1、課程設計成果說明書題目：船舶岸電自動并車裝置的設計學生姓名：向 得 智學號 ：130407132學院 ：船舶與海洋工程學院班級 ：A13 船電指導教師：單 海 校浙江海洋學院教 務處2016年 06月 19 日浙江海洋學院船舶與海洋工程學院課程設計成績評定表2015 2016學年第二 學期學院 船舶與海洋工程學院班級A13 船電專業船舶電子電氣工程學課向得智生姓名程設計船舶電氣設計與檢驗（130407132）(學號)名稱題船舶岸電自動并車裝置的設計目指導教師評語指導教師簽名：I年月日答辯評語及成績答辯小組教師簽名：年月日II浙江海洋學院課程設計任務書學院船舶與海洋學院班級A13 船電 專業船舶

2、電子電氣工程課學向得智程生姓名（130407132）船舶電氣設計與檢驗名(學號 )稱設計船舶岸電自動并車裝置的設計題目完成自 2016年6月13日至2016年 6 月 20 日期共 1 周限III設隨著船舶 電站自動化程度的不斷提高和微機控制技 術計的飛速發展，先進的數字控制式的自 動并車裝置一顯示出其特有的 優越性。數字控制方案可采用 單片機、微機或工依控機作為控制核心，也可以采用數字信號 處理器或可 編程據控制器（PLC）實現自動控制。設自動并車裝置應具有以下功能：計（1）檢測待并發電機電壓與運行 發電機的電壓差、頻率要差和相位差，當任一條件不符合時，實現閉鎖 ，不允許發送求合閘指令。及（

3、2）檢測待并發電機與運行 發電機電壓的頻率差，根據主頻差的大小和方向自 動的對待并發電機組發出調頻信號，使要待并發電機組頻率與運行 發電機頻率接近，減小 頻差，創內造合閘條件。容IV參1 劉國平 .船舶電氣與通信 M. 北京：海洋出版社,2004張國橋，穆鑫探索岸電技術建設綠色港口一 連云港考港船舶靠港接用岸 電項目調査港口經濟，2011,（1）:36-38資3 黃建新，船舶電站微機保 護及自動準同步并 車系統料研究，大連海事大學 碩士學位論文，2006V目錄VIVII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。現如今，海運在全球運 輸系統中起著不可或缺

4、的重要作用，港口已 經成為區域經濟和國民 經濟社會發展的重要 戰略資源。與此同時，經濟高速發展中的中國與世界各國的航運 貿易大規模正不斷 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 術的飛速發展，大噸位船舶數量急 劇增加，由船舶造成的海洋 環境污染日趨嚴重。船舶多靠燃 燒燃油，燃氣等進行發電，回向環境中排放大量的二氧化碳以及氮氧化物等， 對環境造成 污染。在船舶靠港期 間，原動機的發動更是對港口的造成除 環境污染外的噪聲 污染。相對于船舶上輔機發電供電，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 節約等方面

5、優勢明顯，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，對于保護海洋環境、促進節能減排和港口可持 續發展具有重要深 遠的意義。關鍵詞：船舶；岸電電源；并車裝置；自動- 0 -一、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：檢測待并發電機電壓與運行發電

6、機的電壓差、頻率差和相位差，當任一條件不符合 時，實現閉鎖 ，不允許發送合閘指令。檢測待并發電機與運行 發電機電壓的頻率差，根據頻差的大小和方向自 動的對待并發電機組發出調頻信號，使待并發電機組頻率與運行發電機頻率接近，減小頻差，創造合閘條件。- 1 -二、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：（1）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

7、舶與岸 電電源之間的靜電電勢差；（2）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；（3）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；（4）船舶輔機與岸電電源進行并網同步；（5）當岸電與船電并網同步完成，岸電連接斷路器合 閘之后，船舶發電機卸掉負載，關閉發電機；（6）船舶使用岸 電電源的過程中，監控系統監視整個電路中的任何故障，例如接地故障、短路等；（7）當船舶要離港 時，打開輔機引擎，調節船舶發電機使其與岸 電電源并網同步；（8）當負載從岸電電源轉移到船舶 發電機后，切斷岸電電源。并保證岸電電源的接地系 統正常接地，以確保安全；（9）斷開岸電電源的連接電纜和控制

8、電纜，船舶準備離港。- 2 -2.1.3 同步并網分 類現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電機組本小節從船舶 電站的角度分析并網的分類，即發電機組之間或者發電機與船舶 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電機的轉速升至 發電機機組的同步轉速，然后把待并網 發電機并入系 統，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電機拉入同步。自同期并網法的 優點是合 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，

