LNG發電船微電網的能量管理系統研究

葛啟楨，耿 鵬，黎 曙

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LNG發電船微電網的能量管理系統研究

葛啟楨，耿 鵬，黎 曙

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

LNG發電船是一種使用液化天然氣作為清潔能源的可移動式獨立微電網，在港口使用LNG發電船作為輔助電源，可以大幅降低港口排放。考慮到LNG發電機組的單機最大容量的限制，設計了一種配置了功率補償裝置的微電網單元，可以根據實際需求進行并聯擴容，并有效解決了LNG發電機組負載動態響應的不足。為保證該系統的穩定性以及發電質量的可靠性，建立了一套分層架構的分布式能量管理系統，該系統既具備自主性，又能保持系統的協作性及可擴展性。

LNG發電船 微電網 能量管理系統

0 引言

LNG發電船是一個獨立的、可以實現自我控制、保護和管理的小型移動發配電系統。LNG發電船既可以與港口電網并網運行，為港口電網提供后備電能；也可以脫離港口電網開啟孤島運行模式，直接為港口大型船舶提供電能，輔助船舶進出港航行。船上使用的發電機組采用液化天然氣（LNG）作為燃料，相比傳統柴油發電機組可以大幅降低港口排放。

由于同時具備孤島運行以及并網運行兩種運行方式，其運行和切換需要有一套能量管理系統實現電能的優化調度管理。該能量管理系統不僅具有對船舶電站的監視、控制、保護功能，還將實現船舶電站同岸上電網之間的協調運行，使得本船電站能在能量管理系統的管理下滿足各種工況的運行要求。

1 系統原理

1.1 系統需求

LNG發電船電氣系統是一個綜合的系統，在發配電方面，如船舶發電、中壓配電技術，與傳統的采用綜合電力系統的船舶相似；在對外輸電方面，如對外接口、通信聯絡等技術，與港口的岸電系統相似。在LNG發電船電氣系統設計過程中，既要考慮船舶電氣系統的要求，也要適應對不同供電對象的特點，比如不同電制要求或者不同電壓等級的需求。

1.2 LNG發電船能量管理系統功能構成

能量管理系統根據功率的實時需求對每套發電單元及受電系統（岸上電網或用電船舶）進行監控，并協調各發電單元的工作，同時可以對供電系統進行故障報警和處理，為受電系統（岸上電網或用電船舶）提供可靠、穩定及優化配置的電力能源。在供電系統出現故障時，能量管理系統會采取各種措施，盡可能保證連續供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

而且，每套發電單元配置獨立的管理模塊，為發電單元提供保護。匯流排與發電單元的電壓和頻率等參數均獨立監測，且具備外部調節接口。任意一套保護和管理模塊故障不會影響整個電網的正常運行，并提供發電單元電氣參數顯示、檢測，對發電單元提供必要的報警及保護功能。

2 系統架構

2.1 LNG發電船電氣系統架構

現有LNG發電機組受到燃料燃燒效率、技術水平等因素的限制，單機容量無法有效提升。為滿足港口電力需求，同時考慮船舶建造以及發電單元成本因素，設計了以單條LNG發電船為一個微電網[1]，每個微電網由3臺發電機組、電網補償裝置設備以及相關配電設備組成，以此作為一個獨立發電單元。單個發電單元供電能力不足時，通過多發電單元并聯可提升發電容量，如圖1所示。該方式可以提升發電系統的可擴展性，根據實際需求調用合適數量的發電單元進行工作，避免了使用單個大容量發電單元所造成不必要的冗余。

2.2 LNG發電船能量管理系統架構

為了使LNG發電船并網發電系統內的各個發電單元既具備自主性，可以在孤島運行模式下進行獨立發電，又能保持協作性和系統的可擴展性，在任意多個發電單元并聯運行時可以綜合協調控制[2]。本能量管理系統采用分層的控制結構型式，即將部分控制權獨立分配給發電系統內的各發電單元，由各發電單元根據并網控制器的調度指令自治運行的分布式協調控制方式[3]。同時，各發電單元也將部分控制權分配給微電網的各電源控制器，各電源控制器根據微電網功率控制器的控制指令進行發電管理。

