葛啟楨，耿 鵬，黎 曙

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LNG發(fā)電船微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)研究

葛啟楨，耿 鵬，黎 曙

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

LNG發(fā)電船是一種使用液化天然氣作為清潔能源的可移動(dòng)式獨(dú)立微電網(wǎng)，在港口使用LNG發(fā)電船作為輔助電源，可以大幅降低港口排放?？紤]到LNG發(fā)電機(jī)組的單機(jī)最大容量的限制，設(shè)計(jì)了一種配置了功率補(bǔ)償裝置的微電網(wǎng)單元，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行并聯(lián)擴(kuò)容，并有效解決了LNG發(fā)電機(jī)組負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)的不足。為保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及發(fā)電質(zhì)量的可靠性，建立了一套分層架構(gòu)的分布式能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)既具備自主性，又能保持系統(tǒng)的協(xié)作性及可擴(kuò)展性。

LNG發(fā)電船 微電網(wǎng) 能量管理系統(tǒng)

0 引言

LNG發(fā)電船是一個(gè)獨(dú)立的、可以實(shí)現(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的小型移動(dòng)發(fā)配電系統(tǒng)。LNG發(fā)電船既可以與港口電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，為港口電網(wǎng)提供后備電能；也可以脫離港口電網(wǎng)開(kāi)啟孤島運(yùn)行模式，直接為港口大型船舶提供電能，輔助船舶進(jìn)出港航行。船上使用的發(fā)電機(jī)組采用液化天然氣（LNG）作為燃料，相比傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組可以大幅降低港口排放。

由于同時(shí)具備孤島運(yùn)行以及并網(wǎng)運(yùn)行兩種運(yùn)行方式，其運(yùn)行和切換需要有一套能量管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電能的優(yōu)化調(diào)度管理。該能量管理系統(tǒng)不僅具有對(duì)船舶電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)功能，還將實(shí)現(xiàn)船舶電站同岸上電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，使得本船電站能在能量管理系統(tǒng)的管理下滿足各種工況的運(yùn)行要求。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)需求

LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)是一個(gè)綜合的系統(tǒng)，在發(fā)配電方面，如船舶發(fā)電、中壓配電技術(shù)，與傳統(tǒng)的采用綜合電力系統(tǒng)的船舶相似；在對(duì)外輸電方面，如對(duì)外接口、通信聯(lián)絡(luò)等技術(shù)，與港口的岸電系統(tǒng)相似。在LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，既要考慮船舶電氣系統(tǒng)的要求，也要適應(yīng)對(duì)不同供電對(duì)象的特點(diǎn)，比如不同電制要求或者不同電壓等級(jí)的需求。

1.2 LNG發(fā)電船能量管理系統(tǒng)功能構(gòu)成

能量管理系統(tǒng)根據(jù)功率的實(shí)時(shí)需求對(duì)每套發(fā)電單元及受電系統(tǒng)（岸上電網(wǎng)或用電船舶）進(jìn)行監(jiān)控，并協(xié)調(diào)各發(fā)電單元的工作，同時(shí)可以對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為受電系統(tǒng)（岸上電網(wǎng)或用電船舶）提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，能量管理系統(tǒng)會(huì)采取各種措施，盡可能保證連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

而且，每套發(fā)電單元配置獨(dú)立的管理模塊，為發(fā)電單元提供保護(hù)。匯流排與發(fā)電單元的電壓和頻率等參數(shù)均獨(dú)立監(jiān)測(cè)，且具備外部調(diào)節(jié)接口。任意一套保護(hù)和管理模塊故障不會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的正常運(yùn)行，并提供發(fā)電單元電氣參數(shù)顯示、檢測(cè)，對(duì)發(fā)電單元提供必要的報(bào)警及保護(hù)功能。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)有LNG發(fā)電機(jī)組受到燃料燃燒效率、技術(shù)水平等因素的限制，單機(jī)容量無(wú)法有效提升。為滿足港口電力需求，同時(shí)考慮船舶建造以及發(fā)電單元成本因素，設(shè)計(jì)了以單條LNG發(fā)電船為一個(gè)微電網(wǎng)[1]，每個(gè)微電網(wǎng)由3臺(tái)發(fā)電機(jī)組、電網(wǎng)補(bǔ)償裝置設(shè)備以及相關(guān)配電設(shè)備組成，以此作為一個(gè)獨(dú)立發(fā)電單元。單個(gè)發(fā)電單元供電能力不足時(shí)，通過(guò)多發(fā)電單元并聯(lián)可提升發(fā)電容量，如圖1所示。該方式可以提升發(fā)電系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)用合適數(shù)量的發(fā)電單元進(jìn)行工作，避免了使用單個(gè)大容量發(fā)電單元所造成不必要的冗余。

