船舶電氣設計

船舶電氣設計-16-船舶岸電自動并車裝置的設計摘要：隨著科學技術的日新月異，艦船修造技術也日趨成熟?，F(xiàn)如今，海運在全球運輸系統(tǒng)中起著不可或缺的重要作用，港口已經成為區(qū)域經濟和國民經濟社會發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源。與此同時，經濟高速發(fā)展中的中國與世界各國的航運貿易大規(guī)模正不斷擴大，越來越多的遠洋船舶到訪我國各大港口。特別是隨著經濟全球化以及造船技術的飛速發(fā)展，大噸位船舶數(shù)量急劇增加，由船舶造成的海洋環(huán)境污染日趨嚴重。船舶多靠燃燒燃油，燃氣等進行發(fā)電，回向環(huán)境中排放大量的二氧化碳以及氮氧化物等，對環(huán)境造成污染。在船舶靠港期間，原動機的發(fā)動更是對港口的造成除環(huán)境污染外的噪聲污染。相對于船舶上輔機發(fā)電供電，船舶在靠港期間接用港口岸電電源進行供電，在對于燃燒燃油所帶來的污染物排放控制、噪聲減少、能源節(jié)約等方面優(yōu)勢明顯，且具有良好的社會效益和經濟效益。本文從各個方面比較了低壓岸電電源電源和高壓岸電電源的優(yōu)缺點，分析了船舶岸電自動并車裝置的主要技術，著重對靠港船舶如何更好跟方便的使用岸電進行了討論。對靠港船舶接岸電技術進一步探索，對于保護海洋環(huán)境、促進節(jié)能減排和港口可持續(xù)發(fā)展具有重要深遠的意義。關鍵詞：船舶；岸電電源；并車裝置；自動設計任務及要求1.1設計任務搜集大量文獻資料，理解船舶岸電自動并車裝置原理并根據原理確定總體設計方案。然后進一步確定船舶岸電自動并車裝置的硬件以及軟件的設計方案。1.2設計要求自動并車裝置應具有以下功能：檢測待并發(fā)電機電壓與運行發(fā)電機的電壓差、頻率差和相位差，當任一條件不符合時，實現(xiàn)閉鎖，不允許發(fā)送合閘指令。檢測待并發(fā)電機與運行發(fā)電機電壓的頻率差，根據頻差的大小和方向自動的對待并發(fā)電機組發(fā)出調頻信號，使待并發(fā)電機組頻率與運行發(fā)電機頻率接近，減小頻差，創(chuàng)造合閘條件。設計過程2.1自動同步并車原理2.1.1同步并網的過程及原理岸電電源與船舶的連接操作有兩個部分：當船舶進港時，船舶需要連接港口岸電電源；當船舶離港時，船舶需要斷開岸電電源，使用船舶自身的發(fā)電機電力。2.1.2同步并網過程船舶使用岸電的全部操作過程如下：船舶靠港之后，確保船舶和岸電電源的電纜接地線接地正常，消除船舶與岸電電源之間的靜電電勢差；連接船舶與岸電電源之間的電力傳輸電纜和信號控制電纜；確認岸電與船電之間的連接插頭被正確的連接好，并開始輸送電力；船舶輔機與岸電電源進行并網同步；當岸電與船電并網同步完成，岸電連接斷路器合閘之后，船舶發(fā)電機卸掉負載，關閉發(fā)電機；船舶使用岸電電源的過程中，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)視整個電路中的任何故障，例如接地故障、短路等；當船舶要離港時，打開輔機引擎，調節(jié)船舶發(fā)電機使其與岸電電源并網同步；當負載從岸電電源轉移到船舶發(fā)電機后，切斷岸電電源。并保證岸電電源的接地系統(tǒng)正常接地，以確保安全；斷開岸電電源的連接電纜和控制電纜，船舶準備離港。