整套能量管理系統為樹狀結構，可分為調度層能量管理系統和電站層能量管理系統。

圖1 LNG發電船電氣結構單線圖

圖2 能量管理系統結構示意圖

2.2.1 調度層能量管理系統

調度層能量管理系統包含通訊模塊、功率調度模塊、監測和報警模塊、人機交互模塊。

1) 通訊模塊負責本船電氣系統與受電船或岸電系統的聯絡通訊，接受岸電的調度指令并返回本站的狀態；

2) 功率調度模塊根據岸電調度指令對功率進行分配并指定給各個發電單元的功率管理模塊，同時根據調度指令直接控制輸出柜斷路器、主變壓器斷路器及中壓母線的母聯開關；

3) 監測和報警模塊能夠完成全船設備和電氣系統的監測和報警，并配合完成中壓母線的選擇性保護；

4) 人機交互模塊提供人機交互接口，為操作人員提供控制、監測和管理功能。

2.2.2 電站層能量管理系統

電站層能量管理系統由多個并行的功率管理單元組成。功率管理單元包含通信模塊、功率控制模塊和機組控制模塊。

1) 通信模塊接受調度層能量管理單元的電壓、頻率、有功、無功指令并反饋本單元內各個設備的工作狀態；

2) 功率控制模塊收集本單元內各設備的運行狀態，控制各設備的運行；

3) 機組控制模塊主要包括并網保護單元，機組調速器和勵磁調節器。實現了機組的投入和切斷控制，并提供所需的機組保護功能。

該控制系統的優點是有很強的擴展性，每個功率管理單元可以單獨完成對本地電站的功率管理控制，可以作為一個整體單元接入高一級別的系統中。

3 系統穩定控制策略

3.1 孤島發電運行模式

LNG發電機組與柴油發電機組的區別在于，前者存在功率響應速度比柴油發電機組更慢的問題，當負載功率突加時無法較快跟隨負載功率變化，會導致母線電壓和頻率失衡。

根據同步發電機電磁轉矩與輸出功率的關系式

在保證發電頻率恒定的情況下，輸出功率與電磁轉矩成正比。

根據同步發電機電壓平衡的簡化方程式

為提升LNG發電機組的動態特性，在LNG發電船微電網母線側，加入了功率補償裝置，建立頻率和電壓的雙閉環，頻率外環通過向母線補償有功功率維持頻率穩定，電壓內環通過向母線補償無功電流維持母線電壓恒定。

仿真結果如圖3所示。

2 s時刻突加50%負載，5 s時刻再突加30%負載，8 s時刻突加20%負載，10 s時刻突卸50%負載。實線表示有功率補償的發電機組響應曲線，虛線是無功率補償情況下的發電機組響應。

可以看出，有功率補償后，突加突卸負載時發電機出口端電壓和機組轉速沖擊有所緩解，通過合適的補償可以達到一般柴油發電機組的要求，彌補LNG機組響應慢的缺點。

圖3 負載變化時發電機組的功率、電壓和轉速響應

3.2 并網發電運行模式

此模式下，LNG發電船主要工作在與港口陸上電網并聯供電，或者是多條LNG發電船并聯供電工況。

根據受電系統的功率需求，經過分配計算后，調度層能量管理系統向電站層能量管理系統的發出電壓幅值、頻率設定值等控制指令。各發電單元的LNG發電機組并網由電站層能量管理系統的各自功率管理單元輔助完成。

同受電系統并網由調度層功率管理系統輔助完成，整個并網過程可分為并網準備、并網問詢、自動并網三個步驟。

1) 并網準備：根據受電系統發送的功率需求，經過分配計算后，判斷是否需要閉合中壓母聯開關，并向電站層能量管理系統的各發電單元發出電壓幅值、頻率設定值等控制指令。同時監測控制中壓母線電壓幅值、頻率、相位等信號是否滿足并網條件。

2) 并網問詢：發出準備并網信號，等待受電系統并網指令。

3) 自動并網：自動準同期并列裝置采集并網點受電系統和供電系統的電壓頻率、幅值和相位信息，自動捕捉時機并網。

并網完成后，具備有功功率自動分配功能。保證任意發電機組長期并聯運行時有功分配差度滿足要求。

4 總結

調度層能量管理系統根據受電系統的用電需求，實現對各發電單元的供電模式選擇及功率調度分配，并協調各發電單元的工作，使各發電機組有功分配差度滿足系統要求，為受電系統提供可靠、穩定及優化配置的電力能源。

電站層能量管理系統具體實現對各發電單元的控制，完成供電模式選擇，控制各發電機組的投切及功率輸出。而且，電站層能量管理系統中，每個發電單元的功率管理單元功能獨立，可以作為一個整體單元接入高一級別的系統中，具有很強的擴展性。

調度層能量管理系統和電站層能量管理系統相互配合、各有分工，構成功能完全的全船能量管理系統，實現對全船設備和電氣系統的監測、報警，并實現相應的保護，及全船電力系統的選擇性保護。

[1] 魯宗相，王彩霞等. 微電網研究綜述[J]. 電力系統自動化, 2007, 31(19): 100-107.

[2] 章健, 艾芊, 王新剛. 多代理系統在微電網中的應用[J]．電力系統自動化, 2008, 32(24): 80-88．

[3] Katiraei F, Iravani R, Hatziargyriou N, et al．Micro-grids management[J]．Power and Energy Magazine, IEEE, 2008, 6(3): 54-65．

[4] 鮑薇. 多電壓源型微源組網的微電網運行控制與能量管理策略研究[D]. 中國電力科學研究院, 2014.

Research on the Energy Management System in LNG Generating Barge Micro-grid

Ge Qizhen, Geng Peng, Li Shu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U674

A

1003-4862（2017）06-0020-03

2017-02-17

葛啟楨（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電氣傳動。E-mail: geqizhen@163.com