2.2 LNG發(fā)電船能量管理系統(tǒng)架構(gòu)

為了使LNG發(fā)電船并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)發(fā)電單元既具備自主性，可以在孤島運(yùn)行模式下進(jìn)行獨(dú)立發(fā)電，又能保持協(xié)作性和系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，在任意多個(gè)發(fā)電單元并聯(lián)運(yùn)行時(shí)可以綜合協(xié)調(diào)控制[2]。本能量管理系統(tǒng)采用分層的控制結(jié)構(gòu)型式，即將部分控制權(quán)獨(dú)立分配給發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的各發(fā)電單元，由各發(fā)電單元根據(jù)并網(wǎng)控制器的調(diào)度指令自治運(yùn)行的分布式協(xié)調(diào)控制方式[3]。同時(shí)，各發(fā)電單元也將部分控制權(quán)分配給微電網(wǎng)的各電源控制器，各電源控制器根據(jù)微電網(wǎng)功率控制器的控制指令進(jìn)行發(fā)電管理。

整套能量管理系統(tǒng)為樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，可分為調(diào)度層能量管理系統(tǒng)和電站層能量管理系統(tǒng)。

圖1 LNG發(fā)電船電氣結(jié)構(gòu)單線圖

圖2 能量管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 調(diào)度層能量管理系統(tǒng)

調(diào)度層能量管理系統(tǒng)包含通訊模塊、功率調(diào)度模塊、監(jiān)測(cè)和報(bào)警模塊、人機(jī)交互模塊。

1) 通訊模塊負(fù)責(zé)本船電氣系統(tǒng)與受電船或岸電系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)通訊，接受岸電的調(diào)度指令并返回本站的狀態(tài)；

2) 功率調(diào)度模塊根據(jù)岸電調(diào)度指令對(duì)功率進(jìn)行分配并指定給各個(gè)發(fā)電單元的功率管理模塊，同時(shí)根據(jù)調(diào)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(lián)開(kāi)關(guān)；

3) 監(jiān)測(cè)和報(bào)警模塊能夠完成全船設(shè)備和電氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和報(bào)警，并配合完成中壓母線的選擇性保護(hù)；

4) 人機(jī)交互模塊提供人機(jī)交互接口，為操作人員提供控制、監(jiān)測(cè)和管理功能。

2.2.2 電站層能量管理系統(tǒng)

電站層能量管理系統(tǒng)由多個(gè)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(jī)組控制模塊。

1) 通信模塊接受調(diào)度層能量管理單元的電壓、頻率、有功、無(wú)功指令并反饋本單元內(nèi)各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)；

2) 功率控制模塊收集本單元內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，控制各設(shè)備的運(yùn)行；

3) 機(jī)組控制模塊主要包括并網(wǎng)保護(hù)單元，機(jī)組調(diào)速器和勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的投入和切斷控制，并提供所需的機(jī)組保護(hù)功能。

該控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，每個(gè)功率管理單元可以單獨(dú)完成對(duì)本地電站的功率管理控制，可以作為一個(gè)整體單元接入高一級(jí)別的系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)穩(wěn)定控制策略

3.1 孤島發(fā)電運(yùn)行模式

LNG發(fā)電機(jī)組與柴油發(fā)電機(jī)組的區(qū)別在于，前者存在功率響應(yīng)速度比柴油發(fā)電機(jī)組更慢的問(wèn)題，當(dāng)負(fù)載功率突加時(shí)無(wú)法較快跟隨負(fù)載功率變化，會(huì)導(dǎo)致母線電壓和頻率失衡。

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與輸出功率的關(guān)系式

在保證發(fā)電頻率恒定的情況下，輸出功率與電磁轉(zhuǎn)矩成正比。

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)電壓平衡的簡(jiǎn)化方程式

為提升LNG發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)特性，在LNG發(fā)電船微電網(wǎng)母線側(cè)，加入了功率補(bǔ)償裝置，建立頻率和電壓的雙閉環(huán)，頻率外環(huán)通過(guò)向母線補(bǔ)償有功功率維持頻率穩(wěn)定，電壓內(nèi)環(huán)通過(guò)向母線補(bǔ)償無(wú)功電流維持母線電壓恒定。

