“育鲲”号船舶电站核心控制器分析

文/ 大连海事大学轮机工程学院 姜 月 吴志良

“育鲲”号是大连海事大学投资建造的我国首艘自行开发设计、目前世界上最先进的专用远洋教学实习船之一。“育鲲”号船舶电站采用了丹麦DEIF公司生产的发电机并车控制器和保护单元PPU控制器作为船舶电站的核心控制单元，进行船舶同步发电机自动并车操作及船舶电站的自动化管理。

一、“育鲲”号船舶电站及其核心控制器PPU概述

“育鲲”号船舶电站由3台柴油发电机和1台轴带发电机组成，在每台发电机的控制屏上均安装PPU控制器作为核心控制器，相应地实现每台发电机的检测、控制和保护功能，并可通过串行通信与其他控制器进行联系，从而实现船舶电站的自动化。

PPU（Generator Paralleling and Protection Unit）是一种基于微处理器技术的发电机控制和保护单元，能够实现所有控制发电机所需的功能。PPU控制器包含发电机三相检测电路，可控制发电机进行同步并车操作，并在同步运行后进行必需的发电机控制和保护。系统中主要参数值和报警值均可以在其LCD屏上显示。各项保护的设定值既可通过人机交互界面的按钮在线修改，也可通过RS232与PC机相连，利用操作软件进行在线设定。

PPU控制器在“育鲲”号船舶电站中与PLC配合进行自动控制。PPU控制器将检测到的电路各参数利用微处理器进行运算，获得控制信号后，通过数字和模拟I/O端口输出至PLC的输入端口和继电器等报警处，用于进一步控制船舶电站。

二、PPU硬件组成及功能介绍

1. 硬件电路组成

PPU控制器采用模块化的设计思想，其内部硬件电路包括10块印刷电路板（S1—S10）和1块底部连接电路板，其中标准配置电路板为：S1——电源及继电器配置板；S2——负载分配及工作点设定板；S3——发电机电流检测及通信串口板；S4——电压检测及核心控制板；S7——发电机电压、转速控制输出板。同时，GPC/PPU控制器还具有许多扩展功能，如输出PWM信号至转速控制器、扩展I/O端口等。若实现这些扩展功能，则需在内部配置相应的印刷电路板（即S5、S6、S8、S9、S10）。每块印刷电路板均完成各自不同的功能，彼此又可通过底部印刷电路板相连，进行内部信号的传递。选择不同的印刷电路板进行组合可以使PPU控制器实现所需完成的功能。

PPU控制器的核心控制单元是瑞萨（RENESAS）公司生产的16位单片机HBS/2655系列，该系列单片机具有16个16位的内部寄存器，最大时钟可达20 MHz，可以很好地实现实时控制。

2. 主要功能介绍

PPU控制器主要用于多台发电机组的同步并车控制、负载分配和转移操作，并在并车和负载转移的过程中实时地进行检测和保护，下面对其控制功能分别说明。

（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、电压匹配和相序检测等操作，并可通过软件程序设定模拟主开关动作的时间，使得两台待并发电机能够在其同步点时刻精准合闸，达到自动控制准确并车的目的。

（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，从而实现在各种不同的应用环境下对发电机的适当控制。具体划分为以下四种模式。

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：频率曲线模式，即控制

发电机负载变化时频率的变化值（适用于对频率有特殊要求的场合）。

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）。

（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、逆功保护等，并可通过对继电器输出进行配置，从而起到报警或断开主开关等作用。此外，PPU控制器还可通过上位机软件选择对发电机及汇流排的过压和欠压保护、过频和欠频保护等其他保护功能。

