船舶電站監(jiān)控裝置負載分配算法設計

艾麥提·布拉丁，張曉峻，蔣子峰，毛冬麟

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著造船業(yè)的發(fā)展，船舶噸位越來越大，電氣自動化的水平也越來越高，船舶電站系統(tǒng)規(guī)模和復雜性不斷增加，單一發(fā)電機組難以滿足船舶用電需求，因此開始出現(xiàn)并聯(lián)運行2 個或者多個 發(fā)電機組以增加船舶電站供電容量[1-3]。船舶電站中，并聯(lián)運行多個發(fā)電機組給船舶供電，能夠提高船舶電源的可靠性和能量轉(zhuǎn)換效率，減少備用發(fā)電機的數(shù)量[4]。為了保證多個機組并聯(lián)運行的穩(wěn)定性，提高電站系統(tǒng)的可靠性，應使各個并聯(lián) 發(fā)電機組承擔的有功功率、無功功率與該機組額定有功功率、額定無功功率比例相等，這就要求系統(tǒng)具有良好的調(diào)頻調(diào)載控制特性[5]。很多學者研究了2 個或多個發(fā)電機組并聯(lián)運行時的調(diào)頻調(diào)載控制，白一鳴等采用嵌入式控制器對并聯(lián)運行的機組進行調(diào)頻調(diào)載控制，張貴珍等將神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)應用到機組調(diào)頻調(diào)載控制中，也有學者基于PMS 技術(shù)實現(xiàn)了多個機組的并聯(lián)運行控制，但大部分學者僅通過仿真得出最終結(jié)果，并未經(jīng)過實際試驗驗證[6-9]。本文中設計了船舶電站調(diào)頻調(diào)載控制算法，結(jié)合實際試驗驗證了系統(tǒng)的調(diào)頻調(diào)載性能。

本文分別介紹了監(jiān)控裝置組成部分、控制算法和聯(lián)調(diào)試驗，根據(jù)試驗結(jié)果對系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)載性能進行分析，并對系統(tǒng)調(diào)頻調(diào)載性能進行評估。

1 監(jiān)控裝置組成部分

本文介紹的監(jiān)控裝置由3 層設備組成，第一層設備由數(shù)據(jù)采集設備組成，第二層設備由數(shù)據(jù)處理設備組成，第三層設備由數(shù)據(jù)顯示設備組成，監(jiān)控裝置拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。數(shù)據(jù)采集設備主要由發(fā)電機組數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、擴展接口箱內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集設備組成；數(shù)據(jù)處理設備由機旁箱、柴發(fā)機組加固機、汽發(fā)機組加固機、區(qū)域電站管理器加固機組成；數(shù)據(jù)顯示設備由集控臺和電站顯示屏組成。

第一層設備采集實時數(shù)據(jù)，并通過工業(yè)控制網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)（第一層設備數(shù)據(jù)）發(fā)送至第二層設備，第二層網(wǎng)絡設備之間采用CAN 總線通訊共享數(shù)據(jù)；第二層網(wǎng)絡設備與第三層網(wǎng)絡設備之間采用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 監(jiān)控裝置拓撲結(jié)構(gòu)

當柴發(fā)機組、汽發(fā)機組在網(wǎng)，且電站系統(tǒng)進行調(diào)頻調(diào)載控制時，擴展接口箱內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集設備對柴發(fā)機組、汽發(fā)機組發(fā)電機的端電壓、電流、頻率、功率等數(shù)據(jù)進行采集，并將數(shù)據(jù)傳到CAN 總線；區(qū)域電站管理器讀取CAN 總線的電壓、電流、頻率、功率等數(shù)據(jù)，用調(diào)頻調(diào)載控制算法對電流、電壓、功率等進行運算處理，并將計算出的調(diào)速調(diào)壓信號發(fā)送至CAN 總線；機組加固機讀取CAN 總線上的調(diào)速調(diào)壓指令，并將處理結(jié)果發(fā)送至擴展接口箱；擴展接口箱將處理結(jié)果發(fā)送至配電板；配電板將收到的控制指令以開關(guān)量信號的形式發(fā)送至機旁箱；機旁箱判斷機組當前狀態(tài)，并根據(jù)接受指令，分別對機組轉(zhuǎn)速、發(fā)電機端電壓進行調(diào)節(jié)。

