船舶電站監控裝置負載分配算法設計

艾麥提·布拉丁，張曉峻，蔣子峰，毛冬麟

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著造船業的發展，船舶噸位越來越大，電氣自動化的水平也越來越高，船舶電站系統規模和復雜性不斷增加，單一發電機組難以滿足船舶用電需求，因此開始出現并聯運行2 個或者多個 發電機組以增加船舶電站供電容量[1-3]。船舶電站中，并聯運行多個發電機組給船舶供電，能夠提高船舶電源的可靠性和能量轉換效率，減少備用發電機的數量[4]。為了保證多個機組并聯運行的穩定性，提高電站系統的可靠性，應使各個并聯 發電機組承擔的有功功率、無功功率與該機組額定有功功率、額定無功功率比例相等，這就要求系統具有良好的調頻調載控制特性[5]。很多學者研究了2 個或多個發電機組并聯運行時的調頻調載控制，白一鳴等采用嵌入式控制器對并聯運行的機組進行調頻調載控制，張貴珍等將神經網絡技術應用到機組調頻調載控制中，也有學者基于PMS 技術實現了多個機組的并聯運行控制，但大部分學者僅通過仿真得出最終結果，并未經過實際試驗驗證[6-9]。本文中設計了船舶電站調頻調載控制算法，結合實際試驗驗證了系統的調頻調載性能。

本文分別介紹了監控裝置組成部分、控制算法和聯調試驗，根據試驗結果對系統調頻調載性能進行分析，并對系統調頻調載性能進行評估。

1 監控裝置組成部分

本文介紹的監控裝置由3 層設備組成，第一層設備由數據采集設備組成，第二層設備由數據處理設備組成，第三層設備由數據顯示設備組成，監控裝置拓撲結構如圖1 所示。數據采集設備主要由發電機組數據采集系統、擴展接口箱內部的數據采集設備組成；數據處理設備由機旁箱、柴發機組加固機、汽發機組加固機、區域電站管理器加固機組成；數據顯示設備由集控臺和電站顯示屏組成。

第一層設備采集實時數據，并通過工業控制網絡將采集的數據（第一層設備數據）發送至第二層設備，第二層網絡設備之間采用CAN 總線通訊共享數據；第二層網絡設備與第三層網絡設備之間采用以太網傳輸數據。

圖1 監控裝置拓撲結構

當柴發機組、汽發機組在網，且電站系統進行調頻調載控制時，擴展接口箱內部的數據采集設備對柴發機組、汽發機組發電機的端電壓、電流、頻率、功率等數據進行采集，并將數據傳到CAN 總線；區域電站管理器讀取CAN 總線的電壓、電流、頻率、功率等數據，用調頻調載控制算法對電流、電壓、功率等進行運算處理，并將計算出的調速調壓信號發送至CAN 總線；機組加固機讀取CAN 總線上的調速調壓指令，并將處理結果發送至擴展接口箱；擴展接口箱將處理結果發送至配電板；配電板將收到的控制指令以開關量信號的形式發送至機旁箱；機旁箱判斷機組當前狀態，并根據接受指令，分別對機組轉速、發電機端電壓進行調節。

2 控制算法設計

在多個機組并聯運行的系統中，根據各機組的帶載能力，按一定比例將負載分配到各機組，充分體現機組性能，使系統帶載能力最大化。調頻調載控制特性直接影響系統的穩定性、帶載特性等，在多機組電站系統中發揮著重要的作用。

2.1 調頻調載原理

2 臺或者多臺發電機組并聯運行時，頻率波動會導致各機組有功負載分配不均勻，大大減少系統帶載能力，縮短系統壽命。調頻調載過程中，當負載分配均勻時，各機組實際功率與額定功率的比值相等，實際無功功率與額定功率的比值也相等，不同有功功率下的調頻調載過程如圖2 所示。圖2 中，L1、L2表示2 臺機組調速特性曲線，設2 臺機組的額定有功功率分別為Pe1、Pe2，則有

