電力推進(jìn)船舶功率計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

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電力推進(jìn)船舶功率計(jì)算模塊的設(shè)計(jì)

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

摘 要：隨著電力推進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，不同特性的電力負(fù)載在起動(dòng)運(yùn)行時(shí)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定造成一定沖擊，引起電網(wǎng)電壓不平衡，從而給負(fù)載功率需求計(jì)算帶來困難。本文針對(duì)上述問題，依據(jù)軟件鎖相環(huán)設(shè)計(jì)了負(fù)載功率計(jì)算模塊，并構(gòu)建簡(jiǎn)化的船舶電網(wǎng)仿真模型，模擬負(fù)載在電網(wǎng)電壓三相不平衡情況下功率計(jì)算，來驗(yàn)證功率計(jì)算模塊的性能。結(jié)果表明該模塊能夠快速、準(zhǔn)確地計(jì)算負(fù)載所需實(shí)際功率，為電力推進(jìn)船舶能量管理功率控制策略提供精確數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn) 功率計(jì)算 電壓不平衡 解耦軟件鎖相環(huán) 仿真

0 引言

相對(duì)于傳統(tǒng)推進(jìn)，電力推進(jìn)船舶在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)上更為復(fù)雜，電網(wǎng)容量更大，電力負(fù)載更多，運(yùn)行在不同工況時(shí)，負(fù)載的投切都會(huì)造成電網(wǎng)不對(duì)稱運(yùn)行。在電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)， 三相電網(wǎng)電壓中包括正序、負(fù)序和零序電壓。目前，船舶監(jiān)控中大多采用互感器來采集負(fù)載電壓電流來計(jì)算負(fù)載功率，此時(shí)計(jì)算的功率并不能反映負(fù)載實(shí)際所需功率，從而導(dǎo)致能量管理系統(tǒng)不能準(zhǔn)確的執(zhí)行負(fù)載功率限制、發(fā)電機(jī)組的投入等控制策略，影響能量管理系統(tǒng)的控制性能。

能量管理系統(tǒng)作為電力推進(jìn)船舶管理中心，負(fù)責(zé)電能產(chǎn)生、調(diào)度、分配；負(fù)載運(yùn)行監(jiān)控管理。對(duì)于負(fù)載的控制，需要采集包括負(fù)載功率、斷路器開關(guān)信號(hào)。功率計(jì)算模塊則能為能量管理系統(tǒng)精確地提供上述負(fù)載信息。該模塊主要通過的負(fù)載電壓電流、斷路器開關(guān)信號(hào)的采集，通過自身計(jì)算功能得出負(fù)載實(shí)時(shí)功率值，并通過網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸給能量管理系統(tǒng)。對(duì)于三相平衡電網(wǎng)電壓信號(hào)，常用采用鎖相環(huán)的功率計(jì)算模塊能夠準(zhǔn)確而快速的檢測(cè)出負(fù)載電壓幅值、相位和頻率[1]，進(jìn)而得出功率值；而在三相電網(wǎng)不平衡情況下，負(fù)載電壓正序分量的幅值和相位均含有一定諧波，不能檢測(cè)出負(fù)載的功率值。針對(duì)不平衡電網(wǎng)，采用雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)（DDSRF-SPLL）方案設(shè)計(jì)功率計(jì)算模塊，建立簡(jiǎn)化的船舶電網(wǎng)系統(tǒng)及功率計(jì)算模塊模型，針對(duì)三相電網(wǎng)不同變化情況，對(duì)比分析模塊功率計(jì)算，驗(yàn)證該模塊設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

1 不平衡電網(wǎng)分析

當(dāng)船舶電網(wǎng)電壓三相不平衡時(shí)[2]，可將三相電壓表示為式（1）：

其中，上標(biāo)中的“+1”、“-1”、“0”分別表示正序、負(fù)序和零序。

因存在負(fù)序分量，使得電壓矢量的幅值和頻率不再恒定，因此無法準(zhǔn)確計(jì)算出負(fù)載功率值。采用雙同步坐標(biāo)系的解耦軟件鎖相環(huán)（DDSRF-SPLL）[3-4]方案，分別將正序分量、負(fù)序分量固定到正序dq+1坐標(biāo)系和負(fù)序dq-1坐標(biāo)系上，如圖1所示。

