費(fèi) 翔

（上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 研發(fā)中心，上海200135）

0 引 言

隨著現(xiàn)代電氣技術(shù)的飛速發(fā)展，船上的用電設(shè)備及半導(dǎo)體器件逐漸增多，對(duì)電能質(zhì)與量的需求日益增加，同時(shí)要求船舶電站自動(dòng)化水平不斷提高。船舶電站自動(dòng)化的主要內(nèi)容是連續(xù)保質(zhì)供電及合理分配：一方面電能要滿足船上用電負(fù)荷的不斷變化，保證電網(wǎng)頻率和電壓的穩(wěn)定；另一方面還要充分考慮電能使用的經(jīng)濟(jì)性和使用效率。發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)并車(chē)控制作為船舶電站控制系統(tǒng)中一項(xiàng)基本且關(guān)鍵的功能，在保證電能質(zhì)量、連續(xù)性及合理分配上都有著重要作用。

船用三相同步發(fā)電機(jī)并車(chē)時(shí)，待并發(fā)電機(jī)組與運(yùn)行發(fā)電機(jī)組（電網(wǎng)）之間必須滿足如下條件［1］：

1.待并發(fā)電機(jī)組電壓U2與運(yùn)行發(fā)電機(jī)（電網(wǎng)）電壓U1相等，即U2＝U1。

2.待并發(fā)電機(jī)組頻率f2與運(yùn)行發(fā)電機(jī)（電網(wǎng)）頻率f1相等，即f2＝f1。

實(shí)際運(yùn)行中很難實(shí)現(xiàn)上述理想條件，因此標(biāo)準(zhǔn)要求電壓差不大于電網(wǎng)額定電壓的10%，頻率差在＋0.5 Hz以內(nèi)，相位差控制在±10°以內(nèi)。滿足上述條件后，可以基本認(rèn)為發(fā)電機(jī)并車(chē)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，并且合閘后發(fā)電機(jī)組能迅速進(jìn)入同步運(yùn)行，不致產(chǎn)生任何不良后果。

通常自動(dòng)并車(chē)的方法就是通過(guò)檢測(cè)待并發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的電壓差、頻差和相位差，當(dāng)三要素同時(shí)滿足并車(chē)條件時(shí)，發(fā)出合閘指令，實(shí)現(xiàn)并車(chē)操作。以往硬件并車(chē)方法中相位差的檢測(cè)通常是完全通過(guò)硬件電路來(lái)判定的。硬件電路的設(shè)計(jì)方法需要先假定待并機(jī)組、電網(wǎng)的頻率及主開(kāi)關(guān)合閘延時(shí)時(shí)間，并由此計(jì)算固定的超前時(shí)間值來(lái)整定相關(guān)硬件檢測(cè)設(shè)備，根據(jù)捕捉到的脈沖寬度決定是否發(fā)出允許合閘指令。其硬件電路的時(shí)間常數(shù)等受RC值制約，其硬件設(shè)備的調(diào)整過(guò)程較為繁瑣且效率不高，對(duì)于電網(wǎng)頻率的實(shí)際波動(dòng)無(wú)法應(yīng)變。

1 船舶發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并車(chē)軟件方法簡(jiǎn)述與比較

一種自動(dòng)并車(chē)的軟件新方法核心是越前時(shí)間的計(jì)算（見(jiàn)圖1）。

圖1 越前時(shí)間計(jì)算原理圖

當(dāng)檢測(cè)到上述待并機(jī)組電壓相位滯后于電網(wǎng)電壓的時(shí)間tz后，即可在該時(shí)刻發(fā)出合閘指令，從而使實(shí)際合閘相位差趨于0。

若以空間旋轉(zhuǎn)的矢量表示電網(wǎng)電壓及機(jī)組電壓，以常用的追擊問(wèn)題考慮合閘問(wèn)題，設(shè)電網(wǎng)及待并機(jī)組角速度分別為wG與ww，對(duì)應(yīng)頻率為fG與fw，任一時(shí)刻情況（見(jiàn)圖2a）檢測(cè)到待并機(jī)組電壓相位滯后于電網(wǎng)電壓的時(shí)間為t，經(jīng)延時(shí)tx后發(fā)出合閘指令，并經(jīng)主開(kāi)關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間和軟件計(jì)算延遲時(shí)間tk達(dá)到相位差為0情況（見(jiàn)圖2（b））。則有：