2 控制算法設計

在多個機組并聯(lián)運行的系統(tǒng)中，根據(jù)各機組的帶載能力，按一定比例將負載分配到各機組，充分體現(xiàn)機組性能，使系統(tǒng)帶載能力最大化。調(diào)頻調(diào)載控制特性直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性、帶載特性等，在多機組電站系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。

2.1 調(diào)頻調(diào)載原理

2 臺或者多臺發(fā)電機組并聯(lián)運行時，頻率波動會導致各機組有功負載分配不均勻，大大減少系統(tǒng)帶載能力，縮短系統(tǒng)壽命。調(diào)頻調(diào)載過程中，當負載分配均勻時，各機組實際功率與額定功率的比值相等，實際無功功率與額定功率的比值也相等，不同有功功率下的調(diào)頻調(diào)載過程如圖2 所示。圖2 中，L1、L2表示2 臺機組調(diào)速特性曲線，設2 臺機組的額定有功功率分別為Pe1、Pe2，則有

式中：P1、P2分別表示2 個機組的實際有功功率，W；P為系統(tǒng)有功功率，W。

當系統(tǒng)所帶負載增加時，系統(tǒng)有功功率由P增加到P''，2 臺機組的調(diào)速特性曲線均向上平移，分別為L11、L22，2 臺機組有功功率分別增加到P11、P22，以下關(guān)系依然成立 若并聯(lián)運行的幾臺機組額定功率特性相同，則圖中P1、P2、P11、P22均為機組調(diào)速特性曲線的交點，即：P1＝P2，P11＝P22。調(diào)頻調(diào)載過程中，通過不停地調(diào)整發(fā)電機組頻率（在調(diào)整無功功率分配時調(diào)整電壓），使機組調(diào)速特性曲線上下平移，實現(xiàn)每個機組實際功率與額定功率間的比值相等，從而達到均勻分配負載的效果。

圖2 調(diào)頻調(diào)載過程圖

常見的調(diào)頻調(diào)載方法有主調(diào)發(fā)電機法、有差調(diào)節(jié)法、主從控制法、虛有差法、積差法等。主調(diào)機組法中系統(tǒng)功率的變化由主調(diào)機組承擔，其他機組承擔固定功率，這種方法設計算法簡單、成本低，但不易滿足功率變化較大的系統(tǒng)設計；有差調(diào)節(jié)法中，由于各機組間存在較強的有差調(diào)速控制特性，所以調(diào)速等控制特性靈活性較差，在較大系統(tǒng)設計中，負載分配特性不易優(yōu)化設計；主從控制法中，只有主控機組參與調(diào)頻過程，其余機組不進行調(diào)頻，只適用于功率分配過程；積差法中，由于需要求積分，時間響應特性有待改善。本文中采用虛有差法，將采集到的有功功率、無功功率等轉(zhuǎn)換成對應頻率和電壓，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)載控制。

2.2 調(diào)頻調(diào)載算法設計

根據(jù)調(diào)頻調(diào)載控制原理，設計調(diào)頻調(diào)載算法流程如圖3 所示。圖3 中，dF表示頻率差，dF=Fe－F，其中Fe為機組額定額定頻率，F(xiàn)為機組實際工作頻率；dU為電壓差，dU＝Ue－U，其中U為機組實際電壓，Ue為額定電壓；dP為有功功差，dP=Pa－P，其中Pa為機組應承擔的有功功率，P為機組實際承擔的有功功率；dQ為無功公差，dQ＝Qa－Q，其中，Qa為機組應承擔的無功功率，Q為機組實際承擔的無功功率；dFF為有功功差轉(zhuǎn)成頻率差的值，dFF＝dP·α，其中α為變換系數(shù)；dUU為無功功差轉(zhuǎn)成電壓差的值，dUU＝dQ×β，其中β為變換系數(shù)；dVF、dVU分別為頻率差與電壓差閥值；aU表示單位時間內(nèi)調(diào)整的電壓，即調(diào)整電壓的速度；aR表示單位時間內(nèi)調(diào)整的轉(zhuǎn)速，即調(diào)整轉(zhuǎn)速的速度。

