一種基于直流電站的變速發電技術研究

鄒 寧，龔 博，潘修穎

(1．大連測控技術研究所，遼寧大連 116013，2．武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

直流電站電力推進系統是一種綜合電力推進系統[1]，而變速發電技術是直流電站電力推進系統的關鍵技術之一。與定速發電不同的是，變速發電技術通過調速器及調壓器的配合，根據機組的負荷率改變機組的轉速，使機組工作在最佳燃油消耗率，從而降低油耗，減少排放[2,3]。

本文分析了變速發電系統的組成配置，對變速發電控制系統的控制策略進行分析論證，并通過仿真驗證了提出的控制策略的可行性。

1 變速發電系統組成

變速發電需要協調在網機組，使其總的燃油消耗最低。通過調節發電機的端電壓來實現各個機組功率的平衡與分配，待各機組負荷穩定后，根據油耗-負載-轉速關系曲面，確定在該負荷下，機組最低油耗時對應的轉速，通過調節柴油機的轉速，使整個電站工作在低油耗[4,5]。

變速發電系統由柴油機組和控制系統組成，如圖1所示。柴油機組采用可調速高轉速柴油機，柴油機的轉速可以寬范圍的調節。與定速發電不同的是，系統采用特殊設計的無刷同步發電機，該發電機具有寬頻率和寬電壓穩定工作的能力。

控制系統由電子調速器，調壓器以及控制器組成，控制器能對發電機組進行轉速控制及輸出電壓控制，為了實現機組調速的功能電子調速器采用電子調速器，調速器可以接收外部的模擬量調速信號，經過內部計算，通過驅動執行器來調節拉桿油門的開度來實現對轉速的調節。自動電壓調節器可以通過外部模擬量給定來實現對機組電壓的調整。變速發電技術通過調速器及調壓器的配合，根據機組的負荷率改變機組的轉速，使機組工作在最佳燃油消耗率，從而達到降低油耗，減少排放的目的。

2 變速發電控制策略

變速控制主要包含功率分配和轉速調節。

圖1 變速發電系統示意圖

2.1 功率分配策略

圖2 功率控制結構框圖

功率控制結構框圖如圖 2所示，在幾臺機組并聯時，功率分配可以按照以下兩種方法進行：

1) 遍歷尋優法

遍歷尋優法以尋找最低油耗為目標，通過查表與插值算法，遍歷機組功率的各種組合，計算得到不同組合下的油耗，通過比較選取油耗最低時的功率組合，實現機組的功率分配。通過該方法可以使整個電站的工作在最低油耗，全船的燃油經濟性好，但是控制算法較復雜，計算量大，尋優精度與離線油耗曲線數據的多少相關，數據越多尋優精度越高，動態調整頻繁，容易引起系統的不穩定。

2) 功率均分法

功率均分法是使各個機組根據自身的特性和出線電抗器的特性進行功率均分，從而實現各機組負荷的均衡。該方法原理簡單，實現容易，系統穩定性好，但是系統整體油耗較高。

圖3給出了三臺同樣機組并聯時采用兩種方法分別得到的油耗。在這種三機功率均較低的情況下，采用功率均分的油耗略高于遍歷尋優法的油耗，但相差不大，而且在這種三機功率均較低的情況下，能量管理系統一般會根據實際情況關閉一臺機組使另外兩臺機組工作在較高負荷率下；在其他負荷率下，采用功率均分法與遍歷尋優法得到的油耗是基本一致的。

圖3 三臺機組并聯時的油耗

表1 兩種方法的比較

整體來說，采用遍歷尋優法與功率均分法得到的整體油耗比較接近，功率均分法的稍高，尤其是在負荷率較高時，采用兩種方法得到的整體油耗基本一致。因此，綜合考慮系統的燃油消耗、系統的穩定性、控制系統的結構的因素，采用功率均分法是一種較合適的方案。

2.2 轉速調節方法

為了使機組工作在最佳耗油點，機組將不再一直工作在額定轉速，需要對機組根據功率進行調速。隨著轉速的降低，機組的帶載能力也會隨之降低，在機組變速之后進行加載，為了系統安全，必須提高柴油機的轉速，使其帶載能力加強。在這個時候減載對系統影響不大，在減載時根據功率進行轉速調節，使其工作在最佳燃油消耗點上。轉速控制結構框圖如圖4所示。

3 仿真驗證

為了驗證該功率均分法的可行性，在 Matlab中搭建了模型，并進行了仿真驗證。仿真過程中各機組的參數相同，額定功率1000 kW，額定電壓690 V，對機組并機、加載及調速的過程進行了仿真，圖中功率、電壓、轉速均為標幺值。

圖5給出了兩臺發電機組功率均分的波形，兩臺機組參數相同，在3 s時，啟動第二臺機組，開始時，2#機組的電壓稍高于1#機組，使負荷向2#機組轉移，經過動態調節，最終兩臺機組輸出電壓一致，兩臺機組均分功率。調整后，發電機輸出電壓和機組轉速可以迅速穩定，一致性較好。

圖4 轉速控制結構框圖

圖5 兩臺機組功率均分的波形

圖6 兩臺機組并聯加載波形

在30 s時，加載400 kW，四臺機組的波形如圖6所示，可以看出在加載時系統也具有較好的穩定性。

圖7是一臺柴油機組工作時，負載功率變化，轉速調節的波形，隨著功率的變化，轉速進行調節以降低系統油耗。功率和輸出電壓可以較快的達到穩定，轉速采用斜坡給定的方式進行調節，以保證系統的穩定性。

圖7 轉速調節波形

4 小結

本文分析了直流電站變速發電系統的工作原理，研究了功率分配和轉速調節的原理，提出了機組變速控制方法，在此基礎上建立變速發電系統的模型，搭建仿真平臺并進行仿真，從仿真可以得出，提出的控制方法具有良好的動、靜態性能，整個系統具有較好的魯棒性。

參考文獻：

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