超速對柴油發電機組并聯運行的影響及解決措施*

秦立新

(海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室　上?！?01913)

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超速對柴油發電機組并聯運行的影響及解決措施*

秦立新

(海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室上海201913)

現在船舶電站中，所用的發電原動機最為常見的是柴油機。伴隨著船舶的噸位越來越大以及船舶大功率負載不斷地增多，柴油發電機組并聯運行向全船供電已經成為常態。超速是一種很少出現卻很致命的柴油機故障，當出現超速故障時將會破壞柴發機組并聯運行的穩定性。論文對此進行了詳細的分析并提出了有效的解決方案，保證了供電系統的穩定性。

柴油發電機并聯運行;超速;供電系統穩定性

Class NumberU262.11

1　引言

在船舶電力系統中，各種負載所消耗的功率各不相同，并且負載的變化非常頻繁，這對船舶電站穩定供電的能力提出了較高的要求。柴油發電機組并聯運行[1]就是一種穩定的供電方式，不過當系統中有一臺柴油機發生超速故障時將會破壞其穩定性，本文針對此展開了詳細的分析。

2　柴油發電機組并聯運行的意義

除去供電穩定性的考慮，出于船舶電站所提供電能的利用率以及經濟性，一般也會采用多臺柴油發電機組[3]并聯運行的方式。這樣一來，可以根據負載消耗總功率的實際情況，來調整并入運行機組的數量。另外，當在運行過程中若有機組發生故障時，可以及時地將備用機組并入向電網供電。由此可以看出，多機組并聯有著諸多的優點[4]：

1)可以提高供電質量，當有大負載進入電網時，通常會對電力系統的電壓以及頻率造成，并聯運行可以減弱這種影響令電壓及頻率穩定。

2)可以提高供電可靠性，當某一發電機出現故障時，可以及時地將其切除，此時仍可確保重要負載的用電需求。另外，多機組并聯運行令電力系統擁有更多的備用電能，以應對可能出現的意外情況。

3)可以令供電方式更加靈活，提高經濟性?？梢砸曍撦d實際功率情況來確定并入運行機組的數量，避免出現電能的浪費以及供電不足的情況。

3　超速對柴油發電機組并聯運行的影響

雖然柴油發電機組并聯運行有許多優勢，但交互振蕩這種現象卻是時常會出現的，一般來說它會產生以下一些影響[5]：

1)柴油發電機組總負載功率在周期振蕩過程中不變，但每臺機組各自的負載，其電流、功率都在發生周期性的變化。

2)發電機的電壓、頻率無法穩定，影響供電品質。

3)受交互振蕩影響的柴油機調速器的各元件長期處于大振幅振動的狀態下運行，最終會使得調速器的穩定性下降。

4)受交互振蕩影響的柴油機還有可能發生扭矩振蕩，使得柴油機組發生異常振動，對其機械性能產生一定的負面影響。

目前隨著我國對柴油機技術的不斷深入，控制理論的不斷完善，交互振蕩的影響已經減弱了許多，即使在運行過程中出現了，現場的技術人員也可以很熟練地通過調節控制參數來消除故障，退一步講，它是不會造成全船停電的?？梢哉f，在正常工作情況下，船舶電站中柴發機組并聯運行的穩定性是足以令人滿意的。但這僅僅是在正常工作情況下，本文結合在工作中遇到的問題來分析一種特殊情況：這種情況一旦出現，只要柴發機組處于并聯運行狀態，必然就會導致全船失電。

在此之前，先介紹一下目前比較經典的4機組船舶供電網絡結構[6]：船舶電站共分為前后2個電站，前、后電站分別各有2臺柴發機組；假設前電站為1#，2#柴發機組；后電站為3#，4#柴發機組；前后電站通過跨接相連。它們可能的供電方式如表1。

表1　4機組供電方式

當船舶處于停泊等低負荷工況下時，通常會以單機供電的方式向全船供電，此時船舶整體處于休息狀態，所帶負載并不多，所以即使出現了全船失電的故障，相對來說，對整個系統的影響還是有限的。本文便不針對這種運行方式加以討論了，下面主要討論船舶在海上航行過程中利用多機并聯運行時(n≥2)如果柴油機發生一些異常情況，將會對整個系統產生什么影響。

一般來說，柴油機的故障[7]分為四大類，如表2所示。

表2　柴油機故障報警

當柴油機發生一般故障、換機故障和停機故障時，最壞的情況就是帶有故障的柴油機停機。在機組并聯運行的情況下，僅會出現故障機組解列停機的現象，而且由于負載轉移過程的存在(如果負載過大，一般系統會依據情況啟動另外一臺機組并網)，不會影響供電系統的供電品質。下面重點分析一下當柴油機發生急停故障時對供電系統的影響。不同柴油機廠家對急停故障的定義不一定相同，不過基本包括以下四個故障：冷卻水溫度極高、滑油壓力極低、遙控緊急停機和超速。通過比較可以發現雖然同為急停故障，前三個故障(冷卻水溫度極高、滑油壓力極低以及遙控緊急停機)與第四個故障(超速)情況卻有所不同；在前三個故障發生的瞬間之前柴油機的轉速是不變的，當故障發生后柴油機會立即停機，直接導致斷路器欠壓脫扣使得負載轉移的過程被跳過了，對電網來說就相當于受到了一個負載突加的沖擊，使其進入了一個短暫的動態平衡過程，不過這并不會導致全船斷電的情況發生，總體來說其影響也是可以承受的。然而對于超速報警這里需要依據其來源分成兩種情況來分析：情況一：系統干擾使得柴油機發出超速誤報警，其轉速并沒有真的變化；情況二：柴油機的實際轉速超過了規定值，真實的發出了超速報警。當情況一發生時，由于是誤報警，柴油機的實際轉速并沒有變化，因此其對供電系統的影響將和前三種故障一樣；當情況二發生時，在多機組并聯運行條件的限制下，起初故障機組的轉速將與電網其他機組的轉速保持同步，基本保持不變(實際上所有機組的轉速均會同步的略有上升，并聯機組越多，上升幅度越小，在這里可以忽略)；但由于噴油量的增加，故障機組將會一直搶奪其他機組的負載，一直到其他所有機組發出逆功率報警并分斷停機；當其他所有機組對應的斷路器斷開后，電網就由故障機組單獨供電，而此時由于失去同步的限制，故障機組的轉速便會迅速的上升，同時柴油機會發出明顯的異響，直至柴油機發出超速報警并下達緊急停機指令，最后故障機組急停，斷路器欠壓脫扣，全船失電。在船舶的航行期間，發生全船失電事件，其后果是十分嚴重，這種事件需要杜絕發生。

