船舶共直流母線混合電力推進系統技術探討

徐龍堂,董曉妮

(北車船舶與海洋工程發展有限公司,上海201206)

船舶共直流母線混合電力推進系統技術探討

徐龍堂,董曉妮

(北車船舶與海洋工程發展有限公司,上海201206)

為了提升船舶交流配電電力推進系統的技術穩定性、可靠性和經濟性,以及系統優化需求,提出了以變速永磁發電為供電電源的船舶共直流母線混合電力推進系統設計方案,并對方案的系統配置、硬件構成、網絡構架進行介紹,形成系統設計的總體技術框架。研究分析了直流配電混合電力推進系統的直流母線電壓控制和系統選擇性保護關鍵技術,確定了系統在不同工況下的功率點計算與功率分配控制策略,以及基于差動保護的選擇性保護方法,最后給出了直流母線電壓下垂控制方法以及不同供電單元組合下的系統網壓控制方式,以滿足直流配電系統在不同運行工況下的動態響應以及系統穩定性、經濟性要求。研究結果可作為國內船舶直流配電電力推進系統開發設計的有益借鑒,并可應用于漁船及高端船舶的直流配電電力推進系統開發。

共直流母線系統;電壓下垂控制;選擇性保護;變速發電機組

隨著電力電子技術的發展,交流配電電力推進系統已廣泛應用于軍船、公務船、工程船、豪華郵輪及海洋工程等特種船舶的基礎上,并開始推廣應用于作業工況復雜、經濟性要求高的漁業船舶領域[1-2]。與傳統主機推進系統相比較,交流配電電力推進系統在船舶機動性、設備布置及節能減排等方面表現出了較好的綜合性能[3],但還不能完全滿足工況復雜、能耗高的捕撈漁船對系統動態性及經濟性要求。以圍網漁船為例,電力推進系統即要滿足系統運行噪聲低、設備占據空間小、重量輕的基本要求,又要滿足漁船不同捕撈工況的系統動態響應,還要兼顧船東對漁船的低燃油消耗要求。近年來,國內已有交流電力推進系統在圍網、拖網漁船上應用,但系統投入回報及使用性能與船東期望還有一定差距。由此推動了直流配電電力推進系統的研究開發,以滿足電力推進船舶綜合性能的高要求。

在交流配電電力推進系統中,發電機組定速運行限制了柴油機經濟性的發揮,增加了柴油機的故障率;而直流系統不僅擴大了柴油機經濟運行轉速范圍,增強了系統魯棒性,降低了系統空間占用和重量;同時使系統在分布電源接入、能量存儲利用、負荷擾動抑制、節能減排降噪方面均具有突出的技術優勢[4-5]。例如,某平臺供應船配屬交流與直流兩種電推系統,在相同功率等級情況下,直流電推系統設備重量比交流的減少26%。

根據直流系統電源側的供電方式不同,直流配電電力推進系統有異步發電、無刷同步發電及永磁同步發電等多種供電形式。本研究提出以永磁同步發電機及供電變流器為供電單元的直流配電混合電力推進系統設計方案,并對直流母線電壓控制及主電路選擇性保護設計提出對應的電壓控制策略和選擇性保護設計方法,解決永磁發電直流推進系統的功率分配、網壓控制和主電路保護問題,具有技術借鑒意義。

1 直流配電混合電力推進系統構成

1.1 推進系統配置

本研究建立的直流配電混合電力推進系統采用單一電壓等級集中式直流配電,配電系統以模塊化、功能化的單元形式集成,易于實現定制化和多樣化的船舶推進系統集成要求(圖1)。系統構成模塊包括變速發電機組、直流配電板(包含供電、用電變流器及儲能系統直-直變換器)、功率管理系統(PMS)、推進控制系統(PCS)及遠程監控系統(RMS)。直流母線作為電力系統配電主網,各供電、用電變流器和儲能系統直-直變換器通過保護電器掛接于直流母線,變速發電機和軸發均采用永磁同步發電機,通過供電變流器整流并網。系統按照運行經濟性最優原則,對變速發電機組、蓄電池儲能系統及軸發系統組成的動力源進行多組合的靈活配置,構成多種供電及推進模式。

1.2 系統硬件功能

圖2是系統功能塊及功率流向圖。變速發電機組、軸發系統、蓄電池組儲能系統組成系統供電部分。變速發電機組是系統的主要電力來源,通過供電變流器并接于直流母線;軸發系統根據軸帶發電機運行模式(PTO)和軸帶電動機運行模式(PTI)以及控制指令對主推進器推進動力或直流配電電力進行有效補充,提高推進功率或主機的功率利用;蓄電池組構成系統運行的能量存儲部分,雙向直-直(DC/DC)變換器根據系統指令完成對蓄電池組與直流母線的充放電轉換,向系統提供或吸收瞬態功率變化能量,平抑突變負荷擾動對系統電網的沖擊,降低原動機的功率波動[7-9];各用電變流器模塊根據系統指令完成對負載的驅動控制。直流配電板是直流母線系統中的電能轉換執行部件,完成發電和用電的交-直-交轉換,或直-直變換。

