， ，

(1.上海海事大學 物流工程學院, 上海 201306； 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院, 浙江 紹興 312000)

柴油發(fā)電機組準同期并網(wǎng)策略及動態(tài)仿真

胡紅錢1,2，施偉鋒1，張威1

(1.上海海事大學物流工程學院,上海201306； 2.浙江工業(yè)職業(yè)技術學院,浙江紹興312000)

針對船舶電力系統(tǒng)并網(wǎng)問題,在準同期并網(wǎng)原理的基礎上，利用相位調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)的協(xié)同、頻率變化率與功率轉(zhuǎn)移的一致性及頻率與功率的下垂特性改進柴油發(fā)電機組準同期并網(wǎng)策略。通過MATLAB/Simulink自建發(fā)電機準同期并網(wǎng)檢測與判斷模型，并按照實際船舶電力系統(tǒng)的流程進行從空載啟動到單機投切再到雙機并網(wǎng)的整個工況的仿真。仿真結(jié)果表明,該動態(tài)結(jié)果符合理論分析的預期結(jié)果，驗證了該并網(wǎng)策略的可行性。

船舶工程;船舶電力系統(tǒng)；準同期并網(wǎng)；動態(tài)仿真

Abstract: The parallel operation of generators at change-over is one of the most important subjects in ship power system automation. The quasi-synchronization connection principle is analyzed and a diesel generator group quasi-synchronous connection strategy is proposed on the basis of the phenomenon of the process that the phase angle regulation and frequency regulation are the same in nature, and the frequency changes according to the power regulation with drooping characteristics. The simulation is performed to verify the feasibility of the connection strategy according to the actual process of ship electric power system.

Keywords: ship engineering; ship power system； quasi-synchronous connection； dynamic simulation

現(xiàn)代船舶電力系統(tǒng)[1]是一個涉及電能產(chǎn)生、分配和管理調(diào)度及艦載設備、電力推進系統(tǒng)等用電設備的綜合電力系統(tǒng)。其作為移動電站系統(tǒng)，空間容量小、電氣密度大、傳輸距離短、機電耦合性強[2]；其柴油發(fā)電機組單機容量小，在靠離碼頭、進出狹窄水道和機組檢修等特殊情況下需頻繁進行并車、解列操作；其異步電動機的容量與單臺發(fā)電機組相當，甚至超過其容量等。這些情況使得船舶電力系統(tǒng)更易發(fā)生擾動，頻率和電壓不再保持恒定，而是處在一個動態(tài)變化的過程[3]中，因此對電力系統(tǒng)的并網(wǎng)及動態(tài)過程進行研究具有重要意義。

目前已有文獻對船舶電力系統(tǒng)并網(wǎng)動態(tài)性能進行研究：文獻[4]和文獻[5]作出與傳統(tǒng)的準同期并網(wǎng)控制方法相似的論述，但算法繁瑣、不易實現(xiàn)，且缺乏對并網(wǎng)的動態(tài)仿真；文獻[6]介紹同步發(fā)電機組并網(wǎng)實現(xiàn)，但沒有對并網(wǎng)后發(fā)電機組之間的協(xié)調(diào)控制運行策略進行論述；文獻[7]研究船舶電力系統(tǒng)的動態(tài)過程，但沒有對具體的并網(wǎng)實現(xiàn)作必要的說明；文獻[8]研究船舶發(fā)電機組的并聯(lián)運行及動態(tài)過程，但對并網(wǎng)模型和負載加載過程過于理想。

準同期并網(wǎng)因操作沖擊電流小、對電網(wǎng)和發(fā)電機組損傷小而被廣泛使用。[9]準同期并網(wǎng)控制策略方面的研究主要集中在頻率和相位調(diào)節(jié)的差異上。文獻[10]首先進行頻率調(diào)節(jié)，在待并網(wǎng)機組與在網(wǎng)機組頻率的偏差小于一定范圍之后進行相角調(diào)節(jié)，采用比例控制的方式；文獻[11]采用比例積分調(diào)節(jié)，實現(xiàn)頻率無靜差調(diào)節(jié)；文獻[12]通過對待并網(wǎng)機組電壓與在網(wǎng)機組電壓進行交叉計算來確定電壓相位差最佳時刻進行并網(wǎng)；文獻[13]利用頻率差調(diào)節(jié)相位差控制得到微電網(wǎng)并網(wǎng)的改進控制策略，實現(xiàn)孤島并網(wǎng)。