2.1.3同步并網分類現(xiàn)代的船舶基本上均采用了交流船舶電站，且由于船舶本身對電站的大功率、可靠性和連續(xù)運行的要求，一般的船舶電站均安裝兩臺或者兩臺以上的發(fā)電機組本小節(jié)從船舶電站的角度分析并網的分類，即發(fā)電機組之間或者發(fā)電機與船舶電網間同步并網。同步并網可以分成兩類：自同期并網法和準同期法。自同期并網是指將在沒有加勵磁的情況下把待并網發(fā)電機的轉速升至發(fā)電機機組的同步轉速，然后把待并網發(fā)電機并入系統(tǒng)，隨即供給勵磁電流，依靠機組之間的自整步作用將待并網發(fā)電機拉入同步。自同期并網法的優(yōu)點是合間迅速、操作簡單。自同期一般只需要幾分鐘既可以完成同步，在系統(tǒng)緊急需要額外功率的情況下，有利于系統(tǒng)的快速穩(wěn)定。由于在沒有勵磁的情況下不需要考慮準同期并網的一些條件，易于實現(xiàn)自動化。但是采用自動同期并網的方法也有較大的危害，在合閘的瞬間發(fā)電機的定子能夠吸收大量的無功功率，從而使整個系統(tǒng)在合鬧時候電壓大幅降低。準同期并網法在發(fā)電機與電網的并網中運用廣泛。準同期方式并網是當待并網發(fā)電機組完全符合并網條件后，把發(fā)電機與電網同歩并車。采用這種方式的所產生的沖擊電流下，對電網和發(fā)電機組均不會產生較大的危害，同時對用電設備也不產生大的沖擊。準同期并網的操作方法是：在待并網的發(fā)電機組與電網并網之前，調節(jié)發(fā)電機轉速，使其產生的電壓頻率與電網同步；調節(jié)發(fā)電機勵磁電流，使發(fā)電機產生的電壓與電網電壓同歩。在保證頻率差和電壓差的條件下，尋找兩者零相角差時刻把發(fā)電機組并網到電網上，此時并網瞬間產生的沖擊電流處于可控范圍內。準同期并網法的并網裝置又可以分成自動準同期裝置和手動準同期裝置。在并網過程中，自動準同期裝置監(jiān)測電壓差、頻率差信號，并捕捉相角差為的合鬧時刻，在合間時刻到來之前的合適時間發(fā)出合鬧信號。當頻率差、電壓差不滿足要求時，自動準同期裝置能夠自動發(fā)出控制信號調節(jié)待并網發(fā)電機。如果頻率差不滿足要求，則發(fā)出加速或者減速信號，調節(jié)發(fā)電機原動機的轉速。如果電壓差不滿足要求，自動并車裝置控制發(fā)電機的勵磁調整裝置，使發(fā)電機升壓或者降壓。手動同期裝置主要依靠操作人員，操作人員通過監(jiān)視電壓表、頻率表以及整步表，結合自己的操作經驗判斷零相角的合鬧時刻，并提前預先合上斷路器。2.1.4并聯(lián)運行的條件岸電并網是船舶發(fā)電機與岸電電源之間的同期并聯(lián)，其并聯(lián)的首要條件之一就是相序一致。在相序一致的條件下，準同期并列的電壓相量分析如下圖所示。圖準同期方式下電壓相圖（a）電路示意圖(b)相量圖根據上圖可以看出發(fā)電機與岸電電源的電壓相量差為;從圖及公式可知，瞬時電壓差主要取決于合閘時船電與岸電之間的瞬時電壓差、頻率差以及相角差，從而可以得到理想情況下準同期并聯(lián)操作實現(xiàn)船電與岸電電源準同步方式必須滿足以下四個條件：（1）待并網的船舶發(fā)電機的電力的相序必須與岸電電源的相序保持一致；（2）待并網的船舶發(fā)電機的電壓與岸電電源的電壓幅值相等；（3）待并網的船舶發(fā)電機的頻率與岸電電源的頻率相等；（4）待并網的船舶發(fā)電機的相角與岸電電源的相角一致。