圖1 雙同步坐標(biāo)系中的電壓矢量

2 雙同步坐標(biāo)系解耦實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上述原理建立解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)原理框圖[5]，如圖2 所示。

圖2 解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)原理框圖

3 仿真及結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的功率計(jì)算模塊的可行性，在MATLAB/Simulink中搭建簡(jiǎn)化的仿真模塊，三相電網(wǎng)電壓為25 kV，頻率為60 Hz，三相并聯(lián)負(fù)載（RC）有功功率為5 MW，容性無功功率為5 MW。分別對(duì)三相電網(wǎng)平衡條件下電壓跌落20%、頻率跌落10%以及三相電網(wǎng)不平衡情況功率計(jì)算進(jìn)行仿真研究。

圖3 電壓跌落情況下功率計(jì)算模塊波形

圖4 頻率跌落情況下功率計(jì)算模塊波形

如圖3、圖4所示，在三相對(duì)稱情況下，無論是電網(wǎng)電壓還是頻率的突變，計(jì)算模塊都能很好地對(duì)電網(wǎng)相角進(jìn)行鎖相，頻率和功率在突變后很短時(shí)間內(nèi)邊進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

由圖5可知，在三相電網(wǎng)A相短路情況下，電網(wǎng)頻率出現(xiàn)短暫波動(dòng)，負(fù)載功率值也下降，并都在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值。

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)原理設(shè)計(jì)的計(jì)算模塊能夠在三相電網(wǎng)平衡和不平衡情況下快速、實(shí)時(shí)的計(jì)算負(fù)載功率，滿足船舶實(shí)時(shí)性控制要求。

4 結(jié)語

電力推進(jìn)船舶的下層控制實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性將直接影響到船舶運(yùn)行性能。本文依據(jù)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)原理來設(shè)計(jì)負(fù)載功率計(jì)算模塊，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模塊無論是在電壓、頻率突變的情況下，還是在電壓不平衡的情況下，+都能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確的計(jì)算負(fù)載功率。驗(yàn)證了該模塊設(shè)計(jì)的正確性、實(shí)用性。

圖5 三相不平衡情況下功率計(jì)算模塊波形

參考文獻(xiàn)：

[1]林百娟.三相電壓不平衡條件下鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].呼和浩特市:內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),2009.

[2]張興,張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.2:422.

[3]Pedro Rodriguze,Josep Pou Joan Bergas.Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL for Power Converters Control [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2000,22(2):584-592.

[4]Rodriguze P,Bergas J.Decoupled double sysnchronous reference frame PLL for power converters control[J].IEEE Transaction Power Electronics,2000,22(2):584-592.

[5]王顥雄,馬偉明,肖飛等.雙dq變換軟件鎖相環(huán)的數(shù)學(xué)模型研究.電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(7):237-241.

[6]Malinnowski M S.Senesorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifier[D].Warsaw University of Technology.Ph.D.Thesis,2001.

Design of Power Calculation Module for an Electric Propulsion Ship

Gu Xuechen
(Naval Representatives Office in Shipbuilding of Ship Design Research in Shanghai,Shanghai 200011,China)

Abstract:With electric propulsion technology widely used,the electrical load with different characteristics could cause some impact on grid stability in the starting runtime,cause the grid voltage unbalance,and make it difficult to calculate the load power demand.Aimed at the above problems,load power calculation module is designed according to SPLL,and a simplified simulation model of ship power system is constructed to simulate and calculate load power at grid voltage phase imbalance situation to verify the performance of the power calculation module.The results show that the module is able to quickly and accurately calculate the actual power required by the load.It may provide accurate data for the energy management of electric propulsion ship power control strategy.

Keywords:electric propulsion; power calculation; voltage imbalance; decoupling SPLL; simulation

作者簡(jiǎn)介：顧雪晨（1981-），男。研究方向：電力系統(tǒng)。

收稿日期：2015-10-29

中圖分類號(hào)：TP271

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-0018-04