待并機(jī)組及電網(wǎng)電壓經(jīng)方波轉(zhuǎn)換后，設(shè)電網(wǎng)電壓頻率為fw、周期為T(mén)w，待并機(jī)組電壓頻率為fG、周期為T(mén)G，待并機(jī)組電壓相位滯后于電網(wǎng)電壓的時(shí)間為tz，主開(kāi)關(guān)固有動(dòng)作時(shí)間和軟件計(jì)算延遲時(shí)間和為tk。若二者能在同相點(diǎn)合閘，此時(shí)的tz值可由1個(gè)以Tw、TG、tk為變量的函數(shù)關(guān)系來(lái)確定［2］，即

我不聽(tīng)你的解釋?zhuān)∥医裉炻?tīng)你的解釋?zhuān)魈炻?tīng)他的解釋?zhuān)疫@個(gè)縣委書(shū)記還要不要做事？周書(shū)記說(shuō)完很牛B地?fù)]了一下手，有些要將我趕出去的意思，我的氣就在周書(shū)記那一揮手間竄了起來(lái)，我從椅子上站起來(lái)，突然間變得氣宇軒昂理直氣壯，我拍著周書(shū)記的桌子說(shuō)，周書(shū)記，你不用趕我走，我會(huì)離開(kāi)的，但在走之前我要告訴你，我不會(huì)去當(dāng)什么狗屁林業(yè)局長(zhǎng)，我孫東西對(duì)此不感興趣！就地免職也罷，開(kāi)除公職也罷，我孫東西一切由你！我把話說(shuō)完一拍屁股走出了他的辦公室。

圖2 機(jī)組及電網(wǎng)相位追擊初末圖

通過(guò)對(duì)上述兩種方法地比較，不難發(fā)現(xiàn)，第2種方法的特點(diǎn)是消耗系統(tǒng)資源小，只需1次檢測(cè)時(shí)間差（或相位差）即可計(jì)算得到延時(shí)時(shí)間，不需反復(fù)檢測(cè)比較是否符合要求。但其對(duì)機(jī)組及電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性有較高的要求，如果在離合閘時(shí)刻較遠(yuǎn)處確定電網(wǎng)及機(jī)組頻率計(jì)算延時(shí)值，遇到頻率波動(dòng)無(wú)法忽略不計(jì)的情況將累計(jì)誤差并造成計(jì)算結(jié)果的偏差。而第1種情況雖然時(shí)時(shí)需檢測(cè)，卻避免了這種情況，因此在研究中采用第1種方法的思路。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

自動(dòng)并車(chē)軟件的實(shí)現(xiàn)是根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)的頻差和相位差及其變化趨勢(shì)，考慮主開(kāi)關(guān)合閘延時(shí)及程序執(zhí)行時(shí)間等延時(shí)，采用相應(yīng)的算法動(dòng)態(tài)計(jì)算出合閘指令發(fā)出時(shí)的越前時(shí)間，應(yīng)用高精度計(jì)數(shù)器捕捉待并機(jī)組與電網(wǎng)的相位差時(shí)間，當(dāng)捕捉到該差值時(shí)，發(fā)出合閘指令，保證實(shí)際合閘時(shí)間（相位差為0的時(shí)刻）。

2.1 電壓及頻率條件判斷

實(shí)時(shí)讀入待并機(jī)組及電網(wǎng)的電壓幅值和頻率，計(jì)算其電壓差及頻率差值是否滿足條件，若不滿足則經(jīng)等待延時(shí)后繼續(xù)讀入并計(jì)算，直至待并機(jī)組調(diào)頻調(diào)載及調(diào)壓程序完成調(diào)節(jié)，使電壓差和頻率差滿足條件后進(jìn)入相位差判斷流程。

