664.23 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Test Method of Big and Small Diesel Generators Paralleling

XIA Dongmei， LI Chunming， CHEN Huan

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.， Guangzhou 510715 ）

Abstract： The new 4 000 kW ocean rescue ship（later called the ship） is equipped with four main diesel generators， which are 2 large ones of 2 600 kW and 2 small ones of 450 kW respectively. A test of big and small diesel generators paralleling with a power ratio of nearly six times is completed， and it can run stably in the subsequent use. This paper introduces the electrical working condition of the ship， two commonly used modes of diesel generators paralleling， selection of the ship's paralleling mode， analysis and selection of speed control signal，formulation of paralleling process， situation of the actual paralleling test， which can be used for reference for the same type of ships.

Key words： Diesel generator; Generators paralleling; Isochronous mode; Speed droop mode

1? ? ?前言

根據(jù)船舶為適應(yīng)不同工況下的負(fù)荷需要，柴油發(fā)電機(jī)組并車以結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、高效節(jié)能為主要目標(biāo)，使產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到較高水平。本船主柴油發(fā)電機(jī)組大小機(jī)功率比之大是罕見的，本研究對功率懸殊的柴油發(fā)電機(jī)組并車具有重要意義。

2? ? ?主要研究內(nèi)容

2.1? ? 電站的配置及電力使用工況

2.1.1電站的配置

本船配有4臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)，分別為2臺(tái)2600 kW的大機(jī)和2臺(tái)450 kW的小機(jī)，其電力單線圖，如圖1所示。

2.1.2電力使用工況

技術(shù)規(guī)格書要求的電力使用工況如下：

（1）全速航行工況

使用兩臺(tái)2 600 kW發(fā)電機(jī)組向全船供電，當(dāng)負(fù)荷率超過90%時(shí)，若海況良好，則起動(dòng)單臺(tái)450 kW發(fā)電機(jī)組，兩大一小發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)供電：電站自動(dòng)限制450 kW發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率在80 %;如遇惡劣海況，起動(dòng)兩臺(tái)450 kW發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，將450 kW和2600 kW發(fā)電機(jī)進(jìn)行分區(qū)供電，2 600 kW發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器，450 kW發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)機(jī)艙泵、風(fēng)機(jī)等400 V負(fù)載，同時(shí)將400 V匯流排聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開。

（2）救險(xiǎn)、消防作業(yè)工況

根據(jù)實(shí)際負(fù)荷率使用兩臺(tái)2 600 kW發(fā)電機(jī)組。當(dāng)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)的負(fù)荷率低于40%時(shí)，自動(dòng)解列一臺(tái)發(fā)電機(jī)組。

（3）靠港工況

使用兩臺(tái)2 600 kW發(fā)電機(jī)組，驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器、首側(cè)推器和全船用電負(fù)載。

（4） DP工況

使用兩臺(tái)2 600 kW發(fā)電機(jī)組，分區(qū)向全船供電，保證冗余。

（5） 停泊工況

使用單臺(tái)450 kW發(fā)電機(jī)組。

2.2? ? 大小車并車的控制模式

2.2.1招標(biāo)文件的并車要求

本船的主柴油發(fā)電機(jī)為集中采購設(shè)備，招標(biāo)文件把柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)分開兩部分招標(biāo)，中間通過鍵式連接。

在柴油機(jī)的訂貨技術(shù)規(guī)格書中，對發(fā)電機(jī)組的使用工況和并聯(lián)運(yùn)行方式有如下描述：

（1）4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組由兩種型號(hào)的發(fā)電機(jī)組組成：2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組I，每臺(tái)功率約2 600 kW;2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組II，每臺(tái)功率約450 kW;4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組在船舶全速航行時(shí)，可以同時(shí)并網(wǎng)供電;停泊時(shí)，運(yùn)行1臺(tái)主發(fā)電機(jī)組II;其余工況，主要使用主發(fā)電機(jī)組I對全船進(jìn)行供電;。

（2）4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組應(yīng)能長時(shí)間并聯(lián)運(yùn)行;4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組內(nèi)的任意組合（數(shù)量從2-4），也可長期并聯(lián)運(yùn)行;柴油機(jī)的調(diào)速器和自動(dòng)調(diào)壓器應(yīng)滿足上述要求，并滿足CCS規(guī)范和規(guī)定的相關(guān)要求;

