主柴油发电机组大小机并车试验方法研究

夏冬梅 李春明 陈欢

摘    要：4000kW新型海洋救助船配置了4台主柴油发电机，分别为2台2600kW的大机和2台450kW的小机，实现了功率比接近6倍的大小机并车试验，而且在后续的使用中能稳定的运行。本文介绍了本船的用电工况和两种常用的并车模式，并简要介绍了并车模式的选择、调速信号的选择、并车流程的制定，以及实船并车试验情况，可供同类型船舶参考。

关键词：柴油发电机;并车;恒频模式;下垂模式

中图分类号：U664.23                               文献标识码：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

根据船舶为适应不同工况下的负荷需要，柴油发电机组并车以结构合理、安全可靠、高效节能为主要目标，使产品的各项性能指标均达到较高水平。本船主柴油发电机组大小机功率比之大是罕见的，本研究对功率悬殊的柴油发电机组并车具有重要意义。

2     主要研究内容

2.1    电站的配置及电力使用工况

2.1.1电站的配置

本船配有4台主柴油发电机，分别为2台2600 kW的大机和2台450 kW的小机，其电力单线图，如图1所示。

2.1.2电力使用工况

技术规格书要求的电力使用工况如下：

（1）全速航行工况

使用两台2 600 kW发电机组向全船供电，当负荷率超过90%时，若海況良好，则起动单台450 kW发电机组，两大一小发电机组向电网供电：电站自动限制450 kW发电机组的负荷率在80 %;如遇恶劣海况，起动两台450 kW发电机组进行负载转移，将450 kW和2600 kW发电机进行分区供电，2 600 kW发电机组驱动主推进器，450 kW发电机组驱动机舱泵、风机等400 V负载，同时将400 V汇流排联络开关断开。

（2）救险、消防作业工况

根据实际负荷率使用两台2 600 kW发电机组。当两台发电机组在网的负荷率低于40%时，自动解列一台发电机组。

（3）靠港工况

使用两台2 600 kW发电机组，驱动主推进器、首侧推器和全船用电负载。

（4） DP工况

使用两台2 600 kW发电机组，分区向全船供电，保证冗余。

（5） 停泊工况

使用单台450 kW发电机组。

2.2    大小车并车的控制模式

2.2.1招标文件的并车要求

本船的主柴油发电机为集中采购设备，招标文件把柴油机和发电机分开两部分招标，中间通过键式连接。

在柴油机的订货技术规格书中，对发电机组的使用工况和并联运行方式有如下描述：

（1）4台主发电机组由两种型号的发电机组组成：2台主发电机组I，每台功率约2 600 kW;2台主发电机组II，每台功率约450 kW;4台主发电机组在船舶全速航行时，可以同时并网供电;停泊时，运行1台主发电机组II;其余工况，主要使用主发电机组I对全船进行供电;。

（2）4台主发电机组应能长时间并联运行;4台主发电机组内的任意组合（数量从2-4），也可长期并联运行;柴油机的调速器和自动调压器应满足上述要求，并满足CCS规范和规定的相关要求;

（3）采用两种控制方式对并联运行的柴油发电机组进行负荷分配，两种控制方式为恒频控制模式和下垂控制模式：在恒频控制模式下，对并联运行的柴油发电机组进行负荷分配属于柴油机电子调速器系统的功能，調速器控制模块由投标方提供。本船为电力推进船舶，恒频控制模式是主要运行模式。下垂控制模式作为恒频控制模式的备用功能。电子调速器向电站提供有关恒频/下垂模式的有关接口和控制继电器及专用连接电缆。

2.2.2下垂控制模式

下垂控制模式是利用柴油机的负载增加、频率下降的下垂特性曲线（见图2），在发电机组间分配负载的。这种方式只靠调速器进行调节，PMS通常不需要发送调频调载指令给柴油发电机来控制负载分配。

2.2.3恒频控制模式

恒频控制模式是利用PMS发送指令，让柴油机的频率固定不变，在发电机组间分配负载的。这种方式既要靠调速器进行调节，还要进行调频调载。

2.3   设备厂商的并车方案

2.3.1  柴油机厂商的并车方案

（1）柴油机配置

柴油机中标的是利星行代理的CAT机，柴油机配置方案见图3。

两台大发电机组为：Caterpillar C280-8 。输出功率2600 kW，转速1 000 r/min，电压690 V，频率50 Hz;