圖3 調(diào)頻調(diào)載算法流程圖

算法中首先判斷系統(tǒng)當前控制方式，若當前的控制方式為手動控制，則從算法中退出；若當前的控制方式為非手動控制，則進一步判斷是否有機組在網(wǎng)，若無機組在網(wǎng)，則從算法中退出；若有機組在網(wǎng)，便計算在網(wǎng)機組的有功功率、無功功率；計算機組實際工作頻率與額定頻率的差值為dF，計算機組實際電壓與額定電壓的差值為dU；計算機組實際工作功率與應承擔的功率的差值為dP，計算機組實際無功功率與應承擔的無功功率的差值為Q，應承擔的功率＝總功率×機組額定功率/在網(wǎng)機組總額定功率，功率可為有功功率或無功功率；將有功功率差度、無功功率差度換算成頻率差dFF、電壓差dUU；判斷|dF＋dFF|是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，若不在規(guī)定范圍之內(nèi)，則根據(jù)dP與dF大小，調(diào)整機組轉(zhuǎn)速的速率aR（表示單位時間內(nèi)機組轉(zhuǎn)速變化大小），再進一步判斷當前狀態(tài)需要加速還是減速，并根據(jù)判斷結(jié)果進行加速或減速；若判斷|dF＋dFF|在規(guī)定范圍內(nèi)，則不進行調(diào)速，直接進入調(diào)壓狀態(tài)，判斷|dU＋dUU|是否在規(guī)定范圍內(nèi)，若不在規(guī)定范圍內(nèi)，則根據(jù)dQ與dU大小調(diào)整調(diào)機組調(diào)壓的速率aU，再進一步判斷當前狀態(tài)需要升壓還是降壓，并根據(jù)判斷結(jié)果進行升壓或降壓；若判斷|dF＋dFF|在規(guī)定范圍內(nèi)，則不進行調(diào)壓。值得注意的是，調(diào)速、調(diào)壓信號均是以脈沖信號的方式發(fā)送至機組調(diào)速器、調(diào)壓器，因此在算法設計時，需將aR、aU值換算成對應脈寬的脈沖信號。鑒于調(diào)速器有最小脈寬、最大脈寬限制，需要限制最小脈寬、最大脈寬的大小。

上述算法中，先通過調(diào)整機組轉(zhuǎn)速來調(diào)整機組的有功功率，當有功功率分配均勻后才開始通過調(diào)整發(fā)電機組端電壓來調(diào)整機組的無功功率。算法執(zhí)行到最后，將處理結(jié)果發(fā)送至CAN 總線上，并重新執(zhí)行該算法，實現(xiàn)調(diào)頻調(diào)載控制，進而實現(xiàn)負載的均勻分配。

3 試驗驗證

將上述控制算法下載至區(qū)域電站管理器中，首先啟動汽發(fā)機組，增加負載至440 kW，功率因數(shù)為0.8，將控制方式設定為半自動控制，再啟動柴發(fā)機組，使其與汽發(fā)機組并網(wǎng)運行；而后，將負載依次增加至1 100 kW、1 650 kW、2 150 kW，又將負載從2 150 kW 依次減少至1 650 kW、1 100 kW、440 kW，分別記錄分配到柴發(fā)機組、汽發(fā)機組上的功率，并由式（5）計算有功功率分配差度，由式（6）計算無功分配差度。

