船舶電力系統斷電預防控制的研究

宗洪亮，侯四維，董龍龍，楊金節

（江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003）

隨著船舶電力推進逐漸顯示出其優越性，成為未來船舶動力裝置的發展方向。與此同時船舶用電設備增多，功率的增加，船舶電網的管理變得異常復雜。相對于陸地上的電網來說，船舶電站容量較小，電網輸電線短，電氣設備工作環境惡劣。對于因短路/接地故障、過載等引起的整個船舶電力系統斷電的情況。由于一些船舶需要在復雜、多變的海洋環境中工作，船舶電力系統比陸地電力系統較容易出現一些故障。而常見的船舶電力系統的短路/接地故障、過載、發電機組跳閘等故障模式可能會導致一個整個的船舶電力系統的停電。不良的電氣系統故障導致經濟收入損失,嚴重則會破壞海洋環境事件的風險，損害行業公眾輿論。這使得對船舶電力系統保護和控制方案至關重要的。本文提出了一種基于觀測器的快速減負荷系統的技術來提高對船舶電力系統斷電的預防控制[3]。

1 斷電風險

1.1 過載

當發電容量低于電力需求時就會發生過載，以下幾種情況系統會發生過載：

1)故障發電機上的斷路器是斷開的：由于短路或接地故障，系統負載被分配到其余在線發電機上；

2)發電機組長期過載：當發動機載荷超過它的額定功率Pgi＞Pr,gi≤amax,giPr,gi時， 發電機就會過熱， 發電機產生過量電流，就會增加短路的風險，同樣會增加以后短路和接地故障的傾向。如果原動機的負載超過建議標準，不久很可能會增加機械故障率；

3)原動機故障：盡管在合理時限（預警報警）內可以預測到原動機熄火，仍可能會發生一些意外的故障。式中：Pgi——電機負載；

Pr,gi——發電機的額定功率

amax,gi——發電機最大允許負荷系數

Pmax,gi——最大發電機額定功率

Pt,g——最大瞬時載荷

1.2 發電機組故障

造成發電機組熄火（關閉）且較難預測的常見故障類型有：

1）燃油系統故障：燃油管道堵塞，燃油泵故障，超速，冷卻介質高溫；

2）控制系統故障：潤滑油低壓錯誤顯示，油霧探測器故障，曲柄箱超壓，或者I/O信號的缺失；

3）操作者、人為過失：通常發生在設置、發電機組整步、負載均衡，這些情況都有可能使發動機由于逆功率保護而被誤動。

1.3 斷電的動態過程

發電機跳脫的情況中，反應時間是主要的問題。由于斷電時的快速性，控制系統必須在有限的時間內做出反應，否則會導致斷電的事件發生后會很快的傳播。

當只有少數幾個機組在線，一個機組跳脫，Nf=1，會導致其余每個在線機組K-1上很大的載荷步，這里每個發電機上的瞬態載荷通常在Pt,g(k,Nf=1)=1.4Pr,gi至1.8Pr,gi的范圍內，因為發動機上的負載不能超過Pmax,gi(k,Nf=1)=1.15Pr,gi至1.4Pr,gi這個范圍，所以要在頻率下降到頻率底限之前進行減負荷。

當頻率降到小于頻率底限時，發電機保護系統會斷開斷路器，由于并行的發電機間存在較高的同步轉矩，通常這種情況會同時發生在并行的發電機上。當發動機上的負載大于發電機給出的所允許最高負載時，油門齒條達到極限，發動機扭矩不能再增加。因此，PMS（Power Management System）通常會啟動減負荷系統。因而，減負荷的可用時間主要取決于發電機組慣性、在線發電機組。