（3）采用兩種控制方式對并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷分配，兩種控制方式為恒頻控制模式和下垂控制模式：在恒頻控制模式下，對并聯(lián)運(yùn)行的柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷分配屬于柴油機(jī)電子調(diào)速器系統(tǒng)的功能，調(diào)速器控制模塊由投標(biāo)方提供。本船為電力推進(jìn)船舶，恒頻控制模式是主要運(yùn)行模式。下垂控制模式作為恒頻控制模式的備用功能。電子調(diào)速器向電站提供有關(guān)恒頻/下垂模式的有關(guān)接口和控制繼電器及專用連接電纜。

2.2.2下垂控制模式

下垂控制模式是利用柴油機(jī)的負(fù)載增加、頻率下降的下垂特性曲線（見圖2），在發(fā)電機(jī)組間分配負(fù)載的。這種方式只靠調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，PMS通常不需要發(fā)送調(diào)頻調(diào)載指令給柴油發(fā)電機(jī)來控制負(fù)載分配。

2.2.3恒頻控制模式

恒頻控制模式是利用PMS發(fā)送指令，讓柴油機(jī)的頻率固定不變，在發(fā)電機(jī)組間分配負(fù)載的。這種方式既要靠調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，還要進(jìn)行調(diào)頻調(diào)載。

2.3? ?設(shè)備廠商的并車方案

2.3.1? 柴油機(jī)廠商的并車方案

（1）柴油機(jī)配置

柴油機(jī)中標(biāo)的是利星行代理的CAT機(jī)，柴油機(jī)配置方案見圖3。

兩臺(tái)大發(fā)電機(jī)組為：Caterpillar C280-8 。輸出功率2600 kW，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，電壓690 V，頻率50 Hz;

兩臺(tái)小發(fā)電機(jī)組為：Caterpillar C18。輸出功率450 kW，轉(zhuǎn)速1 500 r/min，電壓690 V，頻率50 Hz。

（2）并聯(lián)運(yùn)行技術(shù)方案

利星行針對本船的技術(shù)要求，制定了一套并聯(lián)運(yùn)行的技術(shù)方案，引入了第三方控制設(shè)備商DEIF做負(fù)荷分配邏輯控制：

① 調(diào)速/調(diào)壓系統(tǒng)的配置

·發(fā)動(dòng)機(jī)電噴模塊（ADEM）

功能描述：電噴機(jī)主控制模塊，每缸設(shè)有一個(gè)電控泵噴嘴，電子控制模塊ADEM 送出信號(hào)至泵噴嘴上的電磁閥，控制噴油過程。

響應(yīng)頻率（時(shí)間）：±0.2 Hz

數(shù)量：1 套/機(jī)組

安裝位置：發(fā)動(dòng)機(jī)

·數(shù)字式電位（EPQ96-2）

功能：把 DM4 的調(diào)速模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為CAT 發(fā)動(dòng)機(jī)可接受轉(zhuǎn)速給定PMW 信號(hào)。

響應(yīng)時(shí)間：<100 ms

數(shù)量：1 套/機(jī)組

安裝位置：負(fù)荷分配控制箱內(nèi)

·負(fù)荷分配模塊（DM4） （由DEIF提供）。

功能：負(fù)責(zé)4 臺(tái)機(jī)組負(fù)荷分配，包含在恒頻 模式和下垂模式，執(zhí)行非對稱負(fù)載分配。

響應(yīng)時(shí)間：<50 ms

精度等級：0.5 級

數(shù)量：1 套/機(jī)組

安裝位置：負(fù)荷分配控制箱內(nèi)

·數(shù)字式電壓調(diào)整器

電壓調(diào)節(jié)精度<=0.25%

可接受模擬量調(diào)壓信號(hào)：±10 V 或±20 mA

勵(lì)磁電流/電壓模擬量輸出：按CCS 規(guī)范要求

滅磁功能：配置差動(dòng)保護(hù)功能

數(shù)量：1 套/機(jī)組

安裝位置：配電板

·電子調(diào)速器（PID）。

發(fā)動(dòng)機(jī)的期望轉(zhuǎn)速由PID 通過速度傳感器和速度給定值，比較差值，給定一個(gè)期望轉(zhuǎn)速至發(fā)動(dòng)機(jī)的電噴模塊ADEM。

