功率限制策略在船舶直流電站中的應用

高秋玲，楊坤旭，陳 坤

應用研究

功率限制策略在船舶直流電站中的應用

高秋玲1，楊坤旭2，陳 坤2

（1. 中海油安全技術服務有限公司，天津 300450；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

作為船舶綜合電力系統最大也是最主要的用電負荷，推進負載直接連接在船舶電網主回路上，其負載的突變或者發電機組突然故障跳閘等引起的船舶電網結構突變均可能導致發電機組過載運行、船舶電網震蕩甚至船舶黑船失去動力，非常危險。為解決以上問題，提出了一種采用直流母線電壓結合機組負荷率來表征船舶電網運行狀態，實現推進負載功率限制的方法。從而實現推進負載與船舶電站協調控制，確保直流電站綜合電力系統的穩定性和可靠性。經過實船應用驗證后發現，該功率限制方法可以在負載突變或者電網結構發生突變時快速地對推進負載進行調整，實現推進負載與船舶電網的協同控制，可以保證船舶電站的穩定性和可靠性。

功率限制 推進變頻器 直流電站

0 引言

近些年，船舶電力推進技術快速發展，其中直流組網技術突飛猛進，儼然已經成為了一個新的風口。直流電站的主電網采用直流電制，直流配電電網只關注直流母線電壓，對原動機并沒有恒頻運行的需求，于是可以突破頻率和發電機轉速的限制，在發電變頻器的作用下可以采用變速發電等比較前沿的技術降低原動機單位油耗。而且可以選用高速發電機組，降低發電系統體積和重量，以及通過進行發電機組變速規避某些共振點。直流配電系統電參數只需關注直流母線電壓，控制更為簡單，使多機組系統并網速度更快，動力響應更快。直流系統采集主電網電壓的速度快于交流系統采集頻率、相位的速度，同時各單元計算實時功率速度更快，有利于快速感知電網電源與負載的狀態，進行功率匹配控制，提高系統的穩定性。相對交流系統，設備數量明顯減少，集成度更高，高度集成化設計同時降低了系統外部接口的復雜性，有利于艙室布置和電纜布線設計及冷卻系統設計[1-2]。

通常來說，推進負載是船舶綜合電力系統最大也是最主要的負載，基本上可以占據船舶電站50%～80%以上的用電功率。為了防止船舶電站運行過程中出現發電機組過載運行，或者因某臺發電機組故障跳閘而引起發電機組連續跳閘最終導致船舶黑船失去動力的情況發生，推進變頻器需要具有功率限制功能。在發電機組即將出現過載時，對推進負載進行限制；當出現發電機組跳閘或者嚴重過載時，對推進負載進行快速減載，以保證船舶電網的穩定性和可靠性。傳統的推進負載功率限制功能，采用發電機組負荷率結合發電機組并網開關狀態的方式來進行發電機組負載情況和運行狀態判斷，從而實現功率限制[3-4]。

發電機組并網開關多采用斷路器，其故障跳閘狀態反饋時間稍長，且線纜斷裂或接線松動等情況誤觸發功率限制功能。對于直流電站來說，由于主電網采用的是直流電制，船上所有主要的變流器設備和負載（如發電變頻器、逆變電源、推進變頻器等等）共直流母線，于是，通過直流母線電壓就能夠很好地反映出直流電站的運行狀態和穩定性。通過直流母線電壓表征直流電站的運行狀態和穩定性，無疑為采用直流電站系統的船舶綜合電力系統實現功率限制功能提供了另外的解決方案和途徑。

1 船舶直流電站系統簡介

圖1為某深海裝備綜合試驗船綜合電力系統的拓撲結構，該系統采用直流電站技術，所有供配電設備共用直流母線。整個直流電站系統由異步發電機組、逆變電源、主推變頻器，以及側推變頻器、甲板機械電源和電力電子開關等主要電力變換設備組成，而且所有電力變換設備均集中布置于直流配電板內，設備集成度較高。