9、在系 統緊急需要 額外功率的情況下，有利于系統的快速穩定。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 閘的瞬間發電 機的定子能 夠吸收大量的無功功率，從而使整個系 統在合鬧時候電壓大幅降低。準同期并網法在 發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電機組完全符合并網條件后，把 發電機與電網同歩并 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：在待并網的發電機- 3 -組與電網并網之前，調節發電 機轉速，使其產生的

10、電壓頻 率與電網同步；調節發電 機勵磁電流，使發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 夠自動發出控制信號 調節待并網發電機。如果頻率差不滿足要求，則發出加速或者減速信號，調節發電 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 發電機的

11、勵磁 調整裝置，使發電機升壓或者降壓。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 并聯運行的條件岸電并網是船舶 發電機與岸電電源之間的同期并 聯，其并聯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。- 4 -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 發電機與岸電電源的電壓相量差為;UdUsmsin( sts ) UGm sin( GtG )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

12、差以及相角差，從而可以得到理想情況下準同期并聯操作實現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）待并網的船舶發電機的頻率與岸電電源的頻率相等；（4）待并網的船舶發電機的相角與岸 電電源的相角一致。- 5 -在實際的同步并 車操作過程中，船舶發電機的相序可以保 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可以承受的范 圍。2.1.5 并聯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

13、、發電機以及船上的用 電設備 具有重要意 義，能夠保持系 統的穩定運行。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U G 與U S 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 U d 。公式可以簡化為：U d(U SmU Gm ) sin(S tS )假設發電 機的繞組暫態電 抗 X d ，線路的電抗為 X l ，岸電電

14、源系統的等值阻- 6 -抗為 X s ，且假設 U S U G ，則其產生的沖擊電流的有效 值 I ip 為：U SUGI ipXl XsX d（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：Ud2UGM sin( GS tG S )cos( GS tGS )2222上式可以 簡化為：Ud2UGM cos( GS tGS )sin()222則此時的沖擊電流為：- 7 -I ip2U GMsin()X l X sX d2（3）假設船舶和岸 電的電壓相等，初

15、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：U d2U GM cos( GS tG ) sin( d t)22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，使船舶發電機進入同歩運行之前 進入一個抖動暫態，頻率差過大會直接造成失步。- 8 -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

16、一般小于10。2.1.6 并聯運行并網點的捕捉(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。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。直接法由于采用的專門的硬件電路，其測算速度快，實現容

17、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 項參數準確性 較高，但速度相 對較慢。現代電子技術的發展，專用的數字 處理器速度已 經很- 9 -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

18、 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 發現岸電和船電同頻率，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。-10-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 發電機和電網電壓的方波，如下圖所示。在得到待并發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

19、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，實現并網操作要提前 發出合閘命令，系統必須要能夠計算出發出合閘命令的時刻，完成對合閘點的捕捉。-11-2.2 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 電電源系統可分為三個部分：岸上供電系統，電纜連接設備和船舶受 電系統，如圖所示。岸上供電系統是將高壓變電 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

20、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。船舶受電系統是指在船上固定安裝船舶受 電系統，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，船舶受電系統根據船舶供岸 電系統的需要進行改造。圖船舶供岸 電電源原理結構圖-12-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（簡稱低壓岸電電源）和高壓船舶供岸 電電源系統（簡稱高壓岸電電源）。一般低壓船舶岸電源系統的上船電壓為 440V/690V ，高壓岸電電源系統的上船 電壓為 6.6kV/11kV 或者以上。低壓船舶岸 電電源系統適用于岸 電需求容量 較低的船舶，

21、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 電電源系統中，岸上供電系統的變頻設備 、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 到各個 碼頭，碼頭上的分變電站根據停

22、靠船舶的需要提供的電力，并把電壓降至船舶所需要等 級。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-13-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。（2）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，

23、一旦主變電站的變頻設備 出現問題 ，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（3）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 到碼頭邊，碼頭邊的變電站安裝的有逆 變器，把直流電力逆變為交流電，再次通過一個變壓器把電壓變換為 船-14-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

24、 傳輸的電能損耗更低。這種方式對設備的要求很高，現有的技術條件下難以實現。圖直流傳輸的岸電電源對上述的三種分布形式，從 現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 ;-15-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 發電機、岸電電源之間的連接和控制關系。是船舶 發電機與船舶配 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 發電機電源的