1.3 系統控制網絡

在系統控制構架(圖3)中,推進控制系統、遠程監控系統及服務器以光纖通訊連接,構成系統操作層控制;功率管理系統是系統層控制;柴油機變速控制、直流配電板電力電子變流控制及推進器控制構成系統的設備層控制,系統層和設備層的控制通過雙冗余Profibus總線連接通訊。

2 系統關鍵技術分析

2.1 功率分配控制

2.1.1 系統工作功率點確定

系統工作功率點的確定包括推進功率計算、功率分配計算及運行指令計算判別。系統運行中,功率管理系統與推進控制系統通過Profibus總線連接,實時接收推進控制指令并向推進控制系統反饋。功率管理系統通過工業總線實時接收來自推進控制系統的推進指令SP或TP以及推進模式,計算主推進和側推運行需求功率PP,并根據推進模式選擇確定輔助機械功率需求PA。以上功率之和構成系統功率控制基準Pref,并以此計算值確定系統供電組合方式M?;同時功率管理系統通過工業總線實時接收供電、用電的各電力電子變流模塊實際輸入/輸出功率,計算總功率反饋值Pfb,接收蓄電池儲能系統荷電功率PSOC反饋值,在PMS的軟件設計中,變速柴油機和軸發的轉速—功率燃油率曲線以數據表的形式參數化,程序根據系統功率控制基準Pref和系統供電組合方式M?,計算確定各供電單元輸出功率,據此查表,確定并輸出主機轉速指令及變速發電機組轉速指令軸發輸出功率指令蓄電池儲能系統充放電指令C?。圖4是計算系統工作功率點控制框圖。

2.1.2 不同供電工況的網壓控制方式

系統工作功率點確定后,即確定了變速發電機組供電變流器、蓄電池儲能直-直變換器、軸發供電變流器/變換器的并網運行組合工況,表2列出了系統7種供電并網工況及對應的網壓控制方式。單一變速機組供電變流器并網或單一儲能直-直變換器并網時,網壓控制由該并網的變流器或直-直變換器控制,直流母線電壓控制較為簡單;雙變速機組供電變流器并網或雙儲能直-直變換器并網,則需按照對等下垂輸出特性控制供電變流器或直-直變換器輸出功率,進而控制母線電壓恒定;變速機組供電變流器與儲能直-直變換器同時并網,變速機組供電變流器控制母線電壓,儲能直-直變換器跟隨母線電壓,平抑系統的小功率波動。

以工況5為例,當軸發按發電機運行模式方式與變速發電機組同時并網運行時,變速柴油機組按照系統轉速指令穩定在n?運行,直流母線電壓由并網的變速柴油機組供電變流器控制,軸發供電變流器僅檢測跟隨母線電壓,并按照功率指令P?SG向直流母線輸出功率,各負載變流器按照船舶操作控制指令從直流母線吸收功率驅動負載設備運行,蓄電池儲能單元通過直-直變換器控制調節直流母線瞬態功率波動,保證系統在快速動態響應大負荷用電需求,同時也保證變速機組輸出功率穩定及母線電壓穩定。此工況下,直流母線電壓控制由2臺變速機組供電變流器按照對等模式下垂特性控制,2臺發電機組的供電變流器輸出特性均具有相同的下垂系數,其輸出電壓的變化值ΔU相同。各發電機組按照下垂特性分擔變化功率負荷,對機組輸出功率進行自動參與、自動按比例均勻分配,實現直流網電壓恒定控制[10-13]。

2.2 母線電壓控制

圖1 共直流母線混合電力推進系統單線圖Fig.1 The single-line diagram of common DC bus hybrid-electric propulsion system

圖2 共直流母線混合電力推進系統功能塊及功率流向圖Fig.2 The function block and power flow diagram of common DC bus hybrid-electric propulsion system

圖3 共直流母線混合電力推進系統控制網絡構架Fig.3 The control network architecture of common DC bus hybrid-electric propulsion system

圖4 系統工作功率點控制框圖Fig.4 The control block diagram of system work power-point

表2 系統供電工況及網壓控制方式Tab.2 The system power supply condition and grid voltage control method

直流配電系統中,直流母線電壓控制有多種方式。其中,電壓下垂控制具有系統動態響應快、可擴展性好、供電變流器組合方便等優點[8,14-16],非常適合船舶推進負載控制特性要求。表3給出了直流母線電壓不同控制策略性能比較[14]。

