大功率平臺電站斷電保護(hù)策略研究

毛亞洲，俞孟蕻

（江蘇科技大學(xué)江蘇鎮(zhèn)江212000）

在現(xiàn)代海洋船舶中，絕大部分船只采用全電力推進(jìn)，船上其他生產(chǎn)運輸工具也采用電力驅(qū)動。如果船舶斷電，船舶不僅會失去推進(jìn)動力和方向，而且船舶上的泊位系統(tǒng)、起重機(jī)、裝載臂、雷達(dá)也將會遭受損害。因此，船舶斷電是一場嚴(yán)重的事故，必須積極預(yù)防。

本文以1 500米作業(yè)水深鉆井船為研究對象。其工作原理類似于我們平時打井，區(qū)別在于海底鉆井要考慮到海水的壓力等因素。鉆井船對某一區(qū)域進(jìn)行勘測之后，需要先用隔水套管在外圍將四周括起來，確保與海水隔開，隨后在隔水套管內(nèi)，將鉆柱下入海底，同水龍頭、絞盤、鉆頭等裝置配合進(jìn)行鉆探。鉆井完成后還要使用防噴器，在海平面隔水套管頂端進(jìn)行封井，以防止井內(nèi)壓力過大造成原油泄漏。因此，鉆井船上有頂驅(qū)、泥漿泵、絞盤、絞車等大功率鉆井裝置。這些鉆井裝置全部采用電力驅(qū)動，電力驅(qū)動在帶來巨大方便的同時，也增加了鉆井船的電站的裝機(jī)功率和斷電風(fēng)險。

針對鉆井船這種大功率平臺電站，目前預(yù)防斷電的辦法有：基于可用功率的分級卸載、基于頻率的減負(fù)載、基于事件式快速減負(fù)載、頻率相位反饋減負(fù)載等?；诳捎霉β实姆旨壭遁d，主要缺點：當(dāng)有許多負(fù)載需要用時卸去時，很難準(zhǔn)確預(yù)測這些負(fù)載的行為；基于事件式快速減負(fù)載，存在的主要的問題是通訊延時；頻率相位反饋減負(fù)載存在主要問題是假斷電偵測較高。因此在這些方法的基礎(chǔ)上，本文以1 500米作業(yè)水深鉆井船為研究對象，分析電力系統(tǒng)組成、斷電原因和斷電動態(tài)過程，提出一種新的方法，實現(xiàn)斷電保護(hù)。

1 1500米作業(yè)水深鉆井船電力系統(tǒng)

1500米作業(yè)水深鉆井船電力系統(tǒng)是一個海上移動的孤立電力系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)和運行工況滿足海洋 環(huán)境的要求，其電力系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 1500米作業(yè)水深鉆井船電力系統(tǒng)

從圖1可以看出，1 500米作業(yè)水深鉆井船采用單主站交流電力系統(tǒng)，并且具有ABS-R2冗余程度。其組成大致分為以下3部分：

1）發(fā)電單元。發(fā)電單元采用5臺2 580 kW/6 600 V/60 Hz柴油發(fā)電機(jī)組，總發(fā)電量的額定值為12.9 MW。

2）配電單元。由于該鉆井船裝機(jī)功率較大，為降低負(fù)載電流和短路電流等級，保證船舶安全，主母線采用中壓6 600 V供電。主母線分成兩段，其中一段連接兩臺柴油發(fā)電機(jī)組，另外一段連接3臺柴油發(fā)電機(jī)組。在推進(jìn)模式下，兩段主母線連接形成一段母線，為功率管理系統(tǒng)提供靈活的功率分配。在正常鉆探模式下，兩段主母線分開工作，單點故障發(fā)生時，不會影響另一條母線工作，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3）電氣負(fù)載。鉆井船中壓母線上的負(fù)載有兩臺額定功率為2.3 MW的推進(jìn)器，4個額定功率為0.8 MW的絞盤，4臺額定功率為0.8 MW的絞車；4臺額定功率為1.8 MW的泥漿泵。鉆井船低壓母線上的負(fù)載種類很多，大致可以分成：生活電器、駕駛設(shè)備、照明設(shè)備、鉆井輔助設(shè)備、通訊設(shè)備等。