PPU控制器可以通过串行通信将检测到的电路参数送至LCD液晶显示单元，实现在操作过程中方便实时地获取和监测电路参数。

三、“育鲲”号船舶电站PPU控制器工作原理分析

1. 两台柴油发电机并联运行及负载分配过程

图1为“育鲲”号船舶电站中任意两台并联运行的柴油发电机的PPU控制器外部连线示意图。PPU控制器对两台柴油发电机进行并车及负载分配的自动控制。

（1）自动并车过程。

图1 发电机并联运行负载分配电路连线图

假设2#发电机为运行发电机，1#发电机为待并发电机。PPU控制器若想进行频率调节、合闸操作、并车操作、模式选择等控制操作，则25号端子必须为高电平。当1#PPU控制器的25号端子为高电平时，即对1#PPU控制器发出并车指令，此时1#PPU控制器输出控制信号至1#发电机的速度调节器GOV，调节1#发电机的频率，将其控制在设置的频率范围内。同时实时检测并车条件，比较发电机与电网的频率、电压、相位之差，当两者之差处于设置的允许范围内时，1#PPU控制器的内部核心单片机将根据主开关固有动作时间和实际频差进行计算，发出合闸脉冲信号，通过1#PPU控制器的17、18号端子输出，控制1号主开关ACB1动作，实现并车。

（2）自动负载分配过程。

当1#发电机主开关合闸后，两台发电机开始并联运行，此时1#和2#的PPU控制器同时通过内部继电器，将控制器本身自动连接至有功功率负载分配线（PS）和无功功率负载分配线（QS），由37、38、39号端子进行负载分配。

2. 轴带发电机与柴油发电机并联运行及负载分配过程

由于“育鲲”号采用变矩桨，主机转速恒定，因此决定了轴带发电机的频率恒定。只在切换发电机时，轴带发电机才与柴油发电机作短暂并联运行，用以进行负载转移。因此无须控制轴带发电机的PPU控制器功率和频率，只需对其进行并车、负载转移及保护控制。

图2为“育鲲”号船舶电站中两台柴油发电机、一台轴带发电机及其各自的PPU控制器的连线示意图。其中1#和2#发电机为柴油发电机，3#发电机为轴带发电机。从该图可以看出，轴带发电机没有转速控制器GOV，转速直接由主机转速决定，为定值。下面分析并车和负载转移的具体工作过程。

图2“育鲲”号船舶电站中带有轴带发电机的并联运行连线图

（1）并车操作。

假设此时1#柴油发电机和2#柴油发电机已经在电网上工作，轴带发电机处于待并状态。

当PLC程序控制SYNC SG动作时，继电器C1得电，辅助触点C1闭合，控制C1线圈在轴带发电机主开关SCB闭合之前一直处于得电状态。

当继电器C1动作时，3#PPU控制器的端子25为高电平，此时1#和2#PPU控制器的端子50接至+24VDC，使得其工作在外部设定工作点状态。同时，由于轴带发电机的频率受主机转速控制，3#PPU控制器端子66、67便对1#和2#PPU控制器的端子40、41输出转速调节模拟量信号，改变1#和2#发电机的频率设定值，由1#和2#PPU控制1#和2#发电机的频率，使两者满足并车条件，实现轴带发电机的并车操作。

（2）柴油发电机向轴带发电机转移负载。

当轴带发电机并网运行后，柴油发电机需要向轴带发电机转移负载。

当PLC程序控制DE-LOAD DGS动作时，继电器C3得电，1#和2#PPU的端子43有输入信号，控制1#和2#发电机转速下降，承担负载减少，使得轴带发电机承担负载增大，直至1#和2#发电机的主开关断开，继电器C3失电，负载转移结束。

（3）轴带发电机向柴油发电机转移负载。

当轴带发电机准备解列时，其需将负载转移至柴油发电机。

当PLC程序控制DE-LOAD SG动作时，继电器C2得电，1#和2#PPU的端子50为高电平，使2个PPU控制器工作在外部设定工作点状态。同时，3#PPU控制器的端子66、67输出转速调节模拟量信号至1#和2#PPU的端子40、41，控制1#和2#发电机频率设定值增大，使得1#和2#发电机转速上升，承担负载增大，轴带发电机承担负载减少，直至轴带发电机的主开关SCB断开，继电器C2失电，其负载全部转移至柴油发电机。

四、结束语

DEIF公司生产的PPU控制器具有实现船舶电站自动化的功能，在陆地和船舶中得到了广泛的应用。本文对PPU控制器进行功能和原理介绍，并以“育鲲”号船舶电站为例，对控制器的实船应用进行分析，着重于“育鲲”号船舶电站并车操作及负载转移的自动控制过程，对掌握和熟悉PPU控制器的工作原理和工作过程具有一定的参考价值。

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