精準、快速、平穩(wěn)是并網(wǎng)控制的目標，這里在論述準同期并網(wǎng)原理的基礎上討論頻率調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)的協(xié)同，分析調(diào)速器有功功率—頻率的下垂特性，結(jié)合頻率變化率與功率轉(zhuǎn)移的一致性將功率均衡脈沖與頻率微分相結(jié)合，加快負荷轉(zhuǎn)移，減小功率分配振蕩，完成從發(fā)電機組的空載啟動到單機投切再到雙機并網(wǎng)的整個電力系統(tǒng)動態(tài)過程的仿真。

1 船舶電力系統(tǒng)準同期并網(wǎng)原理

為減小并網(wǎng)沖擊電流對電網(wǎng)和發(fā)電機組的影響，待并網(wǎng)發(fā)電機組和在網(wǎng)發(fā)電機組在并網(wǎng)前需滿足相序相同、頻率相等、電壓幅值相等及電壓相位差為零等4個條件。[14]

由于相序是機組安裝時由安裝人員保證的，因此發(fā)電機組并網(wǎng)時只需保證滿足相序以外的另外3個條件。船舶電力系統(tǒng)準同期并網(wǎng)發(fā)電機組拓撲結(jié)構見圖1，其中:機組1為在網(wǎng)機組，其端電壓為ug;機組2為待并網(wǎng)機組，其端電壓為uw。當在網(wǎng)機組的功率不夠或發(fā)電機組發(fā)生故障需維修但不能斷電時，需將待并網(wǎng)機組向系統(tǒng)(圖2中的匯流排)投切以增加或維持系統(tǒng)的輸出功率。該部分工作由機組并網(wǎng)裝置對電網(wǎng)和待并網(wǎng)發(fā)電機組的運行狀態(tài)進行檢測并控制發(fā)電機組，適時投切開關ACB完成。

圖1 準同期并網(wǎng)發(fā)電機組拓撲結(jié)構

設在網(wǎng)機組端電壓和待并網(wǎng)機組端電壓分別為

ug=Ugmsin(ωgt+φg0)

(1)

uw=Uwmsin(ωwt+φw0)

(2)

則電壓差為

us=Ugmsin(ωgt+φg0)-Uwmsin(ωwt+φw0)

(3)

圖2 機組并網(wǎng)控制原理圖

在滿足并網(wǎng)前電壓幅值相等的情況下，由式(3)可得

(4)

由式(4)可知，該電壓信號是一個包絡和頻率分別為ωg-ωw及ωg+ωw的脈動信號，在滿足并網(wǎng)前頻率相等的情況下，可得

(5)

由式(5)可知，該電壓差是一個頻率為ωg的脈動信號，為使并網(wǎng)沖擊電流對電網(wǎng)和發(fā)電機組的影響最小，需在us為零時進行ACB投切。即檢測待并網(wǎng)機組與在網(wǎng)機組的電壓差Ugm-Uwm、頻率差ωg-ωw和相位差θg-θw，在完成電壓閉鎖、頻率閉鎖的情況下于零相位到來之前的適當時刻(導前合閘時間/合閘角)向待并網(wǎng)機組投切開關ACB發(fā)出合閘指令，使待并網(wǎng)機組平滑、快速、安全地并入電網(wǎng)，與在網(wǎng)機組一起給負載供電，這就是準同期并網(wǎng)原理。若不滿足并網(wǎng)條件,則需向機組發(fā)幅值差、頻率差和相位差二次調(diào)節(jié)指令，機組及時響應指令并作相應的調(diào)整，直到滿足并網(wǎng)條件、閉合ACB開關為止，其實現(xiàn)方法如圖2中的虛線框1所示。根據(jù)前文分析，文獻[10]～文獻[13]對并網(wǎng)原理采用圖2中虛線框2中的幅值、相角和頻率調(diào)節(jié)，只是調(diào)節(jié)的方式不同。通過分析相位調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)特征函數(shù)的一致性，得出將相位調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)協(xié)同的結(jié)論，以簡化調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，即將圖2中的虛線框3取代虛線框2。同時，考慮到功率轉(zhuǎn)移過程中頻率變化率與功率轉(zhuǎn)移的一致性，將頻率變化率引入到功率轉(zhuǎn)移中，以加快功率轉(zhuǎn)移和降低功率轉(zhuǎn)移的振蕩(如圖2中的虛線框4所示)。由于電壓幅值在并網(wǎng)過程中是相對穩(wěn)定的，因此不予考慮。