安裝位置：負(fù)荷分配控制箱內(nèi)

·DM4 測量母排側(cè)的實(shí)際功率，通過CPU 計(jì)算，并給出實(shí)際負(fù)載偏移量至PID，從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的期望轉(zhuǎn)速。DM4 在恒頻模式下，會(huì)追蹤額定頻率信號(hào)，使機(jī)組運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速;在下垂模式下，機(jī)組會(huì)根據(jù)本身的下垂斜率特性運(yùn)行。電子調(diào)速器PID典型原理，見圖4。

② 負(fù)荷分配方案說明：

方案一：在恒頻模式下，執(zhí)行對稱負(fù)載分配，即并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的負(fù)載分配比例相同。

方案二：在恒頻模式下，執(zhí)行非對稱負(fù)載分配。

表1為一臺(tái)2 600 kW 機(jī)組和一臺(tái)450 kW 機(jī)組長期并車運(yùn)行的外對稱負(fù)載分配情況：

由表1可知：

·總功率在 0～675 kW 之間，由大小2 臺(tái)機(jī)組平均分配功率;

·總功率在 675 kW～2 937.5 kW（2600 kW+337.5 kW）之間，由2 600 kW 機(jī)組承擔(dān)負(fù)載，450 kW 機(jī)組恒定運(yùn)行在75%的負(fù)載;

·總功率在 2 937.5 kW ～3 355 kW[（2 600+450）kW *1.1]之間， 按照大機(jī)組+1%負(fù)載的情況下，小機(jī)組+3.5%負(fù)荷的方式增加負(fù)載直到110%;

·在消防泵接入后，大機(jī)的 DM4 會(huì)自動(dòng)剔除消防泵功率，與小機(jī)進(jìn)行非對稱負(fù)載分配。

因此，這種非對稱負(fù)荷分配模式，可以確保450 kW 機(jī)組有足夠的富余功率（約112.5 kW）和響應(yīng)時(shí)間，應(yīng)對突加/突卸的功率變化。

整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)（DM4、EPQ96-2、ADEM）的最長響應(yīng)時(shí)間<100 ms，在此時(shí)間內(nèi)可把轉(zhuǎn)速波動(dòng)率控制在0.22%以內(nèi)。因此整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)可以在100 ms 內(nèi)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)期望轉(zhuǎn)速，從而降低轉(zhuǎn)速波動(dòng)率，確保負(fù)載的平穩(wěn)運(yùn)行。

其中，優(yōu)先等級如下：

·DM4 主要運(yùn)行在恒頻模式下，執(zhí)行非對稱負(fù)載分配;

·當(dāng)DM4 出現(xiàn)模塊失效狀態(tài)，DM4 會(huì)主動(dòng)發(fā)出故障信號(hào)至PMS，并把負(fù)荷分配權(quán)限移交至PMS，由PMS 完成負(fù)荷分配;

·當(dāng)DM4 和PMS 都失效的情況下，ADEM 可以保證最基本的下垂模式，確保機(jī)組的對稱負(fù)荷分配，但不能執(zhí)行非對稱負(fù)載分配。

2.3.2? 發(fā)電機(jī)廠商的并車方案

發(fā)電機(jī)的2 600 kW大機(jī)型號(hào)為：AMG0630LQ06 LAA;450 kW小機(jī)型號(hào)為AMG0400SC04 DAA。

針對本船的技術(shù)要求，中標(biāo)的ABB對PMS制定了一套并聯(lián)運(yùn)行的技術(shù)方案：

（1）當(dāng)大、小柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)均載運(yùn)行時(shí)，大、小機(jī)的負(fù)載是按比例分配的;在突加或者突卸負(fù)載時(shí)，柴油機(jī)自身的調(diào)速特性能保證瞬時(shí)加在兩臺(tái)機(jī)上的比例是相近的，在此基礎(chǔ)上PMS再做負(fù)載分配和頻率調(diào)整。在現(xiàn)場調(diào)試過程中，PMS調(diào)速脈沖寬度與頻率與柴油機(jī)的調(diào)速曲線匹配，使大小機(jī)負(fù)載分配更加完美;