2.2 相位差對(duì)應(yīng)時(shí)間捕獲

頻率不同的待并機(jī)組及電網(wǎng)電壓正弦波經(jīng)方波轉(zhuǎn)換后，兩列波的相位差可以由兩方波信號(hào)上升沿的時(shí)間差參照公式θ＝wΔt差換算得到，這里定義兩上升沿時(shí)間差Δt為從電網(wǎng)電壓方波上升沿觸發(fā)到待并機(jī)組電壓方波上升沿觸發(fā)的時(shí)間間隔，w為電網(wǎng)電壓角頻率。由于待并機(jī)組電壓頻率高于電網(wǎng)電壓頻率，在相鄰的2次相位差為0（實(shí)際為2π的整數(shù)倍相位角）的時(shí)刻間，Δt因采用先電網(wǎng)電壓方波上升沿，后待并機(jī)組電壓上升沿的時(shí)間段檢測(cè)方式，將始終單調(diào)遞減至0，故對(duì)于確定的相位差，有唯一的上升沿時(shí)間差與之對(duì)應(yīng)。圖3是由經(jīng)方波轉(zhuǎn)換后電網(wǎng)電壓Uw與待并機(jī)組電壓UG得到的上升沿時(shí)間差Δt。

圖3 電網(wǎng)及待并機(jī)組電壓方波信號(hào)及上升沿時(shí)間差波形圖

圖4 船舶發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并車(chē)軟件流程圖

傳統(tǒng)的相位檢測(cè)方法是直接采用兩電壓方波波形異或的方法，在相鄰的2次相位差為0（實(shí)際為2π的整數(shù)倍相位角）的時(shí)刻間，該方法所得到的方波時(shí)間差Δt將是由0遞增至最大，再減小到0的變化規(guī)律。導(dǎo)致這1周期中會(huì)有2個(gè)相同的時(shí)間差，為了達(dá)到轉(zhuǎn)化相位差的目的還必須加入趨勢(shì)判斷以分辨兩相位差的超前滯后關(guān)系。研究所采用的上升沿時(shí)間差檢測(cè)法不會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題，一致的單調(diào)性使時(shí)間差與相位差一一對(duì)應(yīng)，不用再趨勢(shì)判斷。

2.3 越前時(shí)間計(jì)算及相位差條件判斷

在軟件實(shí)現(xiàn)中，對(duì)待并機(jī)組及電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換后的方波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，讀取電網(wǎng)電壓方波上升沿觸發(fā)到待并機(jī)組電壓方波上升沿觸發(fā)的時(shí)間差Δt。當(dāng)檢測(cè)到的時(shí)間差Δt與計(jì)算的tz值近似相等時(shí)（｜Δt－tz｜＜ε，ε為符合精度要求的足夠小的數(shù)）發(fā)出合閘指令，以實(shí)現(xiàn)同相點(diǎn)合閘。

這里在確保合閘精度的前提下，以引入人為誤差為代價(jià)使硬件要求得以降低。事實(shí)上檢測(cè)到的時(shí)間差Δt未必能保證與t z相等，而理論做法如下：設(shè)每次檢測(cè)到的待并機(jī)組及電網(wǎng)的頻率為f G及f w，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)，進(jìn)入延時(shí)環(huán)節(jié)，延時(shí)Δt－t z－t 0（t 0為校驗(yàn)后的檢測(cè)延時(shí)）后發(fā)出合閘指令。

圖4為實(shí)現(xiàn)程序流程概述及流程圖。

1）開(kāi)始調(diào)用程序，讀取已設(shè)定好的合閘總計(jì)延時(shí)tk，脈寬時(shí)間比較限值ε及脈寬檢測(cè)次數(shù)限值N。

2）讀入實(shí)時(shí)檢測(cè)的待并機(jī)組及電網(wǎng)的電壓、頻率，計(jì)算電壓差ΔU、頻率差Δf，并判斷ΔU、Δf是否滿足條件。若是，進(jìn)入“3）”；若否，執(zhí)行電壓或頻率調(diào)節(jié)后重新執(zhí)行“2）”。