在實際的同步并車操作過程中，船舶發(fā)電機的相序可以保證與岸電電源完全一致，其余的三個條件電壓差、頻率差和相角差應小于某一個設定值，從而使合鬧沖擊電流處于系統(tǒng)可以承受的范圍。2.1.5并聯(lián)運行分析同歩并網避免了在合閘的過程中產生巨大的沖擊電流，對電網、發(fā)電機以及船上的用電設備具有重要意義，能夠保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。下面對準同步并網方式岸電電源并網條件進行分析：（1）假設船電和岸電的頻率、相位均相等的情況下，船電和岸電的電壓幅值不相等。如圖所示船舶使用岸電時的電路等效圖，此時船舶使用發(fā)電機所產生的電力，斷路器QF1導通，QF2斷開。在斷路器QF2兩端的電壓幅值不相等時，即與不相等，此時如果進行強行并車，斷路器QF2合鬧的瞬間必然后產生一個電壓差。公式可以簡化為：假設發(fā)電機的繞組暫態(tài)電抗，線路的電抗為，岸電電源系統(tǒng)的等值阻抗為，且假設>，則其產生的沖擊電流的有效值為：（2）假設船電和岸電的電壓幅值、頻率相等，相位不等。在合鬧的瞬間，船電和岸電之間存在一個相角差，此時電壓相量圖為：圖相角不相等時的電壓相圖當相角差不為0時，公式進行簡化后可以得到：上式可以簡化為：則此時的沖擊電流為：（3）假設船舶和岸電的電壓相等，初始相角一樣，頻率不相等。圖頻率不相等時的電壓相圖在此時，公式根據條件可化簡為：船電和岸電之間電勢相量存在相對運動，其大小隨著時間變化而變化，會形成脈動電壓，脈動電壓的賦值即為。當存在頻率差時，合間瞬間會造成能量的傳遞，使船舶發(fā)電機進入同歩運行之前進入一個抖動暫態(tài)，頻率差過大會直接造成失步。通過上述分析，理論上岸電電源與船舶電源同步應該使雙方的相序、電壓、相位、頻率嚴格相等。但是在實際的并車操作過程中，相序必須保持一致；岸電與船電電壓差一般要求不大于±5%±10%；頻率差一般要求不大于±0.2~±0.5；相角差一般小于±10°。2.1.6并聯(lián)運行并網點的捕捉(1)信號的采樣方法和分析:根據同期并車的條件，并車合閘之前需要判斷合間條件，自動并車裝置需要準確的獲取船電和岸電的電壓、頻率差、相位差等信號。信號的采樣精度直接影響同期并車時所產生的沖擊電流的大小，如果采樣獲取的信號誤差較大，可能會造成并車的失敗。獲取這些信號的方式一般有直接法和間接法。直接法即采用直接的測頻、測壓、測相位差的硬件電路，把所采集到的信息送往系統(tǒng)。間接法是通過一定的技術手段獲取船電和岸電的相關電壓曲線信號，通過軟件的方式從實際的電壓信號中計算出所需要的參數(shù)。直接法由于采用的專門的硬件電路，其測算速度快，實現(xiàn)容易，但是為了保證其準確性，必須額外采用抗干擾電路。間接法采用軟件的方式，對于所獲取的電壓信號中的干擾信號或者高頻信號可以直接采用軟件方式進行改善，只要能夠保證采樣過程中的準確性，間接法測算出的各項參數(shù)準確性較高，但速度相對較慢。現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，專用的數(shù)字處理器速度已經很高，所以采用間接測量的方式已經能夠保證其測算速度。