（2）當(dāng)小機(jī)運(yùn)行在固定負(fù)載模式下，操作人員手動(dòng)設(shè)定小機(jī)負(fù)載功率，大機(jī)功率隨負(fù)載波動(dòng)。此時(shí)突加或突卸負(fù)載，柴油機(jī)自身的調(diào)速特性能保證在瞬時(shí)加在兩臺(tái)機(jī)上的比例是相近的，在此基礎(chǔ)上PMS再做負(fù)載分配和頻率調(diào)整;。當(dāng)大機(jī)負(fù)載超（例如90%）或低于（例如10%）設(shè)定值時(shí)，PMS自動(dòng)退出固定負(fù)載模式;

（3）當(dāng)小機(jī)在網(wǎng)大機(jī)并車時(shí)，或大機(jī)在網(wǎng)小機(jī)并車時(shí)，柴油機(jī)自身的調(diào)速特性能保證在瞬時(shí)小機(jī)不能過載或者逆功，在此基礎(chǔ)上PMS再做負(fù)載分配和頻率調(diào)整;

（4）大、小機(jī)都在網(wǎng)小機(jī)卸載時(shí)，PMS會(huì)慢慢卸載小機(jī)功率，當(dāng)小機(jī)功率低于PMS設(shè)定值時(shí)斷開開關(guān);

（5）大、小機(jī)都在網(wǎng)大機(jī)卸載時(shí)，PMS會(huì)慢慢卸載大機(jī)功率，當(dāng)大機(jī)功率低于PMS設(shè)定值時(shí)斷開開關(guān)。此設(shè)定值要與柴油機(jī)廠家確認(rèn)，以保證在設(shè)定值足夠低的情況下大機(jī)負(fù)載能慢慢轉(zhuǎn)移到小機(jī)上。

2.3.3? 兩個(gè)設(shè)備廠商并車方法的對比

從柴油機(jī)的訂貨技術(shù)規(guī)格書中，恒頻控制模式是主要運(yùn)行模式，下垂控制模式作為恒頻控制模式的備用。對比上述兩個(gè)設(shè)備廠商的技術(shù)方案可以看出，利星行引進(jìn)了第三方制作就地負(fù)載分配控制，也就是本船實(shí)際上擁有了兩套電站管理系統(tǒng)，這就需要規(guī)定好每套電站管理系統(tǒng)使用的次序。

利星行方案能在恒頻模式下執(zhí)行非對稱負(fù)載分配，而ABB只能實(shí)現(xiàn)對稱或按比例負(fù)載進(jìn)行分配?；诶切懈私獠裼蜋C(jī)的特性曲線，經(jīng)多方商定決定采用恒頻模式，恒頻控制模式由利星行自身完成，本船的PMS放權(quán)給柴油機(jī)的就地負(fù)載分配控制;下垂控制模式由PMS控制。

2.4? ?調(diào)速信號(hào)研究

（1）電壓調(diào)速信號(hào)

電壓調(diào)速信號(hào)正比于脈沖的寬度，脈沖的寬度越寬，調(diào)速的數(shù)值越大，但脈沖讀取的時(shí)間就越長，如圖5所示。

（2）電流調(diào)速信號(hào)

電流調(diào)速信號(hào)只與電流的大小有關(guān)，與讀取信號(hào)的時(shí)間無關(guān)。電流值的大小直接代表調(diào)速值的大小，調(diào)速系統(tǒng)的最長響應(yīng)時(shí)間可控，如圖6所示。

（3）調(diào)速信號(hào)方案

在討論P(yáng)MS提供給柴油機(jī)的調(diào)速信號(hào)時(shí)，ABB強(qiáng)調(diào)他們只能提供電壓脈沖信號(hào)，但利星行不接受，調(diào)速系統(tǒng)的最長響應(yīng)時(shí)間>100 ms。由于大小機(jī)的功率相差很大，利星行要求PMS提供±20 mA的電流調(diào)速信號(hào)。

