功率限制策略在船舶直流電站中的應(yīng)用

高秋玲，楊坤旭，陳 坤

應(yīng)用研究

功率限制策略在船舶直流電站中的應(yīng)用

高秋玲1，楊坤旭2，陳 坤2

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

作為船舶綜合電力系統(tǒng)最大也是最主要的用電負(fù)荷，推進(jìn)負(fù)載直接連接在船舶電網(wǎng)主回路上，其負(fù)載的突變或者發(fā)電機(jī)組突然故障跳閘等引起的船舶電網(wǎng)結(jié)構(gòu)突變均可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組過載運(yùn)行、船舶電網(wǎng)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(jié)合機(jī)組負(fù)荷率來表征船舶電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)負(fù)載功率限制的方法。從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)負(fù)載與船舶電站協(xié)調(diào)控制，確保直流電站綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。經(jīng)過實(shí)船應(yīng)用驗證后發(fā)現(xiàn)，該功率限制方法可以在負(fù)載突變或者電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變時快速地對推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)推進(jìn)負(fù)載與船舶電網(wǎng)的協(xié)同控制，可以保證船舶電站的穩(wěn)定性和可靠性。

功率限制 推進(jìn)變頻器 直流電站

0 引言

近些年，船舶電力推進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展，其中直流組網(wǎng)技術(shù)突飛猛進(jìn)，儼然已經(jīng)成為了一個新的風(fēng)口。直流電站的主電網(wǎng)采用直流電制，直流配電電網(wǎng)只關(guān)注直流母線電壓，對原動機(jī)并沒有恒頻運(yùn)行的需求，于是可以突破頻率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，在發(fā)電變頻器的作用下可以采用變速發(fā)電等比較前沿的技術(shù)降低原動機(jī)單位油耗。而且可以選用高速發(fā)電機(jī)組，降低發(fā)電系統(tǒng)體積和重量，以及通過進(jìn)行發(fā)電機(jī)組變速規(guī)避某些共振點(diǎn)。直流配電系統(tǒng)電參數(shù)只需關(guān)注直流母線電壓，控制更為簡單，使多機(jī)組系統(tǒng)并網(wǎng)速度更快，動力響應(yīng)更快。直流系統(tǒng)采集主電網(wǎng)電壓的速度快于交流系統(tǒng)采集頻率、相位的速度，同時各單元計算實(shí)時功率速度更快，有利于快速感知電網(wǎng)電源與負(fù)載的狀態(tài)，進(jìn)行功率匹配控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相對交流系統(tǒng)，設(shè)備數(shù)量明顯減少，集成度更高，高度集成化設(shè)計同時降低了系統(tǒng)外部接口的復(fù)雜性，有利于艙室布置和電纜布線設(shè)計及冷卻系統(tǒng)設(shè)計[1-2]。

通常來說，推進(jìn)負(fù)載是船舶綜合電力系統(tǒng)最大也是最主要的負(fù)載，基本上可以占據(jù)船舶電站50%～80%以上的用電功率。為了防止船舶電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組過載運(yùn)行，或者因某臺發(fā)電機(jī)組故障跳閘而引起發(fā)電機(jī)組連續(xù)跳閘最終導(dǎo)致船舶黑船失去動力的情況發(fā)生，推進(jìn)變頻器需要具有功率限制功能。在發(fā)電機(jī)組即將出現(xiàn)過載時，對推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行限制；當(dāng)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組跳閘或者嚴(yán)重過載時，對推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行快速減載，以保證船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。傳統(tǒng)的推進(jìn)負(fù)載功率限制功能，采用發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率結(jié)合發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)開關(guān)狀態(tài)的方式來進(jìn)行發(fā)電機(jī)組負(fù)載情況和運(yùn)行狀態(tài)判斷，從而實(shí)現(xiàn)功率限制[3-4]。

發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)開關(guān)多采用斷路器，其故障跳閘狀態(tài)反饋時間稍長，且線纜斷裂或接線松動等情況誤觸發(fā)功率限制功能。對于直流電站來說，由于主電網(wǎng)采用的是直流電制，船上所有主要的變流器設(shè)備和負(fù)載（如發(fā)電變頻器、逆變電源、推進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定性。通過直流母線電壓表征直流電站的運(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定性，無疑為采用直流電站系統(tǒng)的船舶綜合電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)簡介

