CN105515007A - 电力系统电压频率调节控制器 - Google Patents

Abstract

电力系统电压频率调节控制器，包括：主机功率采集单元、频率检测单元、电压检测单元；频率调整单元，用于将主机功率信号转换为电网频率调整的给定信号，并计算频率差值，控制调速执行机构的工作，并将频率差值发送给电压调整单元；调速执行机构，用于调整电网频率并使电网频率稳定；电压调整单元，用于将主机功率信号转换为电网电压调整的给定电压值信号，并计算电压差值，控制调压励磁单元的工作；调压励磁单元，用于调整电压并维持稳定。该调节控制器能够在船舶正常航行时，适当地降低船舶电网的频率和电压，既可保证全船负载正常工作，亦可最大范围地实现全船节能，极大地减小了全船的能耗。

Description

电力系统电压频率调节控制器

技术领域

本发明涉及电力节能技术领域，具体地，涉及一种电力系统电压频率调节控制器。

背景技术

随着节能减排技术政策的提出和实时，在船舶技术领域，节能技术已被广泛关注。

但是目前国内外船舶节能技术主要围绕在船舶船型节能、优化动力装置等方面进行突破。然而，作为船舶至关重要的组成部分，船舶电力系统在运行过程中如何实现节能，却是鲜少人问津的课题。目前世界各国在船舶电力系统节能方面的研究主要从废气涡轮发电机、轴带发电机和针对个别负载变频调速等几个有限的方面展开，节能效果并非十分明显。

事实上，船舶上为主机服务的连续工作的泵类、通风机等占全船用电设备相当大的比重，它们的内部和外部都存在着相当大的能源浪费，减少这些能耗就有可能极大地降低船舶的用电能耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用变频节能技术的电力系统电压频率调节控制器，该电力系统电压频率调节控制器能够在船舶正常航行时，适当地降低船舶电网的频率和电压，既可保证全船负载正常工作，亦可最大范围地实现全船节能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

电力系统电压频率调节控制器，包括主机功率采集单元、频率检测单元、电压检测单元、频率调整单元、电压调整单元和调压励磁单元，其中：

主机功率采集单元，用于采集主机功率信号，并输出给频率调整单元和电压调整单元；

频率检测单元，用于检测电网实际频率；

电压检测单元，用于检测电网实际电压；

频率调整单元，用于将主机功率采集单元输出的主机功率信号转换为电网频率调整的给定信号，并计算该给定信号对应频率与频率检测单元检测到的电网实际频率的频率差值，控制调速执行机构的工作，并将频率差值发送给电压调整单元；

调速执行机构，用于在频率调整单元的控制下调整电网频率并使电网频率稳定至给定信号对应的频率；

电压调整单元，用于将主机功率采集单元输出的主机功率信号转换为电网电压调整的给定电压值信号，并计算该给定电压值信号与电压检测单元检测到的电网实际电压的电压差值，控制调压励磁单元的工作；

调压励磁单元，在电压调整单元的控制下改变同歩发电机的励磁电流，控制发电机端电压，直至实际电压值与给定电压值相等并使电网电压维持稳定。

作为本发明的进一步改进，所述主机功率采集单元包括两个脉冲编码盘、两个光电检测装置和微处理器，所述两个脉冲编码盘分别安装在主机旋转轴两端，两个光电检测装置也分别安装在主机旋转轴两端，且两个脉冲编码盘、两个光电检测装置均与微处理器相连。

进一步，所述微处理器采用Atmel89S52单片机。

进一步，所述频率调整单元和电压调整单元采用西门子S7-200系列PLC。

综上，本发明的有益效果是：本发明是针对船舶整个电力系统设计的电压、频率调节控制器，其主要用于减少为主机服务的连续工作的泵类、通风机等设备的能耗。该电力系统电压频率调节控制器通过协同控制船舶电网的频率和电压，使之处于浮动状态，针对全船电力负载进行变频调速节能。在船舶正常航行时，适当地降低船舶电网的频率和电压，既可保证全船负载正常工作，亦可最大范围地实现全船节能。其可以实时地根据主机功率的大小，控制电网频率、电压的高低，使得船舶电网的频压呈浮动状态，其节能效果优于针对个别负载的变频控制，极大地降低船舶的用电能耗。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，电力系统电压频率调节控制器，包括主机功率采集单元、频率检测单元、电压检测单元、频率调整单元、电压调整单元和调压励磁单元，其中：

主机功率采集单元，用于采集主机功率信号，并输出给频率调整单元和电压调整单元；

频率检测单元，用于检测电网实际频率；

电压检测单元，用于检测电网实际电压；

频率调整单元，用于将主机功率采集单元输出的主机功率信号转换为电网频率调整的给定信号，并计算该给定信号对应频率与频率检测单元检测到的电网实际频率的频率差值，控制调速执行机构的工作，并将频率差值发送给电压调整单元；

调速执行机构，用于在频率调整单元的控制下调整电网频率并使电网频率稳定至给定信号对应的频率；

电压调整单元，用于将主机功率采集单元输出的主机功率信号转换为电网电压调整的给定电压值信号，并计算该给定电压值信号与电压检测单元检测到的电网实际电压的电压差值，控制调压励磁单元的工作；