两台小发电机组为：Caterpillar C18。输出功率450 kW，转速1 500 r/min，电压690 V，频率50 Hz。

（2）并联运行技术方案

利星行针对本船的技术要求，制定了一套并联运行的技术方案，引入了第三方控制设备商DEIF做负荷分配逻辑控制：

① 调速/调压系统的配置

·发动机电喷模块（ADEM）

功能描述：电喷机主控制模块，每缸设有一个电控泵喷嘴，电子控制模块ADEM 送出信号至泵喷嘴上的电磁阀，控制喷油过程。

响应频率（时间）：±0.2 Hz

数量：1 套/机组

安装位置：发动机

·数字式电位（EPQ96-2）

功能：把 DM4 的调速模拟量信号转换为CAT 发动机可接受转速给定PMW 信号。

响应时间：<100 ms

数量：1 套/机组

安装位置：负荷分配控制箱内

·负荷分配模块（DM4） （由DEIF提供）。

功能：负责4 台机组负荷分配，包含在恒频 模式和下垂模式，执行非对称负载分配。

响应时间：<50 ms

精度等级：0.5 级

数量：1 套/机组

安装位置：负荷分配控制箱内

·数字式电压调整器

电压调节精度<=0.25%

可接受模拟量调压信号：±10 V 或±20 mA

励磁电流/电压模拟量输出：按CCS 规范要求

灭磁功能：配置差动保护功能

数量：1 套/机组

安装位置：配电板

·电子调速器（PID）。

发动机的期望转速由PID 通过速度传感器和速度给定值，比较差值，给定一个期望转速至发动机的电喷模块ADEM。

安装位置：负荷分配控制箱内

·DM4 测量母排侧的实际功率，通过CPU 计算，并给出实际负载偏移量至PID，从而改变发动机的期望转速。DM4 在恒频模式下，会追踪额定频率信号，使机组运行至额定转速;在下垂模式下，机组会根据本身的下垂斜率特性运行。电子调速器PID典型原理，见图4。

② 负荷分配方案说明：

方案一：在恒频模式下，执行对称负载分配，即并联运行的发电机组的负载分配比例相同。

方案二：在恒频模式下，执行非对称负载分配。

表1为一台2 600 kW 机组和一台450 kW 机组长期并车运行的外对称负载分配情况：

由表1可知：

·总功率在 0～675 kW 之间，由大小2 台机组平均分配功率;

·总功率在 675 kW～2 937.5 kW（2600 kW+337.5 kW）之间，由2 600 kW 机组承担负载，450 kW 机组恒定运行在75%的负载;

·总功率在 2 937.5 kW ～3 355 kW[（2 600+450）kW *1.1]之间， 按照大机组+1%负载的情况下，小机组+3.5%负荷的方式增加负载直到110%;

·在消防泵接入后，大机的 DM4 会自动剔除消防泵功率，与小机进行非对称负载分配。

因此，这种非对称负荷分配模式，可以确保450 kW 机组有足够的富余功率（约112.5 kW）和响应时间，应对突加/突卸的功率变化。

整个调速系统（DM4、EPQ96-2、ADEM）的最长响应时间<100 ms，在此时间内可把转速波动率控制在0.22%以内。因此整个调速系统可以在100 ms 内调整发动机期望转速，从而降低转速波动率，确保负载的平稳运行。

其中，优先等级如下：

·DM4 主要运行在恒频模式下，执行非对称负载分配;

·当DM4 出现模块失效状态，DM4 会主动发出故障信号至PMS，并把负荷分配权限移交至PMS，由PMS 完成负荷分配;

·当DM4 和PMS 都失效的情况下，ADEM 可以保证最基本的下垂模式，确保机组的对称负荷分配，但不能执行非对称负载分配。

2.3.2  发电机厂商的并车方案

发电机的2 600 kW大机型号为：AMG0630LQ06 LAA;450 kW小机型号为AMG0400SC04 DAA。

针对本船的技术要求，中标的ABB对PMS制定了一套并联运行的技術方案：

（1）当大、小柴油发电机并网均载运行时，大、小机的负载是按比例分配的;在突加或者突卸负载时，柴油机自身的调速特性能保证瞬时加在两台机上的比例是相近的，在此基础上PMS再做负载分配和频率调整。在现场调试过程中，PMS调速脉冲宽度与频率与柴油机的调速曲线匹配，使大小机负载分配更加完美;

（2）当小机运行在固定负载模式下，操作人员手动设定小机负载功率，大机功率随负载波动。此时突加或突卸负载，柴油机自身的调速特性能保证在瞬时加在两台机上的比例是相近的，在此基础上PMS再做负载分配和频率调整;。当大机负载超（例如90%）或低于（例如10%）设定值时，PMS自动退出固定负载模式;

（3）当小机在网大机并车时，或大机在网小机并车时，柴油机自身的调速特性能保证在瞬时小机不能过载或者逆功，在此基础上PMS再做负载分配和频率调整;

