基于全軟件控制方式的船舶岸電系統船側逆功率防護技術研究

徐鯤鵬，卜佩征，趙羨龍，李曉光，周誠根

（1.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；2.國網浙江省電力公司，浙江杭州 310007）

基于全軟件控制方式的船舶岸電系統船側逆功率防護技術研究

徐鯤鵬1，卜佩征2，趙羨龍1，李曉光1，周誠根1

（1.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；2.國網浙江省電力公司，浙江杭州 310007）

隨著船舶大型化、多功能化和節能化的發展，對船舶電力系統的要求越來越高。連船并網及船舶解列過程中可能會出現發電機頻率及幅值調節不準確的情況，導致逆功率的產生。文中采用全軟件方式的智能化逆功率控制方案，能夠有效抑制逆功率的產生，提高了整個系統的可靠性，使系統在并脫網及負荷轉移過程中可實現能量的雙向傳遞，抑制切換過程中的電流和電壓沖擊，令船舶供電過程實現無縫平滑的切換。

船舶岸電；全軟件控制；智能化；逆功率

裝有特殊設備的船舶在停泊期間，其接入到岸地的電源時，從其中獲得其水泵、照明、通風和其他需求的電力供應。此時，船舶關閉自身的柴油發電機，不僅可以消除自身機組運行帶來的噪聲，也能在一定程度上減少廢氣的排放[1-4]。

港口船舶岸基電源不同于傳統的船廠岸基電源，兩者之間存在共性，也存在較大差異。尤其是港口岸基電源在使用過程中，存在與船舶柴油發電機并網及負載轉移的過程，因為船舶在靠港使用岸電時不能夠將船上負載停機再啟動。有的文獻在并網及負載轉移過程中采用岸基電源主動并網，變頻裝置根據船舶發電機所發電的特性調整變頻的輸出與其對應，鎖頻鎖相之后進行并網，并主動進行負載轉移，此方案對變頻電源側有好處，且不會存在逆功率的問題，目前實現比較困難且不實用，因為如果變頻電源主動并網及負載轉移，其必須知道發電機所發電的各種參數，包括輸出頻率、相位、幅值、電流等，要想知道這些參數，必然要對船側進行整改，整改完成后不具備通用性的原則，變頻電源也無法實現通用[5-7]。有的文獻采用將變頻電源作為穩定電源的輸出方，由船舶發電機進行主動并網，其檢測變頻電源的輸出特性，來調整發電機的輸出特性，與變頻電源進行匹配，各并網要素完全滿足后主動并網及負載轉移，負載轉移完成后自動切斷輸出側，此時船舶負載的供電完全轉移至變頻電源側[8-9]。

如果發電機沒有發出有功功率而從電網中吸收有功功率，這種現象被稱作發電機的逆功率運行狀態。如果這種情況發生了，是需要將處于逆功率運行狀態的發電機切除。目前船岸并網瞬間由于2個電源并網瞬間相位、幅值的差異會導致逆功率的產生，雖然時間很短，但是如果不作處理，必然會引起變頻電源報故障停機，岸電并網的逆功率產生不同于提升類負載下放時的逆功率，岸電逆功率由于并網產生，提升類負載的逆功率是工藝運行導致的能量流向問題，所以兩者的處理思路完全不一樣。針對岸電逆功率目前有這個幾種方案：一種是采用四象限變頻，在產生逆功率時將能量回饋至電網，但是這種方案成本高、控制復雜、可靠性低于兩象限變頻；第二種是加制動電阻方案，此方案成本低于四象限，但是可靠性差，因為每個功率單元均需要增加制動單元及制動電阻，而且制動電阻如果沒有完善的保護，其容易燒毀，擴大故障面[10-12]；第三種方案就是智能化逆功率控制方案，本文在其基礎上采用全軟件控制方式，能夠防止逆功率的產生，可靠性高、成本低，具有一定的工程應用價值。

1 全軟件控制方式的算法分析

全軟件控制需要硬件的支持，在本文中變頻將采集岸電系統輸出側的電壓，如圖1所示，采集點有2個：一個是隔離變的輸出側，一個是變頻的輸出側。2個點的測量數據同時反饋至主控系統進行測算，岸電的逆功率控制基于2點：輸出側功率的流向和功率單元的母線電壓。通過快速的微調輸出電壓的相位及幅值將逆功率控制住，保證變頻電源的有功輸出為正，同時變頻電源并網期間具有一定柔性，不會因為逆功率的控制使得負載轉移無法進行。

基于全軟件的控制方法需要在軟件算法中考慮對逆功率進行控制和保護。采用基于工頻構成的船舶同步發電機保護，實現對采樣值進行濾波，提取出工頻基波分量，進行故障判別，從而實現對船舶岸電系統船側逆功率防護。濾波算法的速度和精度會直接影響到保護裝置的快速性和可靠性。

1.1 全波傅氏算法分析

如果要對直流和各整次諧波的濾波效果有較好的要求，全波傅氏算法是一個合適的選擇。全波傅氏算法對非整次諧波的衰減直流分量頻率小于50 Hz低頻分量和抑制效果不佳，但是可以完全濾除直流和各整次諧波分量。本文在全波傅氏算法之前增加一個差分環節構成全波差分傅氏算法，從而消除衰減直流分量的影響。