3）根據(jù)tk待并機(jī)組及電網(wǎng)頻率，計(jì)算提前越前時(shí)間tz。

4）計(jì)算當(dāng)前比較次數(shù)n。讀取實(shí)時(shí)檢測(cè)的待并機(jī)組及電網(wǎng)的上升沿時(shí)間差Δt，若滿足｜Δt－tk｜＜ε，發(fā)出合閘指令并進(jìn)入“5）”；若否，判斷當(dāng)前比較次數(shù)是否不小于限值N，若是，返回執(zhí)行“2）”，若否，重新執(zhí)行“4）”。

5）讀取合閘反饋，判斷合閘是否成功。若是，結(jié)束程序；若否，報(bào)警后結(jié)束程序。

3 調(diào)試結(jié)果

3.1 調(diào)試準(zhǔn)備及環(huán)境介紹

選擇帶2臺(tái)以上發(fā)電機(jī)組的配電屏作為本次調(diào)試的控制對(duì)象?，F(xiàn)場(chǎng)大致硬件環(huán)境布置情況見(jiàn)圖5。實(shí)際調(diào)試時(shí)采用2臺(tái)發(fā)電機(jī)組，1臺(tái)在網(wǎng)運(yùn)行，1臺(tái)待并的方式，通過(guò)電量分析儀記錄機(jī)組及電網(wǎng)的線電壓波形合閘前后變化，判斷該船舶發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并車(chē)軟件的實(shí)現(xiàn)是否滿足要求。

圖5 調(diào)試硬件環(huán)境布置圖

3.2 調(diào)試結(jié)果數(shù)據(jù)及分析

由于主開(kāi)關(guān)實(shí)際合閘時(shí)間可能存在離散性，測(cè)定了從發(fā)出合閘指令到信號(hào)傳至配電屏并實(shí)際合閘的延時(shí)時(shí)間，以便能更準(zhǔn)確地進(jìn)行軟件并車(chē)合閘。從測(cè)試結(jié)果看，基本穩(wěn)定于37 ms左右（見(jiàn)表1）。加上模塊繼電器動(dòng)作時(shí)間的間隔（生產(chǎn)商給出的是5 ms），整定總延時(shí)時(shí)間為42 ms。

表1 發(fā)出合閘指令到信號(hào)傳至配電屏實(shí)際合閘的延時(shí)時(shí)間

測(cè)試共進(jìn)行了2組發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)頻率分別為fG＝50.460 Hz、fw＝50.010 Hz；fG＝50.251 Hz，fw＝49.800 Hz左右穩(wěn)定共24項(xiàng)的合閘相位數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2）。

不計(jì)頻率差異，調(diào)試結(jié)果中，合閘相位角平均約為1.29°，最大正偏差為提前2.77°，最大負(fù)偏差為0.59°，能滿足＜10°要求。而產(chǎn)生偏差的原因有：

2）調(diào)試機(jī)組及配電網(wǎng)電壓波形存在諧波分量。經(jīng)圖像對(duì)比半周期波形前后時(shí)間長(zhǎng)度不等。若改善電能（波形）質(zhì)量將有效提高合閘精度。

表2 機(jī)組及電網(wǎng)不同頻率時(shí)合閘相位情況

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著船舶電站自動(dòng)化要求及電能質(zhì)量要求日益增高，針對(duì)船舶發(fā)電機(jī)組軟件自動(dòng)并車(chē)的研究和應(yīng)用越發(fā)必要。對(duì)船舶發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并車(chē)軟件的具體原理和方法進(jìn)行了闡述和比較，在軟件實(shí)現(xiàn)中，對(duì)一些檢測(cè)方法及參數(shù)閥值的整定進(jìn)行了比較和嘗試，并結(jié)合實(shí)際控制對(duì)象船舶發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了測(cè)試，均證明該種船舶發(fā)電機(jī)組自動(dòng)并車(chē)軟件方法具備可行性，能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于發(fā)電機(jī)并車(chē)合閘角的要求。

［1］ 楊冠城.電力系統(tǒng)自動(dòng)裝置原理［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.

［2］ 時(shí)佳慧.嵌入式船舶電站控制裝置的研究與設(shè)計(jì)［J］.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，2008，31（2）：67－75.