式中：P1、P2分別表示2 個機組的實際有功功率，W；P為系統有功功率，W。

當系統所帶負載增加時，系統有功功率由P增加到P''，2 臺機組的調速特性曲線均向上平移，分別為L11、L22，2 臺機組有功功率分別增加到P11、P22，以下關系依然成立 若并聯運行的幾臺機組額定功率特性相同，則圖中P1、P2、P11、P22均為機組調速特性曲線的交點，即：P1＝P2，P11＝P22。調頻調載過程中，通過不停地調整發電機組頻率（在調整無功功率分配時調整電壓），使機組調速特性曲線上下平移，實現每個機組實際功率與額定功率間的比值相等，從而達到均勻分配負載的效果。

圖2 調頻調載過程圖

常見的調頻調載方法有主調發電機法、有差調節法、主從控制法、虛有差法、積差法等。主調機組法中系統功率的變化由主調機組承擔，其他機組承擔固定功率，這種方法設計算法簡單、成本低，但不易滿足功率變化較大的系統設計；有差調節法中，由于各機組間存在較強的有差調速控制特性，所以調速等控制特性靈活性較差，在較大系統設計中，負載分配特性不易優化設計；主從控制法中，只有主控機組參與調頻過程，其余機組不進行調頻，只適用于功率分配過程；積差法中，由于需要求積分，時間響應特性有待改善。本文中采用虛有差法，將采集到的有功功率、無功功率等轉換成對應頻率和電壓，實現調頻調載控制。

2.2 調頻調載算法設計

根據調頻調載控制原理，設計調頻調載算法流程如圖3 所示。圖3 中，dF表示頻率差，dF=Fe－F，其中Fe為機組額定額定頻率，F為機組實際工作頻率；dU為電壓差，dU＝Ue－U，其中U為機組實際電壓，Ue為額定電壓；dP為有功功差，dP=Pa－P，其中Pa為機組應承擔的有功功率，P為機組實際承擔的有功功率；dQ為無功公差，dQ＝Qa－Q，其中，Qa為機組應承擔的無功功率，Q為機組實際承擔的無功功率；dFF為有功功差轉成頻率差的值，dFF＝dP·α，其中α為變換系數；dUU為無功功差轉成電壓差的值，dUU＝dQ×β，其中β為變換系數；dVF、dVU分別為頻率差與電壓差閥值；aU表示單位時間內調整的電壓，即調整電壓的速度；aR表示單位時間內調整的轉速，即調整轉速的速度。

圖3 調頻調載算法流程圖

算法中首先判斷系統當前控制方式，若當前的控制方式為手動控制，則從算法中退出；若當前的控制方式為非手動控制，則進一步判斷是否有機組在網，若無機組在網，則從算法中退出；若有機組在網，便計算在網機組的有功功率、無功功率；計算機組實際工作頻率與額定頻率的差值為dF，計算機組實際電壓與額定電壓的差值為dU；計算機組實際工作功率與應承擔的功率的差值為dP，計算機組實際無功功率與應承擔的無功功率的差值為Q，應承擔的功率＝總功率×機組額定功率/在網機組總額定功率，功率可為有功功率或無功功率；將有功功率差度、無功功率差度換算成頻率差dFF、電壓差dUU；判斷|dF＋dFF|是否在規定的范圍內，若不在規定范圍之內，則根據dP與dF大小，調整機組轉速的速率aR（表示單位時間內機組轉速變化大小），再進一步判斷當前狀態需要加速還是減速，并根據判斷結果進行加速或減速；若判斷|dF＋dFF|在規定范圍內，則不進行調速，直接進入調壓狀態，判斷|dU＋dUU|是否在規定范圍內，若不在規定范圍內，則根據dQ與dU大小調整調機組調壓的速率aU，再進一步判斷當前狀態需要升壓還是降壓，并根據判斷結果進行升壓或降壓；若判斷|dF＋dFF|在規定范圍內，則不進行調壓。值得注意的是，調速、調壓信號均是以脈沖信號的方式發送至機組調速器、調壓器，因此在算法設計時，需將aR、aU值換算成對應脈寬的脈沖信號。鑒于調速器有最小脈寬、最大脈寬限制，需要限制最小脈寬、最大脈寬的大小。