表3 不同控制策略性能比較Tab.3 The performance comparison of various control strategies

當系統由2臺變速機組供電變流器并網或2臺儲能變流器并網時,供電變流器按照對等下垂輸出特性控制變流器輸出功率,進而控制直流母線電壓穩定。圖5給出了系統在2臺變速機組供電變流器并網或2臺儲能變換器并網時供電變流器的下垂控制特性。圖中,UREF為直流母線電壓基準,UA和UB為系統工作點A和B的母線電壓, UHMAX和ULMIN為直流母線電壓的最大變化范圍。

當系統穩定運行于工作點A,負載穩定、無制動能量回饋時,直流母線電壓ULMIN≤UA≤UREF,并網的2個變速機組供電變流器按照下垂系數kd1均勻分擔低頻負載功率,兩個儲能直-直變換器按照下垂系數kb1及當前荷電功率SOC分擔高頻波動功率(高吸低補),調節系統的直流母線電壓在UA穩定運行。

當系統在工作點A增加負載時,直流母線電壓下降,并網的2個變速機組供電變流器按照下垂系數kd1均勻分擔增大的低頻負載功率,儲能直-直變換器按照下垂系數kb1分擔高頻波動功率(高吸低補),并使系統穩定運行于工作點B,2個變速機組供電變流器分擔穩態功率ΔPd=-kd1× (UB-UA),2個儲能直-直變換器分擔瞬態平均功率。

當系統運行于降負載或制動工況時,直流母線電壓上升,當UDC

2.3 選擇性保護設計

圖5 系統供電變流器和儲能直-直變換器的電壓下垂控制特性Fig.5 The voltage droop control characteristics of system supply converter and stored energy DC-DC converter

船舶直流電力系統的短路特點使得基于時間原則的瞬時選擇性保護對系統不同故障點的短路電流水平及快速熔斷器動作時間精度的依賴非常大,很難實現直流電力系統保護選擇性與快速性兼容的要求[17-18]。本研究提出基于差動保護的選擇性保護方法,一定程度上解決了按時間原則整定的系統選擇性保護在時間上的犧牲,提高了兼顧了系統在短路工況下的選擇性與快速性要求,進而保障系統快速對供電、用電功率進行增補,并控制各變流設備運行。

差動保護主要配置于發電機輸出端的斷路器,當發電機支路以外的外部電路短路時(例如:負載支路短路),按照基爾霍夫電流定律[19]:

式中:Id—差動電流;Ij—引出線j上流入被保護設備的電流。

當本支路內部電路短路時(如發電機出口電路),按照基爾霍夫電流定律,則有Id≠0。當內部故障時,各引出線上電流相位基本一致,差動電流有較大值,設置合適的差動電流閥值,即可有效區分內、外部故障,可保證選擇性及保護動作的靈敏、快速。

3 結論

以直流配電技術為核心的共直流母線電力推進系統已成為當前船舶電力推進系統的新一代創新技術。本研究以共直流母線混合電力推進系統設計為例,從系統總體設計角度對關鍵技術進行深入分析、探討,并給出控制策略,提出的設計方案、控制策略對國內船舶共直流母線電力推進系統的設計開發具有一定的借鑒作用。隨著國內對船舶直流配電技術及控制技術的深入研究及實船開發運用,擁有自主知識產權的共直流母線電力推進系統將很快進入實船應用。

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Study on technology of shipboard common DC bus hybrid-electric propulsion system

XU Longtang,DONG Xiaoni
(CNR Ship&Ocean Engineering Development Co.,Ltd,Shanghai 201206,China)

For improvement of technology stability,reliability and economical efficiency of the shipboard AC distribution electric propulsion system,and requirement of system optimization,a design scheme of shipboard common DC bus hybrid-electric propulsion system with variable speed permanent magnet generator as power supply is proposed,and the system configuration,hardware constitution and network architecture are introduced in the scheme to form the overall technology framework of system design.Such key technologies as DC bus voltage control and selective protection of the DC distribution hybrid electric propulsion system are studied and analyzed,power point calculation,power distribution control strategy and selective protection method based on differential protection of the system under different conditions are determined,and finally DC bus voltage droop control method and network voltage controlmode under different power supply unit combinations are provided, so as to satisfy the dynamic response,stability and economical efficiency of DC distribution system under different conditions.The results may be helpful reference for development and design of shipboard DC distribution electric propulsion system at home,and applied to development of the DC distribution electric propulsion system of fishing ships and high-end ships.

common DC bus system;voltage droop control;selective protection;variable speed generator set

U665.13

A

1007-9580(2017)03-070-07

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.012

2017-03-15

上海市科技興海項目“大型海上海業綜合服務平臺總體技術研究(15DZ1202100)”

徐龍堂(1974—),男,高級工程師,研究方向:船舶電力推進系統。E-mail:xultxsp@163.com