4　解決方案

正常來說，解決問題的思路分為兩種：一種思路是問題已經出現，通過后續的措施來消除問題的影響，通過上面故障過程的分析，可以看出最終能導致全船失電的關鍵在于故障機組必然會使正常機組在它停機之前先逆功率停機，簡單來說就是它會使供電系統由多機并聯的運行模式直接轉化至單機運行的模式，這樣一旦故障機組停機，全船必然失電。那么能不能阻止故障機組改變供電系統的網絡結構[8]？至少目前還沒有什么好的辦法。另一種思路是采取措施阻止問題的出現，也就是要阻止柴油機發生真實的超速故障，那么首先要了解柴油機在什么情況下會出現超速情況，柴油機發生超速故障無外乎機械故障和電氣故障這兩個方面，而機械故障由于其頻繁性很容易被工作人員發現，這里便不做討論；剩下的就只有電氣故障了，柴油機轉速的控制系統示意圖如圖1所示[9]。

圖1　柴油機轉速控制示意圖

當電子調速器正常工作時，控制器的輸出電流處于可控狀態，在沒有機械故障的情況下無法出現超速故障；當電子調速器異常工作(如死機)時，控制器的輸出電流將處于失控狀態(變大、變小、不變均有可能)，這就導致了其執行器的位置也將是不定的。如果控制器的輸出電流下降，執行器向減小噴油量的位置移動，故障機組將會發出逆功率報警并解列停機；如果控制器的輸出電流不變，執行器的位置保持不變，在系統負載不變的情況下，故障機組正常工作且沒有報警；當輸出電流上升時，執行器位置向增大噴油量的位置移動，只要輸出電流足夠大，故障機組將出現超速故障。

綜上分析可知:只有當電子調速器控制器處于異常工作狀態時，才有可能發生超速故障[10]?；诖?，本文的解決方案是監控電子調速器控制器的狀態。一旦檢測到控制器處于異常工作狀態，直接斷開電子調速器的電源使柴油機停機(如圖2所示)，將其失控狀態人為的轉化為可控狀態，這樣對于供電系統來說最多只是解列了一臺機組，不會發生全船失電的故障。

圖2　帶有狀態監控的柴油機轉速控制示意圖

5　結語

隨著我國船舶行業的快速發展，船舶自動化程度的逐步提高，對船舶供電系統也提出了更高的要求。本文結合實際，對能在柴發機組并聯運行時造成全船停電的超速故障做出了詳細的分析并提出了相應的解決方案，使其在理論上杜絕了全船停電的可能，進一步提高了船舶供電系統的穩定性。

[1]高水華,彭佩怡,梅映新.多電機并聯運行的應用研究[J].船電技術,2007,27(6):370-371.

[2]陳武.船舶電力系統的穩定性分析[J].電子技術與軟件工程,2014(16):180.

[3]楊新征,阮渤壽.淺談柴油發電機組自動化控制的發展現狀及發展趨勢[J].電機與控制應用,2006,33(9):39-42.

[4]呂慶軍.柴油發電機組并聯運行穩定性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學電力系統及其自動化，2012.

[5]武征.柴油發電機組并聯運行穩定性研究[J].電力訊息,2015,4(1):189-190.

[6]黃巧亮,劉國海,劉維亭.艦船交流區域配電網絡結構研究[J].艦船科學技術,2009,31(4):61-64.

[7]陳石.柴油發電機組故障診斷系統的開發[J].廣東造船,2001(3):37-40.

[8]楊秀霞,張曉峰,張敏.船舶電力系統的發展趨勢[J].中國修船,2004(3):12-13.

[9]吳富民.柴油機數字式電子調速器的設計與開發研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學動力與能源工程學院，2010.

[10]王德明,李敬福.柴油機防超速自動控制電路的設計與實現[J].中國農機化學報,2010(3):64-66.

Influence and Solution of Diesel Generator Sets Running in Parallel by Over-speed

QIN Lixin1

(Naval Military Representative Office in Shanghai Jiangnan Shipyard(Group)Co.,Ltd,Shanghai201913)

Currently,the prime mover used in ship power station is diesel commonly.Along with the increasing of tonnage and power load of the ship continuously,it becomes to be normal that diesel generator sets running in parallel provides power to the whole ship.The over-speed is a rare but fatal diesel fault,it will damage the stability of diesel generator sets running in parallel when the over-speed fault occurs.This paper gives a detailed analysis and proposes effective solutions,which ensure the stability of the power supply system.

diesel generator sets running in parallel,over-speed,stability of the power supply system

2016年3月12日,

2016年4月28日

秦立新，男，工程師，研究方向：艦船電氣。

U262.11DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.025