間接法通過采樣電路獲取船電和岸電的電壓信號送往中處理，根據其獲取電壓信號的方式不同，可以分為直流測量法和交流測量法。(2)相位角計算和恒定超前時間的獲取并網操作的過程中，在相序、電壓差和頻率差均滿足并車的條件下，岸電和船電的相角相等時刻就是并車合閘的時刻。船舶電源與岸電電源的并車過程中，岸電電源和船舶電源的頻率差很難為。在實際的工程運用中，如果發(fā)現(xiàn)岸電和船電同頻率，首先就需要打破同頻，在同頻的條件下，船電和岸電不會出現(xiàn)相角相等時刻。恒定超前時間的獲取釆用測量時間差的方法來獲得恒定超前時間，這種方法就是把待并發(fā)電機和電網的正弦波電壓變換成方波，然后測量電網和待并發(fā)電機電壓方波上升沿的時間差，以此來獲得恒定超前時間的。圖電壓方波轉化電路圖通過上圖的電壓方波轉化電路，我們可以得到待并發(fā)電機和電網電壓的方波，如下圖所示。在得到待并發(fā)電機和電網電壓的方波后，通過控制器對其進行邊沿檢測，測得兩個方波對應的上升沿時間差，就可以得到恒定超前時間。圖發(fā)電機和電網電壓變換后的方波信號(3)并網點的捕捉通過前文的分析，實現(xiàn)并網操作要提前發(fā)出合閘命令，系統(tǒng)必須要能夠計算出發(fā)出合閘命令的時刻，完成對合閘點的捕捉。2.2供船舶用岸電結構及技術2.2.1供船舶用岸電電源結構和分布1、供船舶用岸電電源結構船舶供岸電電源系統(tǒng)可分為三個部分：岸上供電系統(tǒng)，電纜連接設備和船舶受電系統(tǒng)，如圖所示。岸上供電系統(tǒng)是將高壓變電站交流電變頻、變壓后，供應到靠近船舶的連接點。電纜連接設備是指連接岸上供電箱與船舶受電裝置間的電纜和設備。電纜連接設備應該具有使用方便、快速連接以及快速存儲電纜等特點。電纜連接設備可以安裝在船舶上、碼頭上或者駁船上。船舶受電系統(tǒng)是指在船上固定安裝船舶受電系統(tǒng)，其主要包括電纜盤、船上變壓設備以及船舶電氣管理裝置等。根據船舶情況的不同，船舶受電系統(tǒng)根據船舶供岸電系統(tǒng)的需要進行改造。圖船舶供岸電電源原理結構圖船舶供岸電根據上船的電壓的不同可以分成低壓船舶岸電電源系統(tǒng)（簡稱低壓岸電電源）和高壓船舶供岸電電源系統(tǒng)（簡稱高壓岸電電源）。一般低壓船舶岸電源系統(tǒng)的上船電壓為440V/690V，高壓岸電電源系統(tǒng)的上船電壓為6.6kV/11kV或者以上。低壓船舶岸電電源系統(tǒng)適用于岸電需求容量較低的船舶，其在碼頭附近通過變壓器把電壓降至440V，然后通過電纜直接輸送至船舶使用；高壓船舶供岸電電源適用于船舶實際岸電需求容量較大的船舶上。2、供船舶用岸電電源分布圖中所示的是岸電電源的基本構成，在實際的船舶供岸電電源系統(tǒng)中，岸上供電系統(tǒng)的變頻設備、變壓設備的組合構成方式是有所不同的。下面是其三種典型的分布形式。（1）分布式配置方式，如圖所示。在這種方式中，主變電站只有一個變壓設備，每個碼頭上均設置一個分變電站。碼頭的分變電站中有變壓設備和變頻設備。電網電力先經過主變電站，主變電站一般把電力變換為或者其他的高壓等級的電壓，通過電纜傳輸?shù)礁鱾€碼頭，碼頭上的分變電站根據?？看暗男枰峁┑碾娏Γ央妷航抵链八枰燃?。這種分布式岸電電源的好處是有非常高的容錯能力，任何一個碼頭分變電站出現(xiàn)問題均不會影響其他碼頭岸電電源的正常使用。