直流主配電板左、右舷各有1臺主推變頻器，主推變頻器采用12相H橋式拓撲結構，SVPWM調制策略，并采用載波移相、諧波注入等振動噪聲控制算法，2臺變頻器分別驅動1臺12相永磁推進電機。

圖1 某試驗船直流電站系統拓撲

2 功率限制策略

功率限制策略通過直流母線電壓結合發電機組最大負荷率來表征船舶電網的運行狀態，從而對推進負載進行動態調整和限制，以實現推進負載與船舶電網的協調控制。

功率限制功能分為動態功率限制和快速功率限制。動態功率限制：推進變頻器實時采集發電機組的運行狀態和機組負荷率等數據，船舶正常運行過程中，當在網運行發電機組最大負荷率達到0.9時，對推進負載功率進行限制，不再跟隨車鐘指令繼續增加；當最大機組負荷率低于0.85時，推進負載功率不再受限制，跟隨車鐘指令運行。快速功率限制：推進變頻器實時采集直流母線電壓和發電機組負荷率等數據，當發電機組負荷率大于1.05或者直流母線電壓瞬時值以及變化率超出動作閾值時，快速減小推進變頻器的輸出功率限制值，以限制推進負載功率，保持一段時間后逐漸增大推進變頻器的輸出功率限制值直至觸發動態功率限制。

3 試驗驗證

在實船系統進行試驗驗證，發電機組G2和G3并聯運行，左、右舷推進變頻器負載功率各約2MW，突然將發電機組G2急停故障停機。直流母線電壓（CH1通道）和推進變頻器輸出電流（CH3通道）波形如圖2所示。

圖2 推進負載功率限制過程波形

由圖2可以看出，發電機組G2突然故障跳閘后，推進變頻器輸出電流在約90 ms的時間里快速下降至額定負載電流的3%左右，保持運行5 s后，輸出電流即推進負載功率逐漸上升至發電機組G3負荷率達到0.9后不再增加。

實船驗證該功率限制策略可以實現推進負載與船舶電網的協同控制，避免因負載功率突變或電網結構突變所引起的船舶電網震蕩和失穩。

4 結論

推進變頻器功率限制功能可以防止船舶電站運行過程中出現發電機組過載運行，或者因某臺發電機組突然故障跳閘而引起的船舶黑船失去動力的情況。對于直流電站，船上變流器設備和負載共直流母線，于是，通過直流母線電壓就可以表征直流電站的運行狀態和穩定性，這為采用直流電站系統的船舶綜合電力系統實現功率限制功能提供了另外的解決方案和途徑。

本文提供的功率限制功能實現方案，通過實船應用進行驗證后發現可以很好的實現船舶運行過程中推進負載的動態功率限制和快速功率限制，且響應速度優于進口設備技術水平（170 ms），具有非常好的實際應用價值。

[1] 楊光，牟照欣等. 船舶直流組網電力推進技術發展優勢[J]. 艦船科學技術，2017(13)：8-14.

[2] 徐碩，烏云翔等. 船用直流組網技術比較[J]. 艦船科學技術，2016，38(13)：60-63.

[3] 林云峰，付立軍，夏立，肖雄波.艦船推進負載管理技術研究現狀和發展趨勢[J]. 艦船科學技術，2019，41（09）：1-5.

[4] 謝文輝.艦船電力推進系統的變頻功率限制研究[J]. 艦船科學技術，2018，40（24）：67-69.

Application of power limit control strategy in ship DC station

Gao Qiuling1, Yang KunXu2, Chen Kun2

(1. CNOOC Safety & Technology Services Co., Ltd. Tianjin 300450, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U665.1

A

1003-4862（2023）10-0030-03

2022-08-12

高秋玲（1982-），女，工程師。研究方向：船舶電氣，石油天然氣管道施工與技術。E-mail: quinn_study@163.com