调压励磁单元，在电压调整单元的控制下改变同歩发电机的励磁电流，控制发电机端电压，直至实际电压值与给定电压值相等并使电网电压维持稳定。

上述频率调整单元和电压调整单元采用西门子S7-200系列PLC。

其电压调整和频率调整的具体工作方式包括三个环节：

（一）主机功率采集环节，执行机构：主机功率采集单元

主机功率采集环节为电力系统电压频率调节控制器的控制信号输入单元，主要负责采集船舶主机功率，并转换成一个0~5V直流电压信号，输出给频率调整单元和电压调整单元。

（二）频率调整环节，执行机构：频率调整单元、频率检测单元、调速执行机构

频率调整环节的作用是在接收主机功率采集环节输出的直流电压信号后，按照主机功率与降频降压的对应关系，在一定范围内控制船舶电网的频率降低，并使频率维持在给定值处。

频率调整单元可采用西门子S7-200系列PLC作为其核心控制器，将主机功率信号采集环节的输出信号转换为船舶电网频率调整的给定信号，并通过频率检测单元实时地检测电网频率并与给定频率进行偏差计算，控制船舶电站调速执行机构的工作，使得船舶电网的频率下降（或上升）并稳定至给定信号所对应的频率。

除此之外，频率调整环节还可承担其他与频率相关的控制功能，包括发电机组的自动启停功能、发电机并联运行后的调频调载功能等。

（三）电压调整环节，执行机构：电压调整单元、电压检测单元、调压励磁单元

与频率调整环节相似，电压调整环节将主机功率信号采集环节输出的直流信号进行实时检测，按照对应关系转换为电压调整的给定电压值信号，并通过电压检测单元实时地检测电网实际电压，电压调整单元计算该实际电压与电压给定信号的偏差，控制调压励磁单元，使调压励磁单元改变同歩发电机的励磁电流，从而控制发电机端电压，直至实际电压值与给定电压值相等。

电压调整环节在接收主机功率采集环节的输出信号后，还根据电压、频率的线性对应关系，与降频信号按照比例在一定范围内将船舶电网的电压降低（或升高）并维持在稳定值。

由于本发明的核心控制环节是频率调整环节和电压调整环节，两个环节需要共同地控制船舶电网的频率、电压信号协同下降（或上升），在浮动频压节能控制器的整体设计阶段需要将两个部分的控制程序整合，因此这两个环节的核心控制器优选共同采用西门子S7-200系列PLC。

同样地，电压调整环节除了负责将船舶电网电压按照与频率成比例的关系协同调整之外，该环节还需完成常规电站的无功负荷分配等功能。

本实施例中，电力系统电压频率调节控制器通过协同控制船舶电网的频率和电压，使之处于浮动状态，针对全船电力负载进行变频调速节能。在船舶正常航行时，适当地降低船舶电网的频率和电压，既可保证全船负载正常工作，亦可最大范围地实现全船节能。由于主机的负荷在航行的过程中不是固定不变的，因此，为了满足主机的功率要求和实现最佳节能，需要实时地根据主机功率的大小，控制电网频率、电压的高低，使得船舶电网的频压呈浮动状态，其节能效果优于针对个别负载的变频控制。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，对主机功率采集单元的结构做进一步改进，该主机功率采集单元包括两个脉冲编码盘、两个光电检测装置和微处理器，所述两个脉冲编码盘分别安装在主机旋转轴两端，两个光电检测装置也分别安装在主机旋转轴两端，且两个脉冲编码盘、两个光电检测装置均与微处理器相连。

所述微处理器采用Atmel89S52单片机，通过在主机旋转轴轴首尾两端安装的两个脉冲编码盘和相应的光电检测装置，测得主机旋转轴轴的扭矩Me(N*m)；同时检测主机轴的转速n(r/min)，主机功率Pe(kW)可根据以下公式计算出：

微处理器将根据电压频率调节控制器的控制需求与船舶电力负载的运行需要，确定主机功率信号与电网频率、电压下降（或上升）信号的对应关系，将计算出的主机功率转换成0~5V的直流模拟量信号，作为输出信号输出给频率调整单元和电压调整单元。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.电力系统电压频率调节控制器，其特征在于，包括主机功率采集单元、频率检测单元、电压检测单元、频率调整单元、电压调整单元和调压励磁单元，其中：

主机功率采集单元，用于采集主机功率信号，并输出给频率调整单元和电压调整单元；

频率检测单元，用于检测电网实际频率；

电压检测单元，用于检测电网实际电压；

频率调整单元，用于将主机功率采集单元输出的主机功率信号转换为电网频率调整的给定信号，并计算该给定信号对应频率与频率检测单元检测到的电网实际频率的频率差值，控制调速执行机构的工作，并将频率差值发送给电压调整单元；

调速执行机构，用于在频率调整单元的控制下调整电网频率并使电网频率稳定至给定信号对应的频率；

电压调整单元，用于将主机功率采集单元输出的主机功率信号转换为电网电压调整的给定电压值信号，并计算该给定电压值信号与电压检测单元检测到的电网实际电压的电压差值，控制调压励磁单元的工作；

调压励磁单元，用于在电压调整单元的控制下改变同歩发电机的励磁电流，控制发电机端电压，直至实际电压值与给定电压值相等并使电网电压维持稳定。

2.根据权利要求1所述的电力系统电压频率调节控制器，其特征在于，所述主机功率采集单元包括两个脉冲编码盘、两个光电检测装置和微处理器，所述两个脉冲编码盘分别安装在主机旋转轴两端，两个光电检测装置也分别安装在主机旋转轴两端，且两个脉冲编码盘、两个光电检测装置均与微处理器相连。

3.根据权利要求2所述的电力系统电压频率调节控制器，其特征在于，所述微处理器采用Atmel89S52单片机。

4.根据权利要求1至3任一所述的电力系统电压频率调节控制器，其特征在于，所述频率调整单元和电压调整单元采用西门子S7-200系列PLC。