電力推進系統快速減載量控制策略研究

蔡清男，朱志宇

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

隨著現代電力船舶技術的發展，電力推進已成為主流的推進方式，因此對動力裝置的要求也越來越高。隨之而來的是電力推進船舶用電量的增加導致船舶電網的管理也變得愈加復雜。相比陸地上的電網系統來說，船舶電站的電網容量較小，由于在海上航行，船上的各種電氣設備面臨著更惡劣的工作環境，因此造成的耗損也將更大。能量管理系統在保證船舶供電可靠性及穩定性的基礎上，實現船舶最小燃油消耗，減少電氣設備耗損，提高船舶經濟性，從發電到用電之間實現能量的優化配置管理[1]。因此，能量管理系統結合其他控制系統相互控制，使船舶電站在發生故障時，例如發電機組跳閘，保證船舶的穩定運行，使船舶的性能可以得到最大程度的發揮。陸地上電力系統的減載策略已趨于成熟，文獻[2–6]詳細敘述了陸地電網低頻減載策略及優化算法。本文借鑒陸地上電力系統的減載策略，在分析發電機組響應特性的基礎上，針對發電機組跳閘的情況，分析了不同降低負載控制方法的優劣性，根據不同的瞬態負載選擇合適的減載量，在提出的優化減載量的基礎上，結合船舶失電快速性的特點，提出一種在系統頻率變化未知時頻率檢測的方法，通過2次不同電壓的采樣值，在船舶發生電網故障時，能有效快速地檢測電網頻率的變化，為減載系統及時提供控制信號以進行減載控制。

1 發電機響應特性

發電機發生跳閘故障，必須在很短時間內使電力系統重新達到正常狀態。受制于失電的快速性，系統需要在短時內做出反應，保證電力系統的正常運行。

由于發電機組本身是一個慣性系統，且在網機組的數量也影響著減載系統的可用時間，因此根據牛頓運動力學第二規律，將發電機轉子作用與發電機軸轉矩關系表述如下[7]：

式中：為發電機組慣性時間常數，s；為額定角速度，，為額定頻率；為加速轉矩，采用標幺值。

將式（1）進行簡化，在標幺值的情況下，采用經典的同步發電機模型，當角速度接近認為的定值時，加速功率在 數值上等于加速轉矩，那么式（1）可改為如下形式：

根據式（2），由1臺發電機跳閘引起在網發電機頻率降低，定義安全時間為頻率下降到最低允許值的時間：

式中：為頻率變化量，為最大過載量。

現定義發電機出現跳閘故障時，在網機組的瞬態階躍負載如下:

式中：為在網機組瞬態負載變化量；為跳閘機組數量；為 在網機組數量；為跳閘發電機組的負載。

每臺發電機組提供的功率與它的慣性時間常數和額定功率成比例關系。基于發電機組同步的情況，現定義每臺發電機組的階躍負載，計算公式如下：式中：為每臺發電機組慣性時間常數，s；為發電機組額定功率。

現定義每臺發電機負載與瞬態階躍負載之和為瞬態負載：

從圖1可以看出，圖中區域以安全時間為分界線，在曲線左下方區域為發電機組可承受的最大瞬態負載量，右上方區域為發生失電故障危險的瞬態負載量。對于不同的控制方法而言，都會造成其安全時間值也不同，允許的最大瞬態負載量也不相同。根據圖1所示，當最大瞬態負載達到160%時，減載控制的響應時間在500 ms之內。

圖 1 負載控制反應時間Fig. 1 Load control the reaction time

根據式（3）可知，當減載量較低時，則加載的時間限制將延長?？焖贉p載系統（FLR）的減載取決于最大瞬態負載，現定義減載系統瞬態負載變化量如下：

船級社規定發電機組最大頻率降限值和柴油機承擔系統負載而引起的額外的頻率降，定義減載系統頻率允許頻率降如下:

2 快速減載控制方法

當在網機組原本就少而發生1臺機組跳閘的情況，則會呈現出在網機組負載波動達到140%～160%的現象，危及到整個船舶電力系統。因此，能量管理系統必須盡快減少負載來降低其他機組的負載以防止發生連環效應。對于各船舶柴油機發電機，根據船級社要求，發電機必須在0.5～1 s內減去多余的負載以保證船舶運行的安全性。

圖 2 能量管理系統的控制步驟Fig. 2 Power management system control steps

圖2描述的是能量管理系統控制減載步驟。系統監測到在網機組由于跳閘機組引起的高瞬態負載，在安全時間內通過減去其多余的加載在在網機組上的負載，保證負載分配正常，起到保護安全的作用。經研究，已有如下幾種比較成熟的減載方法運用在海洋船舶上：

1）基于可用功率的卸載方式：根據有功功率進行減負載，通過各層節點分階段斷開不重要的耗載件；

2）基于頻率的卸載方式：當頻率低于臨界值時發揮作用，通過全波傅里葉測頻算法檢測電網的頻率，實現實時監測；

3）基于事件的減載方式：根據減載件的不同重要性進行有選擇的減載；

4）基于頻率的相反饋減載方式：以頻率下降為基礎系統保護措施將故障區直接隔斷。

3 減載數量

3.1 過量瞬態階躍負載減載

柴油機的慣性和柴油機對階躍負載的反應能力決定了剩余在網機組能承擔階躍負載的時間。當快速減載系統被設計成減去超過柴油機最大承受量上限的負載時，則，通過式（7）和式（8），得到如下公式：