2 斷電原因分析

像鉆井船這種大功率平臺電站的斷電原因有很多，大致可以分成以下兩種狀況：

當(dāng)鉆井船兩段母線合并成一段主母線時（即圖1中中壓母聯(lián)開關(guān)閉合），鉆井船斷電原因如下：

1）5臺發(fā)電機(jī)中有一臺發(fā)電機(jī)過電壓或勵磁故障，其它在運行的發(fā)電機(jī)因過壓保護(hù)而跳閘。

2）鉆井船上如有一臺發(fā)電機(jī)超速，其余多臺發(fā)電機(jī)跳閘。

3）負(fù)載分配嚴(yán)重失衡導(dǎo)致一臺發(fā)電機(jī)過電流，其余發(fā)電機(jī)因頻率和電壓過低而跳閘。

4）鉆井負(fù)載產(chǎn)生大量逆功率或過頻，多臺發(fā)電機(jī)因逆功率保護(hù)而跳閘。

當(dāng)兩段主母線斷開工作時（即圖1中中壓母聯(lián)開關(guān)斷開），以下幾種情況可能造成船舶斷電：

1）當(dāng)電力推進(jìn)和其他鉆井負(fù)載連接到現(xiàn)有母線上時，電站過載。

2）兩個主母線連接開關(guān)閉合時，發(fā)電機(jī)不同步，發(fā)電機(jī)因過流而跳閘。

3）一個特定的輔助系統(tǒng)配置錯誤導(dǎo)致船舶停電。

4）從一段母線自動切換到另外一段母線時，斷電故障會轉(zhuǎn)移到新母線導(dǎo)致船舶停電。

3 基于觀測器的快速減負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計

現(xiàn)有的斷電預(yù)防策略—頻率相位反饋系統(tǒng)，其主要優(yōu)點是沒有數(shù)據(jù)傳輸和計算的延遲，每個推進(jìn)器的PLC檢測電網(wǎng)中的頻率，一旦發(fā)現(xiàn)頻率下降，立即采取保護(hù)措施。但任何情況引起的頻率下降（f＜fFLR）都會觸發(fā)快速減負(fù)載系統(tǒng)工作。如果頻率下降的原因不是由發(fā)電機(jī)故障引起的，快速減負(fù)載系統(tǒng)的觸發(fā)就是假斷電偵測。假斷電偵測，會增加推進(jìn)電機(jī)的磨損率，假斷電偵測次數(shù)越多，推進(jìn)電機(jī)的磨損率越高。因此，本文設(shè)計了一種基于觀測器的快速減負(fù)載系統(tǒng)。

3.1 發(fā)電機(jī)組的控制模型

發(fā)電機(jī)組的平均加速度運動方程如式（1）、（2）所示：

在式（1）、（2）中：ωg是發(fā)電機(jī)組的平均轉(zhuǎn)子角速度；ω0g是額定速度；Qmg是機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Qeg是電磁轉(zhuǎn)矩；Qdg是阻尼轉(zhuǎn)矩（Qmg、Qeg、Qdg都是標(biāo)幺值）；是系統(tǒng)慣性時間常數(shù)；是經(jīng)摩擦和阻尼后的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

3.2 斷電偵測的主要思想

文中采用了一個新的算法來實現(xiàn)船舶的斷電預(yù)防。該算法檢測電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)主開關(guān)狀態(tài)，一旦檢測到發(fā)電機(jī)主開關(guān)處于斷開狀態(tài)，立刻觸發(fā)快速減負(fù)載系統(tǒng)，卸去發(fā)電機(jī)上多余負(fù)載，避免電網(wǎng)進(jìn)一步斷電。

對發(fā)電機(jī)主開關(guān)狀態(tài)快速偵測，是通過比較電網(wǎng)中電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)的。盡管總的機(jī)械轉(zhuǎn)矩?zé)o法直接測量，但是可以通過狀態(tài)觀測器進(jìn)行估測。由于機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電網(wǎng)的平均加速度ω成比例，因此，該算法的斷電偵測的速度可以顯著地提高。

斷電預(yù)測算法將轉(zhuǎn)矩波動與預(yù)先設(shè)定的門限值比較，如式（3）所示。

當(dāng)轉(zhuǎn)矩波動大于門限值時，表明船舶電網(wǎng)中有一臺發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)解列，此時發(fā)出減負(fù)載信號，快速減負(fù)載系統(tǒng)（FLR）啟動，電網(wǎng)中的負(fù)載減少，從而保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。

該算法的主要特征有：

2）當(dāng)發(fā)電機(jī)主開關(guān)斷開，機(jī)械轉(zhuǎn)矩下降，轉(zhuǎn)矩波動是正的，即如果電磁轉(zhuǎn)矩Qeg突然增大，轉(zhuǎn)矩波動也會是正的，如果柴油機(jī)控制器的負(fù)載增加率設(shè)置準(zhǔn)確，這種情況是不可能發(fā)生的。