其缺點是占用了碼頭較大的空間，每一個碼頭分變電站都有個變壓設備和一套變頻設備，在空間不足的碼頭難以采用這種方式，且此種方式的成本相對較高。集中式配置方式，如圖所示。在這種方式中，只有主變電站擁有變頻設備，碼頭的分變電站只安裝變壓裝置。電網電力通過主變電站后能夠提供電力，每個碼頭根據停靠船舶的需要選擇相應頻率的電力。這種方式把頻率的變換集中在主變電站，相對于分布式，容錯能力較差，一旦主變電站的變頻設備出現(xiàn)問題，整個岸電電源均受到影響。但是這種方式對碼頭的空間需求較低，同時大大減少了對變頻設備的需求，其成本更加低廉。圖集中式岸電電源直流傳輸方式，如圖所示。在這種分布方式中，變頻設備被分成兩個部分，主變電站首先把電網電壓降低，并經過整流設備把電力變換為直流，通過電纜傳輸?shù)酱a頭邊，碼頭邊的變電站安裝的有逆變器，把直流電力逆變?yōu)榻涣麟?，再次通過一個變壓器把電壓變換為船舶所需的電壓等級。每個碼頭均需要安裝一個變壓器和逆變器，且在主變電站和碼頭變電站之間的電力是通過直流傳輸，對碼頭的空間要求也比較高，但相對于第一種方式需求要小，且傳輸?shù)碾娔軗p耗更低。這種方式對設備的要求很高，現(xiàn)有的技術條件下難以實現(xiàn)。圖直流傳輸?shù)陌峨婋娫磳ι鲜龅娜N分布形式，從現(xiàn)階段技術以及實際操作的可行性上岸電電源的分布形式應首先選用第二種方案。這種方式減少了對頻率變換器的需求，降低了實施的成本，并且在可靠性和實施性上也有一定的保證。第二種結構形式也己經在國外的一些港口進行實際應用。2.3自動準同步并車裝置硬件設計舶供岸電自動并車裝置的整體結構示意圖如下圖所示;圖船舶供岸電自動并車裝置結構示意圖圖中簡要描述了自動并車裝置與船舶發(fā)電機、岸電電源之間的連接和控制關系。是船舶發(fā)電機與船舶配電板之間的斷路器，是岸電電源與船舶配電板之間的斷路器。當斷路器合間且斷開時，船舶電力由船舶發(fā)電機提供，當合閘斷開時，船舶電力由岸電電源提供。從前文的分析并結合圖，可以得到船舶供岸電的自動并車裝置工作過程為：當船舶連接到岸電電源時，自動并車裝置首先檢測岸電與船電的相序是否保持一致，如果不一致立即發(fā)出報警。在岸電與船電相序一致的情況下，自動并車裝置采集岸電電源和船舶發(fā)電機電源的電壓、頻率相角差信息，經過計算進行判斷。如果當前合間條件不滿足，則向船舶發(fā)電機發(fā)送調節(jié)信號，如果滿足并車合閑條件，則發(fā)出合閘命令。發(fā)送合鬧命令分為兩種情況：一是當船舶進港連接岸電時，此時是處于合閘狀態(tài)，當達到并車同步條件時，自動并車裝置向發(fā)送合閘命令，完成并車同步。在并車完成且負載轉移完畢之后，向斷路器發(fā)送斷開信號，船舶使用岸電電源；另外一種情況是船舶離港斷開岸電，此時斷路器處于合閘狀態(tài)，處于斷開狀態(tài)。當達到并車同步條件時，自動并車裝置向發(fā)送合閘命令，完成并車同步。在并車完成且負載轉移完畢之后，向斷路器發(fā)送斷幵信號，船舶電力使用船舶發(fā)電機。從上述對船舶供岸電的過程可以得到自動并車裝置所應該具有的功能：自動并車裝置必須能夠實時的獲得船電和岸電的相序、電壓、頻率、相角差等信息，具有調節(jié)船舶發(fā)電機的轉速、發(fā)電電壓以及啟動和停止的功能，自動并車