船舶電力系統(tǒng)斷電預(yù)防控制的研究

宗洪亮，侯四維，董龍龍，楊金節(jié)

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

隨著船舶電力推進(jìn)逐漸顯示出其優(yōu)越性，成為未來船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展方向。與此同時(shí)船舶用電設(shè)備增多，功率的增加，船舶電網(wǎng)的管理變得異常復(fù)雜。相對于陸地上的電網(wǎng)來說，船舶電站容量較小，電網(wǎng)輸電線短，電氣設(shè)備工作環(huán)境惡劣。對于因短路/接地故障、過載等引起的整個(gè)船舶電力系統(tǒng)斷電的情況。由于一些船舶需要在復(fù)雜、多變的海洋環(huán)境中工作，船舶電力系統(tǒng)比陸地電力系統(tǒng)較容易出現(xiàn)一些故障。而常見的船舶電力系統(tǒng)的短路/接地故障、過載、發(fā)電機(jī)組跳閘等故障模式可能會導(dǎo)致一個(gè)整個(gè)的船舶電力系統(tǒng)的停電。不良的電氣系統(tǒng)故障導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)收入損失,嚴(yán)重則會破壞海洋環(huán)境事件的風(fēng)險(xiǎn)，損害行業(yè)公眾輿論。這使得對船舶電力系統(tǒng)保護(hù)和控制方案至關(guān)重要的。本文提出了一種基于觀測器的快速減負(fù)荷系統(tǒng)的技術(shù)來提高對船舶電力系統(tǒng)斷電的預(yù)防控制[3]。

1 斷電風(fēng)險(xiǎn)

1.1 過載

當(dāng)發(fā)電容量低于電力需求時(shí)就會發(fā)生過載，以下幾種情況系統(tǒng)會發(fā)生過載：

1)故障發(fā)電機(jī)上的斷路器是斷開的：由于短路或接地故障，系統(tǒng)負(fù)載被分配到其余在線發(fā)電機(jī)上；

2)發(fā)電機(jī)組長期過載：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)載荷超過它的額定功率Pgi＞Pr,gi≤amax,giPr,gi時(shí)， 發(fā)電機(jī)就會過熱， 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生過量電流，就會增加短路的風(fēng)險(xiǎn)，同樣會增加以后短路和接地故障的傾向。如果原動(dòng)機(jī)的負(fù)載超過建議標(biāo)準(zhǔn)，不久很可能會增加機(jī)械故障率；

3)原動(dòng)機(jī)故障：盡管在合理時(shí)限（預(yù)警報(bào)警）內(nèi)可以預(yù)測到原動(dòng)機(jī)熄火，仍可能會發(fā)生一些意外的故障。式中：Pgi——電機(jī)負(fù)載；

Pr,gi——發(fā)電機(jī)的額定功率

amax,gi——發(fā)電機(jī)最大允許負(fù)荷系數(shù)

Pmax,gi——最大發(fā)電機(jī)額定功率

Pt,g——最大瞬時(shí)載荷

1.2 發(fā)電機(jī)組故障

造成發(fā)電機(jī)組熄火（關(guān)閉）且較難預(yù)測的常見故障類型有：

1）燃油系統(tǒng)故障：燃油管道堵塞，燃油泵故障，超速，冷卻介質(zhì)高溫；

2）控制系統(tǒng)故障：潤滑油低壓錯(cuò)誤顯示，油霧探測器故障，曲柄箱超壓，或者I/O信號的缺失；

3）操作者、人為過失：通常發(fā)生在設(shè)置、發(fā)電機(jī)組整步、負(fù)載均衡，這些情況都有可能使發(fā)動(dòng)機(jī)由于逆功率保護(hù)而被誤動(dòng)。

1.3 斷電的動(dòng)態(tài)過程

發(fā)電機(jī)跳脫的情況中，反應(yīng)時(shí)間是主要的問題。由于斷電時(shí)的快速性，控制系統(tǒng)必須在有限的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，否則會導(dǎo)致斷電的事件發(fā)生后會很快的傳播。

當(dāng)只有少數(shù)幾個(gè)機(jī)組在線，一個(gè)機(jī)組跳脫，Nf=1，會導(dǎo)致其余每個(gè)在線機(jī)組K-1上很大的載荷步，這里每個(gè)發(fā)電機(jī)上的瞬態(tài)載荷通常在Pt,g(k,Nf=1)=1.4Pr,gi至1.8Pr,gi的范圍內(nèi)，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)上的負(fù)載不能超過Pmax,gi(k,Nf=1)=1.15Pr,gi至1.4Pr,gi這個(gè)范圍，所以要在頻率下降到頻率底限之前進(jìn)行減負(fù)荷。

當(dāng)頻率降到小于頻率底限時(shí)，發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)會斷開斷路器，由于并行的發(fā)電機(jī)間存在較高的同步轉(zhuǎn)矩，通常這種情況會同時(shí)發(fā)生在并行的發(fā)電機(jī)上。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)上的負(fù)載大于發(fā)電機(jī)給出的所允許最高負(fù)載時(shí)，油門齒條達(dá)到極限，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩不能再增加。因此，PMS（Power Management System）通常會啟動(dòng)減負(fù)荷系統(tǒng)。因而，減負(fù)荷的可用時(shí)間主要取決于發(fā)電機(jī)組慣性、在線發(fā)電機(jī)組。

2 快速減負(fù)荷系統(tǒng)