上述算法中，先通過調整機組轉速來調整機組的有功功率，當有功功率分配均勻后才開始通過調整發電機組端電壓來調整機組的無功功率。算法執行到最后，將處理結果發送至CAN 總線上，并重新執行該算法，實現調頻調載控制，進而實現負載的均勻分配。

3 試驗驗證

將上述控制算法下載至區域電站管理器中，首先啟動汽發機組，增加負載至440 kW，功率因數為0.8，將控制方式設定為半自動控制，再啟動柴發機組，使其與汽發機組并網運行；而后，將負載依次增加至1 100 kW、1 650 kW、2 150 kW，又將負載從2 150 kW 依次減少至1 650 kW、1 100 kW、440 kW，分別記錄分配到柴發機組、汽發機組上的功率，并由式（5）計算有功功率分配差度，由式（6）計算無功分配差度。

式中：PΔ 為有功功率分配差度；iP、jP分別為第i、j個機組的實際有功功率，W；NiP、NjP分別為第i、j個機組的額定有功功率，W；QΔ 為無功功率分配差度，iQ、jQ分別為第i、j個機組的實際無功功率，Var；NiQ、NjQ分別為第i、j個機組的額定無功功率，Var。

本文中i、j取值可為i＝1、j＝2 或i＝2、j＝1，1 代表柴發機組，2 代表汽發機組。將試驗過程中記錄的數據代入式（5）、式（6），并將計算結果記錄于表1 中。由表1 可知，機組有功分配差度、無功分配差度均小于5%。

表1 有功、無功試驗差度計算結果

不同功率下，分析系統功率與單個機組功率之間的關系，并得出如圖4 所示的對比曲線。圖4 中，橫坐標為系統帶載量，縱坐標為機組帶載量，系統帶載量＝系統實際功率/系統額定功率，機組帶載量＝機組實際功率/機組額定功率，DG表示柴發機組、TG 表示汽發機組。由圖4 可知，柴發機組與汽發機組帶載量隨著系統帶載量的增加而增加，且柴發機組與汽發機組帶載量基本保持一致，當系統帶載量為100%（系統所帶負載為2.15 MW，即滿載）時，柴發機組與汽發機組帶載量也剛好接近100%（2 機組同時達到滿載）。

圖4 系統功率與機組功率對比曲線圖

不同功率下，分析系統功率與機組功率比之間的關系，得出的對比曲線如圖5 所示。圖5 中橫坐標為系統帶載量，縱坐標為柴發機組與汽發機組實際功率的比值，Pdg為柴發機組實際功率，Ptg為汽發機組實際功率。由圖5 可知，隨著系統帶載量的變化，機組功率比在柴發機組與汽發機組額定功率的比值附近波動。

不同載荷下，采用圖3 所示調頻調載算法控制電站系統，機組的有功分配差度、無功分配差度均小于5%，在規定范圍內；系統達到額定功率時，柴發機組、汽發機組也剛好達到額定功率，系統容量達到最大；在網柴發機組、汽發機組的實際功率比在柴發機組與汽發機組額定功率的比值附近波動，始終保證在網的2 臺機組在最佳負荷下工作。

圖5 系統功率與機組功率比曲線圖

試驗結果表明，不同載荷下，調頻調載算法分配至柴發機組、汽發機組的載荷合理，能夠有效控制系統。

4 結論

本文分別基于額定功率0.85 MW、1.3 MW的柴油發電機組、汽發機組設計了2.15 MW 船舶電站監控裝置調頻調載算法，介紹了監控裝置的工作原理，并進行聯調試驗，檢測分配到2 臺機組的有功功率與無功功率，計算出2 臺機組有功功率分配差及無功功率分配差度，并分別比較系統帶載量與各機組帶載量、系統帶載量與機組的功率比，進而測試調頻調載算法的控制特性。試驗結果表明，調頻調載算法性能良好，能夠有效控制船舶電站系統穩定、高效工作，為船舶電站系統設計提供技術支撐。