圖1 岸電逆功率模擬平臺Fig.1 Shore power inverse power simulation platform

圖2所示的是全波差分傅氏算法的頻率響應和時間響應曲線。全波差分傅氏算法對非整次諧波抑制效果略差，特別是對某些諧波有一定的放大作用，而對小于50 Hz的低頻分量抑制效果較好，如圖2（a）所示。在完全利用故障后采樣值進行濾波時，該算法的時間響應比較穩定，如圖2（b）所示。

全波差分傅氏算法和全波傅氏算法誤差特性比較如圖3和圖4所示。在圖3和圖4中，曲線1和曲線2分別表示的是全波傅氏算法和全波差分傅氏算法。通過上述的兩張圖不難看出，加入差分濾波后，極大地提高了算法的精度。在波形仿真數據中，基波分量的誤差最大值為2.1%，當衰減直流分量較大時，算法精度更高。

圖2 全波差分傅里葉算法頻率響應和時間響應Fig.2 Full wave difference fourier algorithm for frequency response and time response

圖3 全波傅里葉與全波差分傅里葉算法隨相位誤差對比Fig.3 Comparison of full wave fourier and full wave difference Fourier algorithm with phase error

圖4 全波傅里葉與全波差分傅里葉算法隨時間常數誤差對比Fig.4 Comparison of full wave fourier and full wave difference fourier algorithm with time constant error

全波差分傅氏遞推形式計算公式如下：

在較高的采樣率下，才能夠保證數據正常狀況下的精確計算和故障全過程的準確計算，因此本文設計中保護采樣率為每周期36點。實時計算跟蹤通過所有獨立功能單元的數據運算來得到保證。同時，在保護裝置的出口均經啟動元件閉鎖，只有在保護啟動元件啟動后，保護裝置出口閉鎖才被解除。這樣做的目的是為了提高保護的可靠性。

1.2 主循環程序設計

主循環程序流程如圖5所示。主程序和中斷服務程序組成了整個程序系統。其中，主程序是由初始化模塊、保護邏輯判斷模塊和保護跳閘處理模塊組成的。一般來說故障處理模塊又是由保護邏輯判斷和跳閘處理組成。中斷服務程序的主要部分為定時采樣中斷服務程序。在本文中，定時器中斷、采樣中斷和測頻率中斷組成采樣中斷服務程序。

圖5 主循環程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main cycle

2 實驗測試

在連船并網及船解列過程中可能會出現發電機頻率及幅值調節不準確的情況，導致逆功率的產生，基于本文算法設計的智能逆功率控制技術，能夠有效抑制逆功率的產生，提高整個系統的可靠性。在寧波港岸電連船并網實驗中，有3次產生逆功率的情況，全部被逆功率控制技術消除。系統日志記錄，現場波形記錄如圖6所示。

圖6 逆功率控制HMI記錄Fig.6 HMI record of the reverse power control

逆功率產生時和穩態時候的波形如圖7和圖8所示。

圖7 并網逆功率電流和電壓波形對比Fig.7 Comparison of the grid-connected inverse power current and voltage waveform

圖8 穩態運行隔離變U相，W相輸出電壓和變頻電源U相、W相輸出電流波形Fig.8 Waveform of the output voltage of Phase U and Phase W of the isolated substation under the steady state operation,and waveform of the output current of Phase U and Phase W of the frequency conversion power supply

現場采樣的是隔離變輸出電壓的采樣和變頻電源兩相輸出電流，將變頻電源輸出電流等效到隔離變的輸出側，W相產生逆功率。

3 結語

在連船并網及船舶解列過程中可能會出現發電機頻率及幅值調節不準確的情況，導致逆功率的產生。本文采用全軟件方式的智能化逆功率控制方案，能夠有效抑制逆功率的產生，全波差分傅氏算法保證了數據在正常狀況下的精確計算和故障全過程的準確計算，提高了整個系統的可靠性，使系統在并脫網及負荷轉移過程中可實現能量的雙向傳遞，抑制切換過程中的電流和電壓沖擊，令船舶供電過程實現無縫平滑的切換。在寧波港的試驗結果表明，該設計完全達到預計要求運行穩定。該裝置在船舶同步發電機保護中具有良好的運用前景。

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Research on the Ship-Side Reverse Power Protection Technology of the Ship Shore Power System Based on Full Software Control

XU Kunpeng1,BU Peizheng2,ZHAO Xianlong1,LI Xiaoguang1,ZHOU Chenggen1
（1.Beijing Smartchip Microelectronics Technology Company Limited,Beijing 102200,China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company,Hangzhou 310007,Zhejiang,China）

As ships are getting larger in size and equipped with more multiple functions and energy-saving facilities,the requirements of the ship power system are higher.In the process of connecting ships with the power grid and ship routing,possible inaccurate adjustment of the power generator's frequency and amplitude leads to generation of the inverse power.This paper adopts a full-software intelligent scheme to control the reverse power,which can effectively suppress the reverse power and improve the reliability of the whole system so that the system can realize the two-way transfer of energy in the offgrid and load transfer process.The current and voltage surge are suppressed and thus the power supply of ships can be switched smoothly and seamlessly.

ship shore power;full software control;intelligent;reverse power

1674-3814（2017）07-0035-04

TM61

A

國家電網公司科技項目資助（5211011400AZ）。

Project Supported by the Science and Technology Program of SGCC（5211011400AZ）.

2017-01-25。

徐鯤鵬（1978—），男，碩士，中級工程師，主要從事電力系統自動化、電力系統信息化、智能電網方面研究與實踐工作；

卜佩征（1963—），女，本科，高級工程師，主要從事電氣工程、電力系統自動化、電能替代等方面的工作。

（編輯 張曉娟）