2 柴油發(fā)電機組準同期并網(wǎng)控制策略

2.1 相位調(diào)節(jié)與頻率調(diào)節(jié)的協(xié)同

(6)

根據(jù)式(6)及電壓瞬時值交叉調(diào)角計算法[12]，結(jié)合相位調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(PI環(huán)節(jié))，可得到圖3所示的框圖，其中:ω為電網(wǎng)頻率;Δω為頻率調(diào)節(jié)量。

圖3 相角調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)框圖

由此可計算得到

(7)

式(7)中:k=UgUw,由交叉計算調(diào)角法[12]計算得到;θw和θg分別為待并網(wǎng)機組相位及在網(wǎng)機組相位。對圖3進行等效變換可得到圖4所示的頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)框圖，通過計算可得到式(8)。對比式(7)與式(8)，兩者具有相同的特征方程，因此若選用合適的參數(shù)kpf和kif，則可達到一致的效果。

圖4 頻率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)框圖

(8)

2.2 頻率-有功功率下垂特性

為保證發(fā)電機組穩(wěn)定運行，在并網(wǎng)過程中需利用發(fā)電機組調(diào)速器的頻率與功率下垂的特性進行二次調(diào)節(jié)，以此維持機組頻率f的穩(wěn)定。二次調(diào)節(jié)指令分別通過調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速使待并網(wǎng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速接近在網(wǎng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速(系統(tǒng)頻率)，其本質(zhì)是調(diào)節(jié)原動機油門的大小。根據(jù)文獻[15]得到圖5所示的功率均衡模型框圖,其中:p為發(fā)電機組實時功率;pave為在網(wǎng)機組的平均承載功率;pulse為調(diào)功脈沖;u為調(diào)速器輸入;δ為調(diào)差系數(shù)。

圖5 功率均衡模型框圖

2.3 頻率變化率與功率轉(zhuǎn)移的統(tǒng)一

并網(wǎng)時，剛并入的發(fā)電機組開始增加負荷、在網(wǎng)機組開始減少負荷的過程中，對應發(fā)電機組的頻率發(fā)生變化。從負荷轉(zhuǎn)移開始到完成負荷均衡的過程中，頻率的變化率最初較快，隨著負荷轉(zhuǎn)移完成而趨于零，因此頻率的變化率與發(fā)電機組功率的轉(zhuǎn)移是一致的，可加速功率轉(zhuǎn)移和減少功率振蕩。圖5所示的功率均衡模型框圖可轉(zhuǎn)換為圖6的形式。

圖6 轉(zhuǎn)換后的功率均衡模型框圖

3 仿真及結(jié)果分析

整個并網(wǎng)過程為：0 s發(fā)電機組啟動;3 s將第1臺發(fā)電機組接入電網(wǎng)，給2 MVA負載供電;10 s發(fā)起并網(wǎng)命令，允許發(fā)電機組并網(wǎng)運行，在自建MATLAB并網(wǎng)模塊(paralleling模塊)的參與下判斷并網(wǎng)條件并發(fā)出合閘指令;隨后進行功率轉(zhuǎn)移，直至整個并網(wǎng)過程完成。仿真結(jié)果見圖8～圖12。

圖7 并網(wǎng)MATLAB仿真模型

a) 在網(wǎng)發(fā)電機組A相電壓

b) 待并網(wǎng)發(fā)電機組A相電壓

c) 在網(wǎng)機組與待并網(wǎng)機組A相相位

d) 發(fā)電機組A相差頻電壓

e) 并網(wǎng)啟動信號

f) 并網(wǎng)合閘信號

由圖8可知，2臺發(fā)電機組從0 s開始正常啟動，A相電壓為1 960 V，與計算值1 959 V相符合。2臺發(fā)電機組的電壓差調(diào)頻波動(如圖8d所示，其局部放大圖見圖9)，并網(wǎng)前其是一個隨調(diào)速進行且頻率變換的電壓差調(diào)頻信號，符合式(4);并網(wǎng)后變?yōu)橐粋€幅值由初相位差決定的微弱頻差信號，符合式(5)。第3 s時第1臺發(fā)電機并入電網(wǎng)成為在網(wǎng)機組，其A相電壓產(chǎn)生微小的電壓波動(如圖8a所示，其局部放大圖見圖10)，差頻電壓信號同樣也有較大波動(如圖8d中的3 s處所示)。

