超速对柴油发电机组并联运行的影响及解决措施*

秦立新

(海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室　上海　201913)



超速对柴油发电机组并联运行的影响及解决措施*

秦立新

(海军驻上海江南造船(集团)有限责任公司军事代表室上海201913)

现在船舶电站中，所用的发电原动机最为常见的是柴油机。伴随着船舶的吨位越来越大以及船舶大功率负载不断地增多，柴油发电机组并联运行向全船供电已经成为常态。超速是一种很少出现却很致命的柴油机故障，当出现超速故障时将会破坏柴发机组并联运行的稳定性。论文对此进行了详细的分析并提出了有效的解决方案，保证了供电系统的稳定性。

柴油发电机并联运行;超速;供电系统稳定性

Class NumberU262.11

1　引言

在船舶电力系统中，各种负载所消耗的功率各不相同，并且负载的变化非常频繁，这对船舶电站稳定供电的能力提出了较高的要求。柴油发电机组并联运行[1]就是一种稳定的供电方式，不过当系统中有一台柴油机发生超速故障时将会破坏其稳定性，本文针对此展开了详细的分析。

2　柴油发电机组并联运行的意义

除去供电稳定性的考虑，出于船舶电站所提供电能的利用率以及经济性，一般也会采用多台柴油发电机组[3]并联运行的方式。这样一来，可以根据负载消耗总功率的实际情况，来调整并入运行机组的数量。另外，当在运行过程中若有机组发生故障时，可以及时地将备用机组并入向电网供电。由此可以看出，多机组并联有着诸多的优点[4]：

1)可以提高供电质量，当有大负载进入电网时，通常会对电力系统的电压以及频率造成，并联运行可以减弱这种影响令电压及频率稳定。

2)可以提高供电可靠性，当某一发电机出现故障时，可以及时地将其切除，此时仍可确保重要负载的用电需求。另外，多机组并联运行令电力系统拥有更多的备用电能，以应对可能出现的意外情况。

3)可以令供电方式更加灵活，提高经济性。可以视负载实际功率情况来确定并入运行机组的数量，避免出现电能的浪费以及供电不足的情况。

3　超速对柴油发电机组并联运行的影响

虽然柴油发电机组并联运行有许多优势，但交互振荡这种现象却是时常会出现的，一般来说它会产生以下一些影响[5]：

1)柴油发电机组总负载功率在周期振荡过程中不变，但每台机组各自的负载，其电流、功率都在发生周期性的变化。

2)发电机的电压、频率无法稳定，影响供电品质。

3)受交互振荡影响的柴油机调速器的各元件长期处于大振幅振动的状态下运行，最终会使得调速器的稳定性下降。

4)受交互振荡影响的柴油机还有可能发生扭矩振荡，使得柴油机组发生异常振动，对其机械性能产生一定的负面影响。

目前随着我国对柴油机技术的不断深入，控制理论的不断完善，交互振荡的影响已经减弱了许多，即使在运行过程中出现了，现场的技术人员也可以很熟练地通过调节控制参数来消除故障，退一步讲，它是不会造成全船停电的。可以说，在正常工作情况下，船舶电站中柴发机组并联运行的稳定性是足以令人满意的。但这仅仅是在正常工作情况下，本文结合在工作中遇到的问题来分析一种特殊情况：这种情况一旦出现，只要柴发机组处于并联运行状态，必然就会导致全船失电。

在此之前，先介绍一下目前比较经典的4机组船舶供电网络结构[6]：船舶电站共分为前后2个电站，前、后电站分别各有2台柴发机组；假设前电站为1#，2#柴发机组；后电站为3#，4#柴发机组；前后电站通过跨接相连。它们可能的供电方式如表1。

表1　4机组供电方式

当船舶处于停泊等低负荷工况下时，通常会以单机供电的方式向全船供电，此时船舶整体处于休息状态，所带负载并不多，所以即使出现了全船失电的故障，相对来说，对整个系统的影响还是有限的。本文便不针对这种运行方式加以讨论了，下面主要讨论船舶在海上航行过程中利用多机并联运行时(n≥2)如果柴油机发生一些异常情况，将会对整个系统产生什么影响。