通常根據柴油機的特性有如下限制;

式中：為柴油機額定轉速。當利用柴油機最大階躍負載能力進行減載時間計算時，可得出如下公式：

達到頻率下限時間必須設置高于或等于快速減載所需要的時間，即，才能保證系統有足夠的反應時間來減負載。

快速減載系統的執行時間可能的范圍：tFLR≤0.5 s。當時，式（11）可改寫為：

3.2 全瞬態階躍負載減載

如果要求減掉所有故障后的負載，則，由此可得出：

全瞬態階躍負載減載所需時間和柴油機不承擔故障后的階躍負載的計算如下：

4 優化瞬態階躍負載減載

本文將上述2種不同的控制策略進行優化組合，以達到降低減載所需的時間。當發生故障前運行的負載不同時，其可承受的階躍負載能力也不同，而按照船級社的規范，定義的柴油機的最大允許負載階躍，其線性方程表示如下：

柴油機接近最優的負載階躍響應如圖3所示。

圖 3 策略1和策略2的減載時間關系Fig. 3 Strategy 1 and 2 of the lightening time relationship

為了找到柴油機最優階躍響應，本文將目標函數設定如下：

5 頻率檢測方法

基于本文提出的優化后的瞬態階躍負載的減載量，本文結合陸地上電網頻率檢測以及船舶失電的快速性，提出一種在系統頻率變化趨勢未知時頻率檢測的方法。首先，通過濾波器對母線三相電壓進行采樣得到基頻分量。三相電壓各自的余弦表達式為：

由式（18）～式（20）容易得出，A相電壓對應的正弦表達式為：

由式（18）和式（21）可以得出實時測量的電壓幅值

取2次不同的采樣值，例如取次采樣值，可計算頻率如下，

因此，由式（23）可得

其中為采樣間隔時間。

快速減負載系統原理框圖如圖4所示。

圖 4 快速減負載系統Fig. 4 Rapid during the load system

6 動態仿真及結果分析

6.1 動態特性

通過對發電機組加載、減載，簡單模擬發電機輸出功率的變化，驗證發電機輸出功率的穩定性和可靠性。圖5和圖6顯示了對2臺發電機在網進行加載仿真。

0 s時加載到33%，3 s時加載到66%，6 s時加載到100%，這是一般柴油機的加載過程。從圖5和圖6中可以看出2臺發電機的功率有明顯的階躍反應，并最終達到穩住狀態。電網頻率也出現了明顯的下降，其偏差在1 Hz以內，小于2%。。

圖 5 發電機在網加載功率變化Fig. 5 Generator load changes in power network

圖 6 發電機在網加載頻率變化Fig. 6 Generator in network load frequency change

仿真實驗模擬了發電機組減載過程，圖7和圖8顯示了發電機組減載仿真特性。

圖 7 發電機在網減載功率變化Fig. 7 Generator lightening power changes in the network

圖 8 發電機在網減載頻率變化Fig. 8 Generator in network load shedding frequency change

發電機組從額定負載情況下進行減載操作，首先減去40%的負載，從圖7和圖8中可以看出，整個柴油機的功率出現快速的下降，同時會有一定的回升，主要是防止頻率下降時，使整個電網頻率過低，從而引起發電機組主開關跳閘，最終導致失電事故的發生。電網頻率也有一定的上升現象，并最終回到額定頻率，其頻率偏差在1 Hz以內。用過以上仿真驗證柴油發電機功率輸出的穩定性，為接下來的仿真實驗提供基礎。

6.2 分析比較

實驗模擬2臺發電機組在網情況下，1臺發電機組跳閘時，在網發電機組的特性以及減載特性進行仿真研究。

圖9和圖10顯示了2臺發電機的仿真結果，其中H1=H2=2 s，故障前的狀態為：1號發電機和2號發電機進行正常的運作。在第6 s 2號發電機跳閘，從圖9中可以看出，在傳統方法的減載系統中，在發生跳閘后的1.9 s時，減載系統對不重要的負載進行減載，所需時間較長，電網頻率回升速度也較慢；從圖10中可以看出，本文所提出的改進減載方法，在發生跳閘0.4 s進行多余負載減載，電網頻率回升速度也較快。

圖 9 傳統減載方法下發電機跳閘頻率變化Fig. 9 Conventional method of lightening issued by motor tripping frequency change

圖 10 改進減載方法下發電機跳閘頻率變化Fig. 10 Improved method of reducing load generator tripping frequency change

7 結 語

從改進后的減載方法策略與傳統的減載方法策略的比較可以得出以下規律：

1）傳統的減載方法由于在電網頻率檢測上缺乏快速性，導致減載所需的時間較長，對實際功率缺額的計算也不夠準確，導致在減載量具有一定的偏差，同時導致電網頻率回升速度較慢。

2）改進后的減載方法，由于采用了2次不定時采樣，當電網頻率變化未知時也能精確測量頻率的變化，因此減載速度要快于傳統的減載方法。同時，結合本文所提出的優化的減載量整定策略，較精確地控制所需切削的負載，因此，負載切削后電網的頻率回升速度也比較快。

綜上所述，本文所提出來的減載量整定方法與頻率檢測方案相結合，在柴油機發生跳閘時，對電網的恢復具有快速性，效果好于傳統的減載方法。

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