式中：PΔ 為有功功率分配差度；iP、jP分別為第i、j個機組的實際有功功率，W；NiP、NjP分別為第i、j個機組的額定有功功率，W；QΔ 為無功功率分配差度，iQ、jQ分別為第i、j個機組的實際無功功率，Var；NiQ、NjQ分別為第i、j個機組的額定無功功率，Var。

本文中i、j取值可為i＝1、j＝2 或i＝2、j＝1，1 代表柴發(fā)機組，2 代表汽發(fā)機組。將試驗過程中記錄的數(shù)據(jù)代入式（5）、式（6），并將計算結(jié)果記錄于表1 中。由表1 可知，機組有功分配差度、無功分配差度均小于5%。

表1 有功、無功試驗差度計算結(jié)果

不同功率下，分析系統(tǒng)功率與單個機組功率之間的關(guān)系，并得出如圖4 所示的對比曲線。圖4 中，橫坐標為系統(tǒng)帶載量，縱坐標為機組帶載量，系統(tǒng)帶載量＝系統(tǒng)實際功率/系統(tǒng)額定功率，機組帶載量＝機組實際功率/機組額定功率，DG表示柴發(fā)機組、TG 表示汽發(fā)機組。由圖4 可知，柴發(fā)機組與汽發(fā)機組帶載量隨著系統(tǒng)帶載量的增加而增加，且柴發(fā)機組與汽發(fā)機組帶載量基本保持一致，當系統(tǒng)帶載量為100%（系統(tǒng)所帶負載為2.15 MW，即滿載）時，柴發(fā)機組與汽發(fā)機組帶載量也剛好接近100%（2 機組同時達到滿載）。

圖4 系統(tǒng)功率與機組功率對比曲線圖

不同功率下，分析系統(tǒng)功率與機組功率比之間的關(guān)系，得出的對比曲線如圖5 所示。圖5 中橫坐標為系統(tǒng)帶載量，縱坐標為柴發(fā)機組與汽發(fā)機組實際功率的比值，Pdg為柴發(fā)機組實際功率，Ptg為汽發(fā)機組實際功率。由圖5 可知，隨著系統(tǒng)帶載量的變化，機組功率比在柴發(fā)機組與汽發(fā)機組額定功率的比值附近波動。

不同載荷下，采用圖3 所示調(diào)頻調(diào)載算法控制電站系統(tǒng)，機組的有功分配差度、無功分配差度均小于5%，在規(guī)定范圍內(nèi)；系統(tǒng)達到額定功率時，柴發(fā)機組、汽發(fā)機組也剛好達到額定功率，系統(tǒng)容量達到最大；在網(wǎng)柴發(fā)機組、汽發(fā)機組的實際功率比在柴發(fā)機組與汽發(fā)機組額定功率的比值附近波動，始終保證在網(wǎng)的2 臺機組在最佳負荷下工作。

圖5 系統(tǒng)功率與機組功率比曲線圖

試驗結(jié)果表明，不同載荷下，調(diào)頻調(diào)載算法分配至柴發(fā)機組、汽發(fā)機組的載荷合理，能夠有效控制系統(tǒng)。

4 結(jié)論

本文分別基于額定功率0.85 MW、1.3 MW的柴油發(fā)電機組、汽發(fā)機組設計了2.15 MW 船舶電站監(jiān)控裝置調(diào)頻調(diào)載算法，介紹了監(jiān)控裝置的工作原理，并進行聯(lián)調(diào)試驗，檢測分配到2 臺機組的有功功率與無功功率，計算出2 臺機組有功功率分配差及無功功率分配差度，并分別比較系統(tǒng)帶載量與各機組帶載量、系統(tǒng)帶載量與機組的功率比，進而測試調(diào)頻調(diào)載算法的控制特性。試驗結(jié)果表明，調(diào)頻調(diào)載算法性能良好，能夠有效控制船舶電站系統(tǒng)穩(wěn)定、高效工作，為船舶電站系統(tǒng)設計提供技術(shù)支撐。