在前期商談技術(shù)協(xié)議時(shí)，利星行已經(jīng)提供了對PMS調(diào)速的要求，也寫進(jìn)了PMS的技術(shù)規(guī)格書里。盡管ABB強(qiáng)調(diào)從來沒有提供過電流調(diào)速信號(hào)，但寫在了技術(shù)協(xié)議里也只能執(zhí)行，最終調(diào)速信號(hào)定為電流調(diào)速信號(hào)，如圖7所示。

2.5? ?負(fù)載分配方案

小機(jī)固定功率值為70%（可調(diào)），在大機(jī)功率低于5%或高于95%時(shí)，小機(jī)退出固定功率。兩小一大、兩小兩大、一小兩大類推，功率限位相同。

根據(jù)計(jì)算，進(jìn)入非對稱負(fù)載的拐點(diǎn)為（445.3 kW， 14.6%），退出非對稱負(fù)載的拐點(diǎn)為（2 785 kW， 91.3%）。

對稱負(fù)載和非對稱負(fù)載這兩種方案，對于電站來說都能非常穩(wěn)定的運(yùn)行，經(jīng)利星行成套工廠的臺(tái)架試驗(yàn)，功率分配達(dá)到：

速降模式的負(fù)載分配差度<8%;

恒頻模式的負(fù)載分配差度<1.5%;

非對稱模式的負(fù)載分配差度<0.5%。

在船舶試驗(yàn)時(shí)，選擇了對稱負(fù)載方案，主要原因是本船功率管理系統(tǒng)作為機(jī)組恒頻模式的備用系統(tǒng)，當(dāng)恒頻出現(xiàn)故障時(shí)，能自動(dòng)介入運(yùn)行下垂模式，增加系統(tǒng)可靠性。而為了兩種模式無擾動(dòng)切換，采用了對稱負(fù)載分配方案。

2.6? ?大小機(jī)并車試驗(yàn)流程

（1）同步發(fā)電機(jī)并車的條件

① 電壓的有效值相等;

② 頻率相等;

③ 相位或初相角相等;

④ 相序一致。

在實(shí)際并車操作中，要注意發(fā)電機(jī)間的電壓差不得大于10%，相位差限制在+-15°以內(nèi)，頻差控制在+-0.5 Hz以內(nèi)。

（2）大小機(jī)并車流程

當(dāng)發(fā)電機(jī)組要實(shí)現(xiàn)并車進(jìn)入恒頻模式時(shí)，必須要先達(dá)到上述條件。所以發(fā)電機(jī)要先運(yùn)行在下垂模式，把準(zhǔn)備并聯(lián)的發(fā)電機(jī)調(diào)整到合適的電壓、頻率、相位上，完成并聯(lián)入網(wǎng);PMS再轉(zhuǎn)換成恒頻模式，放權(quán)給柴油機(jī)的就地負(fù)載分配控制。并車進(jìn)入恒頻模式流程，見圖8。

3? ? 并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)

四臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表2。

4? ? 總結(jié)

本船成功實(shí)現(xiàn)了大小機(jī)并車，電站非常穩(wěn)定的運(yùn)行。，但由于系統(tǒng)涉及到柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電板、功率管理（PMS）等多個(gè)廠家，整個(gè)系統(tǒng)是否有優(yōu)化的地方，也值得去考慮如下問題：

（1）負(fù)荷分配DM4的功能強(qiáng)大，現(xiàn)在利用率不高，與配電板的很多功能重復(fù)，是否可以整合在一起？這樣可以減少硬件，減少中間環(huán)節(jié)，縮短響應(yīng)時(shí)間，增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性;

（2）負(fù)荷分配DM4與PMS之間是否可以增加通訊接口？實(shí)現(xiàn)主備用功率管理的運(yùn)行模式自由切換。

參考文獻(xiàn)

[1] 王文義. 船舶電站組建與調(diào)試[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，?2009： 200-203.

[2] 熊愛凌. 負(fù)荷分配方案[Z]. 利星行機(jī)械（上海）有限公司，2017.

[3] 張志旺. PMS功率分配描述[Z]. 利星行機(jī)械（上海）有限公司， 2017.