2.1 所需減負(fù)載量

關(guān)于所要減少的負(fù)載量，可以用3種主要的方法。

1)減小超出的負(fù)載。故障發(fā)生后，發(fā)動(dòng)機(jī)立即分擔(dān)部分網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，但由于發(fā)動(dòng)機(jī)允許負(fù)載受到限制，超出的負(fù)載必須由減負(fù)荷系統(tǒng)削去；

2)減小全瞬態(tài)加載載荷。發(fā)動(dòng)機(jī)不分擔(dān)任何超出初始故障前負(fù)載的額外負(fù)載，這時(shí)故障后發(fā)動(dòng)機(jī)加載同等于故障前加載，故障清除后，發(fā)動(dòng)機(jī)可以緩慢加載到允許最大負(fù)載；

3)結(jié)合方法一和方法二提出一種新的方法。應(yīng)用方法一和方法二的結(jié)合，可以取得最佳方法，最大化減負(fù)載所需的時(shí)限，本方法可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)加載來選擇。

2.2 快速減負(fù)荷的控制方法

以下是已經(jīng)應(yīng)用于海洋船舶的不同類型的快速減負(fù)荷算法：

1）基于有效功率式卸載：根據(jù)有效功率進(jìn)行卸載，網(wǎng)絡(luò)會分階段斷開不重要的耗載件；

2）基于頻率式卸載：當(dāng)頻率低于臨界值時(shí)發(fā)揮作用。這種控制通常用在路基型裝置的頻率控制上；

3）基于事件式快速減負(fù)荷EB-FLR：當(dāng)保護(hù)繼電器斷開在線發(fā)電機(jī)組的斷路器時(shí)，基于事件的快速減負(fù)荷系統(tǒng)從交換機(jī)傳感器接收到信號；

4）基于頻敏相控追溯系統(tǒng)：快速減負(fù)荷系統(tǒng)以頻率下降為基礎(chǔ)，而系統(tǒng)保護(hù)措施導(dǎo)致頻率下降，由于系統(tǒng)保護(hù)措施將會將故障區(qū)直接隔斷。

文中將提出一個(gè)新的方法，基于觀察器的快速減負(fù)荷系統(tǒng)?；谟^察器的快速減負(fù)荷系統(tǒng)對于反應(yīng)時(shí)間，比現(xiàn)存快速減負(fù)荷控制器執(zhí)行的更快[1-2]。如圖1所示。

圖1 應(yīng)用基于觀察器的快速減負(fù)荷系統(tǒng)Fig.1 Observer-based fast load reduction System

2.3 頻率檢測的方法

全波傅氏測頻算法，其基本思想是假設(shè)被采樣模擬信號是一個(gè)時(shí)間函數(shù)，然后根據(jù)傅氏級數(shù)原理，可求出各次諧波的幅值與初相角，再利用前后兩次求出的初相角，即可求出在一個(gè)測量周期內(nèi)頻率的改變量，進(jìn)而求得系統(tǒng)頻率。首先假設(shè)系統(tǒng)電壓信號僅含基頻分量，系統(tǒng)的額定基頻為f0，采樣頻率為Nf0，系統(tǒng)的實(shí)際頻率為f，f=f0+△f，則電壓信號可表示為：

以上(2)～(4)式，即為頻率測量基本公式。所以只要能夠精確算出時(shí)間間隔T0內(nèi)相角的改變量△φ，就可以得到系統(tǒng)頻率的精確值。

將式(1)離散化，得

當(dāng)△f=f-f0=0 時(shí)，uR=umsinα0，u1=umcosα0即電壓向量的初始相角與其傅氏濾波相角的相角大小相等。分別求出電壓向量相鄰兩周波的初始相角，它們的差即為一周波內(nèi)電壓向量變化的角度△φ，再應(yīng)用公式(4)，即可求出系統(tǒng)頻率。

3 實(shí)例仿真

在全電力推進(jìn)的船舶中，推進(jìn)器由變頻驅(qū)動(dòng)而且在船舶用電設(shè)備中功率偏大，所以本文以某1 500米作業(yè)水深鉆井船為模型，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。其中功率缺額分別為0.1，0.2，0.4時(shí)參考輸入。系統(tǒng)初始運(yùn)行階段，當(dāng)遇到突發(fā)的功率缺額事故時(shí)，為了防止電力系統(tǒng)頻率在事故狀態(tài)下大幅度下降、并保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，通過控制器降低船舶大功率用電設(shè)備功率直至系統(tǒng)頻率恢復(fù)到安全范圍內(nèi)[4]。

3.1 仿真結(jié)果

由圖2～圖4可以看出：功率缺額較小時(shí)，能有效的切削負(fù)荷 使之恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)頻率左右，而功率缺額較大時(shí)，也能是頻率恢復(fù)到安全運(yùn)行的范圍[5-6]。

4 結(jié)論

圖2 功率缺額為0.1時(shí)，頻率恢復(fù)曲線Fig.2 Power shortfall of 0.1,the frequency recovery curve

圖3 功率缺額為0.2時(shí)，頻率恢復(fù)曲線Fig.3 Power shortfall of 0.2,the frequency recovery curve

圖4 功率缺額為0.4時(shí)，頻率回復(fù)曲線Fig.4 Power shortfall of 0.4,the frequency recovery curve

文中給出了一種基于觀測器[7]的快速減負(fù)荷系統(tǒng)的技術(shù)來提高對船舶電力系統(tǒng)斷電的預(yù)防控制。當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)[8]過載、脫鉤等故障時(shí)，通過對頻率的變化的檢測，降低大功率設(shè)備的功率，恢復(fù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定?？梢詼p少由于不良的電氣系統(tǒng)故障導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)收入損失。希望能對實(shí)際的工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

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