3.3 觀測器估測機(jī)械轉(zhuǎn)矩

3.3.1 可行性分析

從式（1）、式（2）發(fā)電機(jī)組控制模型可以看出系統(tǒng)是線性的，可以寫成狀態(tài)方程形式，如式（4）所示：

由式（5）得到系統(tǒng)能觀。因此能夠設(shè)計一個狀態(tài)觀測器，估測電網(wǎng)中正在運行的發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

3.3.2 龍伯格觀測器設(shè)計

機(jī)械轉(zhuǎn)矩是通過觀測器估計的，它與電網(wǎng)的頻率ωg和電磁轉(zhuǎn)矩Qeg有關(guān)。龍伯格觀測器通過對誤差的反饋來消除狀態(tài)誤差和輸出誤差，其狀態(tài)模型如式（6）所示。

根據(jù)龍伯格觀測器的狀態(tài)模型和發(fā)電機(jī)的控制模型，可估測電網(wǎng)中正在運行的發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，如式（7）所示：

在式（7）中，Qeg是系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩，是經(jīng)摩擦和阻尼后估計的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。L=(l1g,l2g)T是觀測器增益，是偏差的加權(quán)。

3.3.3 滑模觀測器設(shè)計

滑模觀測器比龍伯格觀測器具有更好的收斂性，因此滑模觀測器對于輸入端或測量端的突然變化能夠做出快速的響應(yīng)?；Ｓ^測器狀態(tài)模型如式（8）所示：

在式（8）中k1g和k2g是滑模觀測器增益。

4 實驗結(jié)果

以1 500米作業(yè)水深鉆井船為研究對象，用MATLAB建立其電力系統(tǒng)模型，在此模型基礎(chǔ)上研究系統(tǒng)斷電保護(hù)。

圖2表示在50秒時，突然有一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，從電網(wǎng)脫離。在不采取任何保護(hù)措施時，電網(wǎng)中剩余發(fā)電機(jī)組的功率和頻率狀況如圖2所示。

圖2 未保護(hù)時系統(tǒng)功率和頻率圖

從圖2中我們可以看出當(dāng)有發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時，如果不采取任何保護(hù)措施，整個電力系統(tǒng)將會崩潰。

圖3表示在50秒時，突然有一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，從電網(wǎng)脫離。采用基于頻率相位反饋快速減負(fù)載系統(tǒng)時，電網(wǎng)中剩余發(fā)電機(jī)組的功率和頻率狀況。

圖3 頻率相位反饋系統(tǒng)的功率和頻率圖

圖4表示在50秒時，有一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，從電網(wǎng)解列。采用龍伯格觀測器快速減負(fù)載系統(tǒng)時，電網(wǎng)中剩余發(fā)電機(jī)組的功率和頻率狀況如圖4所示。

圖4 基于龍伯格觀測器的系統(tǒng)功率和頻率圖

圖5表示在50秒時，有一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生故障，從電網(wǎng)脫離。采用滑膜狀態(tài)觀測器快速減負(fù)載系統(tǒng)時，電網(wǎng)中剩余發(fā)電機(jī)組的功率和頻率狀況如圖5所示。

圖5 基于滑膜觀測器的系統(tǒng)功率和頻率圖

從圖3、4、5可以看出當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障時，系統(tǒng)采用快速減負(fù)載時，整個船舶能夠?qū)崿F(xiàn)斷電保護(hù)。從圖3中，我們可以發(fā)現(xiàn)基于頻率相位快速反饋系統(tǒng)在系統(tǒng)頻率下降到58 Hz（50.4 s）時，發(fā)出減負(fù)載信號。即當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障后，大約400毫秒，發(fā)出減負(fù)載信號。

當(dāng)采用觀測器時來檢測船舶斷電信號時，門限值qFLR必須正確的設(shè)置，在這里我們?nèi)FLR=0.2Qmg，這意味著轉(zhuǎn)矩變化超過20%將會觸發(fā)快速減負(fù)載系統(tǒng)卸去負(fù)載。從圖4可以看出采用龍伯格觀測器，大約300 ms過后，發(fā)出減負(fù)載信號；從圖5可以看出采用滑模狀態(tài)觀測器，大約150 ms以后，發(fā)出減負(fù)載信號。

5 結(jié)論

將頻率相位快速減負(fù)載系統(tǒng)和基于觀測器的快速減負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)采用基于滑模觀測器的快速減負(fù)載系統(tǒng)，能夠?qū)⒋皵嚯姷膫蓽y速度提高2.5倍。

此外我們可以發(fā)現(xiàn)，采用滑模狀態(tài)觀測器的快速減負(fù)載系統(tǒng)，由于其具有快速的船舶斷電偵測能力，相關(guān)的保護(hù)措施能夠更早的執(zhí)行，與頻率相位快速減負(fù)載系統(tǒng)相比，系統(tǒng)的頻率沖擊縮小一倍。