2 快速減負荷系統

2.1 所需減負載量

關于所要減少的負載量，可以用3種主要的方法。

1)減小超出的負載。故障發生后，發動機立即分擔部分網絡負載，但由于發動機允許負載受到限制，超出的負載必須由減負荷系統削去；

2)減小全瞬態加載載荷。發動機不分擔任何超出初始故障前負載的額外負載，這時故障后發動機加載同等于故障前加載，故障清除后，發動機可以緩慢加載到允許最大負載；

3)結合方法一和方法二提出一種新的方法。應用方法一和方法二的結合，可以取得最佳方法，最大化減負載所需的時限，本方法可根據發動機的實時加載來選擇。

2.2 快速減負荷的控制方法

以下是已經應用于海洋船舶的不同類型的快速減負荷算法：

1）基于有效功率式卸載：根據有效功率進行卸載，網絡會分階段斷開不重要的耗載件；

2）基于頻率式卸載：當頻率低于臨界值時發揮作用。這種控制通常用在路基型裝置的頻率控制上；

3）基于事件式快速減負荷EB-FLR：當保護繼電器斷開在線發電機組的斷路器時，基于事件的快速減負荷系統從交換機傳感器接收到信號；

4）基于頻敏相控追溯系統：快速減負荷系統以頻率下降為基礎，而系統保護措施導致頻率下降，由于系統保護措施將會將故障區直接隔斷。

文中將提出一個新的方法，基于觀察器的快速減負荷系統。基于觀察器的快速減負荷系統對于反應時間，比現存快速減負荷控制器執行的更快[1-2]。如圖1所示。

圖1 應用基于觀察器的快速減負荷系統Fig.1 Observer-based fast load reduction System

2.3 頻率檢測的方法

全波傅氏測頻算法，其基本思想是假設被采樣模擬信號是一個時間函數，然后根據傅氏級數原理，可求出各次諧波的幅值與初相角，再利用前后兩次求出的初相角，即可求出在一個測量周期內頻率的改變量，進而求得系統頻率。首先假設系統電壓信號僅含基頻分量，系統的額定基頻為f0，采樣頻率為Nf0，系統的實際頻率為f，f=f0+△f，則電壓信號可表示為：

以上(2)～(4)式，即為頻率測量基本公式。所以只要能夠精確算出時間間隔T0內相角的改變量△φ，就可以得到系統頻率的精確值。

將式(1)離散化，得

當△f=f-f0=0 時，uR=umsinα0，u1=umcosα0即電壓向量的初始相角與其傅氏濾波相角的相角大小相等。分別求出電壓向量相鄰兩周波的初始相角，它們的差即為一周波內電壓向量變化的角度△φ，再應用公式(4)，即可求出系統頻率。

3 實例仿真

在全電力推進的船舶中，推進器由變頻驅動而且在船舶用電設備中功率偏大，所以本文以某1 500米作業水深鉆井船為模型，試驗結果如圖2～圖4所示。其中功率缺額分別為0.1，0.2，0.4時參考輸入。系統初始運行階段，當遇到突發的功率缺額事故時，為了防止電力系統頻率在事故狀態下大幅度下降、并保證系統安全運行，通過控制器降低船舶大功率用電設備功率直至系統頻率恢復到安全范圍內[4]。

3.1 仿真結果

由圖2～圖4可以看出：功率缺額較小時，能有效的切削負荷 使之恢復到標準頻率左右，而功率缺額較大時，也能是頻率恢復到安全運行的范圍[5-6]。

4 結論

圖2 功率缺額為0.1時，頻率恢復曲線Fig.2 Power shortfall of 0.1,the frequency recovery curve

圖3 功率缺額為0.2時，頻率恢復曲線Fig.3 Power shortfall of 0.2,the frequency recovery curve

圖4 功率缺額為0.4時，頻率回復曲線Fig.4 Power shortfall of 0.4,the frequency recovery curve

文中給出了一種基于觀測器[7]的快速減負荷系統的技術來提高對船舶電力系統斷電的預防控制。當發生發電機[8]過載、脫鉤等故障時，通過對頻率的變化的檢測，降低大功率設備的功率，恢復電力系統的穩定。可以減少由于不良的電氣系統故障導致經濟收入損失。希望能對實際的工程應用有一定的指導意義。

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