（4）大、小机都在网小机卸载时，PMS会慢慢卸载小机功率，当小机功率低于PMS设定值时断开开关;

（5）大、小机都在网大机卸载时，PMS会慢慢卸载大机功率，当大机功率低于PMS设定值时断开开关。此设定值要与柴油机厂家确认，以保证在设定值足够低的情况下大机负载能慢慢转移到小机上。

2.3.3  两个设备厂商并车方法的对比

从柴油机的订货技术规格书中，恒频控制模式是主要运行模式，下垂控制模式作为恒频控制模式的备用。对比上述两个设备厂商的技术方案可以看出，利星行引进了第三方制作就地负载分配控制，也就是本船实际上拥有了两套电站管理系统，这就需要规定好每套电站管理系统使用的次序。

利星行方案能在恒频模式下执行非对称负载分配，而ABB只能实现对称或按比例负载进行分配。基于利星行更了解柴油机的特性曲线，经多方商定决定采用恒频模式，恒频控制模式由利星行自身完成，本船的PMS放权给柴油机的就地负载分配控制;下垂控制模式由PMS控制。

2.4   调速信号研究

（1）电压调速信号

电压调速信号正比于脉冲的宽度，脉冲的宽度越宽，调速的数值越大，但脉冲读取的时间就越长，如图5所示。

（2）电流调速信号

电流调速信号只与电流的大小有关，与读取信号的时间无关。电流值的大小直接代表调速值的大小，调速系统的最长响应时间可控，如图6所示。

（3）调速信号方案

在讨论PMS提供给柴油机的调速信号时，ABB强调他们只能提供电压脉冲信号，但利星行不接受，调速系统的最长响应时间>100 ms。由于大小机的功率相差很大，利星行要求PMS提供±20 mA的电流调速信号。

在前期商谈技术协议时，利星行已经提供了对PMS调速的要求，也写进了PMS的技术规格书里。尽管ABB强调从来没有提供过电流调速信号，但写在了技术协议里也只能执行，最终调速信号定为电流调速信号，如图7所示。

2.5   负载分配方案

小机固定功率值为70%（可调），在大机功率低于5%或高于95%时，小机退出固定功率。两小一大、两小两大、一小两大类推，功率限位相同。

根据计算，进入非对称负载的拐点为（445.3 kW， 14.6%），退出非对称负载的拐点为（2 785 kW， 91.3%）。

对称负载和非对称负载这两种方案，对于电站来说都能非常稳定的运行，经利星行成套工厂的台架试验，功率分配达到：

速降模式的负载分配差度<8%;

恒频模式的负载分配差度<1.5%;

非对称模式的负载分配差度<0.5%。

在船舶试验时，选择了对称负载方案，主要原因是本船功率管理系统作为机组恒频模式的备用系统，当恒频出现故障时，能自动介入运行下垂模式，增加系统可靠性。而为了两种模式无扰动切换，采用了对称负载分配方案。

2.6   大小机并车试验流程

（1）同步发电机并车的条件

① 电压的有效值相等;

② 频率相等;

③ 相位或初相角相等;

④ 相序一致。

在实际并车操作中，要注意发电机间的电压差不得大于10%，相位差限制在+-15°以内，频差控制在+-0.5 Hz以内。

（2）大小机并车流程

当发电机组要实现并车进入恒频模式时，必须要先达到上述条件。所以发电机要先运行在下垂模式，把准备并联的发电机调整到合适的电压、频率、相位上，完成并联入网;PMS再转换成恒频模式，放权给柴油机的就地负载分配控制。并车进入恒频模式流程，见图8。

3    并联运行试验数据

四台发电机并联运行试验数据，见表2。

4    总结

本船成功实现了大小机并车，电站非常稳定的运行。，但由于系统涉及到柴油机、发电机、配电板、功率管理（PMS）等多个厂家，整个系统是否有优化的地方，也值得去考虑如下问题：

（1）负荷分配DM4的功能强大，现在利用率不高，与配电板的很多功能重复，是否可以整合在一起？这样可以减少硬件，减少中间环节，缩短响应时间，增加系统的可靠性和稳定性;

（2）负荷分配DM4与PMS之间是否可以增加通讯接口？实现主备用功率管理的运行模式自由切换。

参考文献

[1] 王文义. 船舶电站组建与调试[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社， 2009： 200-203.

[2] 熊爱凌. 负荷分配方案[Z]. 利星行机械（上海）有限公司，2017.

[3] 张志旺. PMS功率分配描述[Z]. 利星行机械（上海）有限公司， 2017.