圖1為某深海裝備綜合試驗船綜合電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)采用直流電站技術(shù)，所有供配電設(shè)備共用直流母線。整個直流電站系統(tǒng)由異步發(fā)電機(jī)組、逆變電源、主推變頻器，以及側(cè)推變頻器、甲板機(jī)械電源和電力電子開關(guān)等主要電力變換設(shè)備組成，而且所有電力變換設(shè)備均集中布置于直流配電板內(nèi)，設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，SVPWM調(diào)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(qū)動1臺12相永磁推進(jìn)電機(jī)。

圖1 某試驗船直流電站系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2 功率限制策略

功率限制策略通過直流母線電壓結(jié)合發(fā)電機(jī)組最大負(fù)荷率來表征船舶電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，從而對推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行動態(tài)調(diào)整和限制，以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)負(fù)載與船舶電網(wǎng)的協(xié)調(diào)控制。

功率限制功能分為動態(tài)功率限制和快速功率限制。動態(tài)功率限制：推進(jìn)變頻器實(shí)時采集發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和機(jī)組負(fù)荷率等數(shù)據(jù)，船舶正常運(yùn)行過程中，當(dāng)在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組最大負(fù)荷率達(dá)到0.9時，對推進(jìn)負(fù)載功率進(jìn)行限制，不再跟隨車鐘指令繼續(xù)增加；當(dāng)最大機(jī)組負(fù)荷率低于0.85時，推進(jìn)負(fù)載功率不再受限制，跟隨車鐘指令運(yùn)行?？焖俟β氏拗疲和七M(jìn)變頻器實(shí)時采集直流母線電壓和發(fā)電機(jī)組負(fù)荷率等數(shù)據(jù)，當(dāng)發(fā)電機(jī)組負(fù)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(jìn)變頻器的輸出功率限制值，以限制推進(jìn)負(fù)載功率，保持一段時間后逐漸增大推進(jìn)變頻器的輸出功率限制值直至觸發(fā)動態(tài)功率限制。

3 試驗驗證

在實(shí)船系統(tǒng)進(jìn)行試驗驗證，發(fā)電機(jī)組G2和G3并聯(lián)運(yùn)行，左、右舷推進(jìn)變頻器負(fù)載功率各約2MW，突然將發(fā)電機(jī)組G2急停故障停機(jī)。直流母線電壓（CH1通道）和推進(jìn)變頻器輸出電流（CH3通道）波形如圖2所示。

圖2 推進(jìn)負(fù)載功率限制過程波形

由圖2可以看出，發(fā)電機(jī)組G2突然故障跳閘后，推進(jìn)變頻器輸出電流在約90 ms的時間里快速下降至額定負(fù)載電流的3%左右，保持運(yùn)行5 s后，輸出電流即推進(jìn)負(fù)載功率逐漸上升至發(fā)電機(jī)組G3負(fù)荷率達(dá)到0.9后不再增加。

實(shí)船驗證該功率限制策略可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)負(fù)載與船舶電網(wǎng)的協(xié)同控制，避免因負(fù)載功率突變或電網(wǎng)結(jié)構(gòu)突變所引起的船舶電網(wǎng)震蕩和失穩(wěn)。

4 結(jié)論

推進(jìn)變頻器功率限制功能可以防止船舶電站運(yùn)行過程中出現(xiàn)發(fā)電機(jī)組過載運(yùn)行，或者因某臺發(fā)電機(jī)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(shè)備和負(fù)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(yùn)行狀態(tài)和穩(wěn)定性，這為采用直流電站系統(tǒng)的船舶綜合電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)方案，通過實(shí)船應(yīng)用進(jìn)行驗證后發(fā)現(xiàn)可以很好的實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)行過程中推進(jìn)負(fù)載的動態(tài)功率限制和快速功率限制，且響應(yīng)速度優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備技術(shù)水平（170 ms），具有非常好的實(shí)際應(yīng)用價值。

[1] 楊光，牟照欣等. 船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2017(13)：8-14.

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

[3] 林云峰，付立軍，夏立，肖雄波.艦船推進(jìn)負(fù)載管理技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2019，41（09）：1-5.

[4] 謝文輝.艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的變頻功率限制研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，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(shù)。E-mail: quinn_study@163.com