10 s后發(fā)起并網(wǎng)命令，在自建并網(wǎng)模塊的判斷下，第11.85 s時頻差信號滿足并網(wǎng)條件(如圖8f所示)，發(fā)出合閘命令完成待并機組的并網(wǎng)，并網(wǎng)后差頻電壓為0 V。圖11為圖8中的在網(wǎng)機組與待并機組A相電壓相位圖(如圖8c所示)在并網(wǎng)時刻的局部放大圖，可明顯看出并網(wǎng)前兩機組頻率隨著調(diào)頻調(diào)相的進行慢慢接近，并網(wǎng)后頻率和相位一致。

圖9 發(fā)電機組A相差頻電壓

圖10 在網(wǎng)發(fā)電機組3 s時并網(wǎng)A相電壓波動

圖11 在網(wǎng)發(fā)電機組與待并網(wǎng)發(fā)電機組A相電壓相位差

圖12為發(fā)電機組與負荷的電流圖，由于2臺發(fā)電機組在前3 s都處于空載運行狀態(tài)(盡管有1 W的空載負荷)，其電流及負荷電流均為0 A。第3 s由于第1臺發(fā)電機接入電網(wǎng)，其電流峰值為680 A，符合計算值680 A，負荷電流也為680 A。在第11.85 s時并網(wǎng)模塊發(fā)出合閘指令，第2臺發(fā)電機(待并網(wǎng)電機)并入電網(wǎng)，在網(wǎng)發(fā)電機開始向剛并入電網(wǎng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)移負荷。從圖12中可看出其在網(wǎng)機組的電流減小，待并機組(其實已是在網(wǎng)機組)電流增大，最終在第15 s時完成負荷轉(zhuǎn)移，電流均為340 A。比較圖12中的負荷電流與文獻[16]中的圖17可發(fā)現(xiàn)，該并網(wǎng)策略產(chǎn)生的并網(wǎng)電流諧波明顯得到改善。

a) 在網(wǎng)機組電流

b) 待并網(wǎng)機組電流

c) 負荷電流

圖13為發(fā)電機組有功功率圖，由于2臺發(fā)電機組前3 s都處于空載狀態(tài)(盡管有1 W的空載負荷)，其輸出有功功率均為0 W。第3 s由于第1臺發(fā)電機接入電網(wǎng)，負荷全部由其承擔，有功功率標幺值為0.64。在第11.85 s時并網(wǎng)模塊發(fā)出合閘指令，第2臺發(fā)電機開始向剛并入電網(wǎng)的發(fā)電機轉(zhuǎn)移負荷。從圖13中可看出在網(wǎng)機組承載負荷的功率減小，待并網(wǎng)機組承載負荷的功率增大，最終在第15 s時完成負荷轉(zhuǎn)移，各自承擔0.32，該并網(wǎng)策略產(chǎn)生的并網(wǎng)功率振蕩小、時間快。

a) 在網(wǎng)機組有功功率

b) 待并網(wǎng)機組有功功率

圖13 發(fā)電機組有功功率

4 結(jié)束語

通過深入研究船舶電網(wǎng)準同期并網(wǎng)，并在此基礎上分析頻率調(diào)節(jié)和相位調(diào)節(jié)的協(xié)同、頻率變化率與功率轉(zhuǎn)移的一致特性，提出并網(wǎng)改進策略，并從電站實際運行流程出發(fā)完成從發(fā)電機組空載啟動到單機投切再到雙機并網(wǎng)，完成功率分配的整個電力系統(tǒng)動態(tài)過程的仿真，以此驗證改進策略的正確性。

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Quasi-Synchronous Connection Strategy and Dynamic Simulation of Diesel Generator Set

HUHongqian1,2，SHIWeifeng1，ZHANGWei1

(1. College of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2. Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

1000-4653(2016)04-0029-05

U665.11

A

2016-06-15

高等學校博士學科點專項科研基金(20123121110003);上海海事大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(2015ycx072)

胡紅錢(1983—),男,浙江紹興人,講師,博士,研究方向為船舶電力系統(tǒng)控制與優(yōu)化及故障診斷。 E-mail:hu_hongqian@126.com