仿真結(jié)果如圖3所示。

2 s時(shí)刻突加50%負(fù)載，5 s時(shí)刻再突加30%負(fù)載，8 s時(shí)刻突加20%負(fù)載，10 s時(shí)刻突卸50%負(fù)載。實(shí)線表示有功率補(bǔ)償?shù)陌l(fā)電機(jī)組響應(yīng)曲線，虛線是無(wú)功率補(bǔ)償情況下的發(fā)電機(jī)組響應(yīng)。

可以看出，有功率補(bǔ)償后，突加突卸負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)出口端電壓和機(jī)組轉(zhuǎn)速?zèng)_擊有所緩解，通過(guò)合適的補(bǔ)償可以達(dá)到一般柴油發(fā)電機(jī)組的要求，彌補(bǔ)LNG機(jī)組響應(yīng)慢的缺點(diǎn)。

圖3 負(fù)載變化時(shí)發(fā)電機(jī)組的功率、電壓和轉(zhuǎn)速響應(yīng)

3.2 并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行模式

此模式下，LNG發(fā)電船主要工作在與港口陸上電網(wǎng)并聯(lián)供電，或者是多條LNG發(fā)電船并聯(lián)供電工況。

根據(jù)受電系統(tǒng)的功率需求，經(jīng)過(guò)分配計(jì)算后，調(diào)度層能量管理系統(tǒng)向電站層能量管理系統(tǒng)的發(fā)出電壓幅值、頻率設(shè)定值等控制指令。各發(fā)電單元的LNG發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)由電站層能量管理系統(tǒng)的各自功率管理單元輔助完成。

同受電系統(tǒng)并網(wǎng)由調(diào)度層功率管理系統(tǒng)輔助完成，整個(gè)并網(wǎng)過(guò)程可分為并網(wǎng)準(zhǔn)備、并網(wǎng)問(wèn)詢、自動(dòng)并網(wǎng)三個(gè)步驟。

1) 并網(wǎng)準(zhǔn)備：根據(jù)受電系統(tǒng)發(fā)送的功率需求，經(jīng)過(guò)分配計(jì)算后，判斷是否需要閉合中壓母聯(lián)開(kāi)關(guān)，并向電站層能量管理系統(tǒng)的各發(fā)電單元發(fā)出電壓幅值、頻率設(shè)定值等控制指令。同時(shí)監(jiān)測(cè)控制中壓母線電壓幅值、頻率、相位等信號(hào)是否滿足并網(wǎng)條件。

2) 并網(wǎng)問(wèn)詢：發(fā)出準(zhǔn)備并網(wǎng)信號(hào)，等待受電系統(tǒng)并網(wǎng)指令。

3) 自動(dòng)并網(wǎng)：自動(dòng)準(zhǔn)同期并列裝置采集并網(wǎng)點(diǎn)受電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的電壓頻率、幅值和相位信息，自動(dòng)捕捉時(shí)機(jī)并網(wǎng)。

并網(wǎng)完成后，具備有功功率自動(dòng)分配功能。保證任意發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期并聯(lián)運(yùn)行時(shí)有功分配差度滿足要求。

4 總結(jié)

調(diào)度層能量管理系統(tǒng)根據(jù)受電系統(tǒng)的用電需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)各發(fā)電單元的供電模式選擇及功率調(diào)度分配，并協(xié)調(diào)各發(fā)電單元的工作，使各發(fā)電機(jī)組有功分配差度滿足系統(tǒng)要求，為受電系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。

電站層能量管理系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)對(duì)各發(fā)電單元的控制，完成供電模式選擇，控制各發(fā)電機(jī)組的投切及功率輸出。而且，電站層能量管理系統(tǒng)中，每個(gè)發(fā)電單元的功率管理單元功能獨(dú)立，可以作為一個(gè)整體單元接入高一級(jí)別的系統(tǒng)中，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

調(diào)度層能量管理系統(tǒng)和電站層能量管理系統(tǒng)相互配合、各有分工，構(gòu)成功能完全的全船能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全船設(shè)備和電氣系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的保護(hù)，及全船電力系統(tǒng)的選擇性保護(hù)。

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

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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(dòng)。E-mail: geqizhen@163.com