一般来说，柴油机的故障[7]分为四大类，如表2所示。

表2　柴油机故障报警

当柴油机发生一般故障、换机故障和停机故障时，最坏的情况就是带有故障的柴油机停机。在机组并联运行的情况下，仅会出现故障机组解列停机的现象，而且由于负载转移过程的存在(如果负载过大，一般系统会依据情况启动另外一台机组并网)，不会影响供电系统的供电品质。下面重点分析一下当柴油机发生急停故障时对供电系统的影响。不同柴油机厂家对急停故障的定义不一定相同，不过基本包括以下四个故障：冷却水温度极高、滑油压力极低、遥控紧急停机和超速。通过比较可以发现虽然同为急停故障，前三个故障(冷却水温度极高、滑油压力极低以及遥控紧急停机)与第四个故障(超速)情况却有所不同；在前三个故障发生的瞬间之前柴油机的转速是不变的，当故障发生后柴油机会立即停机，直接导致断路器欠压脱扣使得负载转移的过程被跳过了，对电网来说就相当于受到了一个负载突加的冲击，使其进入了一个短暂的动态平衡过程，不过这并不会导致全船断电的情况发生，总体来说其影响也是可以承受的。然而对于超速报警这里需要依据其来源分成两种情况来分析：情况一：系统干扰使得柴油机发出超速误报警，其转速并没有真的变化；情况二：柴油机的实际转速超过了规定值，真实的发出了超速报警。当情况一发生时，由于是误报警，柴油机的实际转速并没有变化，因此其对供电系统的影响将和前三种故障一样；当情况二发生时，在多机组并联运行条件的限制下，起初故障机组的转速将与电网其他机组的转速保持同步，基本保持不变(实际上所有机组的转速均会同步的略有上升，并联机组越多，上升幅度越小，在这里可以忽略)；但由于喷油量的增加，故障机组将会一直抢夺其他机组的负载，一直到其他所有机组发出逆功率报警并分断停机；当其他所有机组对应的断路器断开后，电网就由故障机组单独供电，而此时由于失去同步的限制，故障机组的转速便会迅速的上升，同时柴油机会发出明显的异响，直至柴油机发出超速报警并下达紧急停机指令，最后故障机组急停，断路器欠压脱扣，全船失电。在船舶的航行期间，发生全船失电事件，其后果是十分严重，这种事件需要杜绝发生。

4　解决方案

正常来说，解决问题的思路分为两种：一种思路是问题已经出现，通过后续的措施来消除问题的影响，通过上面故障过程的分析，可以看出最终能导致全船失电的关键在于故障机组必然会使正常机组在它停机之前先逆功率停机，简单来说就是它会使供电系统由多机并联的运行模式直接转化至单机运行的模式，这样一旦故障机组停机，全船必然失电。那么能不能阻止故障机组改变供电系统的网络结构[8]？至少目前还没有什么好的办法。另一种思路是采取措施阻止问题的出现，也就是要阻止柴油机发生真实的超速故障，那么首先要了解柴油机在什么情况下会出现超速情况，柴油机发生超速故障无外乎机械故障和电气故障这两个方面，而机械故障由于其频繁性很容易被工作人员发现，这里便不做讨论；剩下的就只有电气故障了，柴油机转速的控制系统示意图如图1所示[9]。

图1　柴油机转速控制示意图

当电子调速器正常工作时，控制器的输出电流处于可控状态，在没有机械故障的情况下无法出现超速故障；当电子调速器异常工作(如死机)时，控制器的输出电流将处于失控状态(变大、变小、不变均有可能)，这就导致了其执行器的位置也将是不定的。如果控制器的输出电流下降，执行器向减小喷油量的位置移动，故障机组将会发出逆功率报警并解列停机；如果控制器的输出电流不变，执行器的位置保持不变，在系统负载不变的情况下，故障机组正常工作且没有报警；当输出电流上升时，执行器位置向增大喷油量的位置移动，只要输出电流足够大，故障机组将出现超速故障。

综上分析可知:只有当电子调速器控制器处于异常工作状态时，才有可能发生超速故障[10]。基于此，本文的解决方案是监控电子调速器控制器的状态。一旦检测到控制器处于异常工作状态，直接断开电子调速器的电源使柴油机停机(如图2所示)，将其失控状态人为的转化为可控状态，这样对于供电系统来说最多只是解列了一台机组，不会发生全船失电的故障。

图2　带有状态监控的柴油机转速控制示意图

5　结语

随着我国船舶行业的快速发展，船舶自动化程度的逐步提高，对船舶供电系统也提出了更高的要求。本文结合实际，对能在柴发机组并联运行时造成全船停电的超速故障做出了详细的分析并提出了相应的解决方案，使其在理论上杜绝了全船停电的可能，进一步提高了船舶供电系统的稳定性。

[1]高水华,彭佩怡,梅映新.多电机并联运行的应用研究[J].船电技术,2007,27(6):370-371.

[2]陈武.船舶电力系统的稳定性分析[J].电子技术与软件工程,2014(16):180.

[3]杨新征,阮渤寿.浅谈柴油发电机组自动化控制的发展现状及发展趋势[J].电机与控制应用,2006,33(9):39-42.

[4]吕庆军.柴油发电机组并联运行稳定性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学电力系统及其自动化，2012.

[5]武征.柴油发电机组并联运行稳定性研究[J].电力讯息,2015,4(1):189-190.

[6]黄巧亮,刘国海,刘维亭.舰船交流区域配电网络结构研究[J].舰船科学技术,2009,31(4):61-64.

[7]陈石.柴油发电机组故障诊断系统的开发[J].广东造船,2001(3):37-40.

[8]杨秀霞,张晓峰,张敏.船舶电力系统的发展趋势[J].中国修船,2004(3):12-13.

[9]吴富民.柴油机数字式电子调速器的设计与开发研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，2010.

[10]王德明,李敬福.柴油机防超速自动控制电路的设计与实现[J].中国农机化学报,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，工程师，研究方向：舰船电气。

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