蔡清男，朱志宇

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

隨著現(xiàn)代電力船舶技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)已成為主流的推進(jìn)方式，因此對(duì)動(dòng)力裝置的要求也越來(lái)越高。隨之而來(lái)的是電力推進(jìn)船舶用電量的增加導(dǎo)致船舶電網(wǎng)的管理也變得愈加復(fù)雜。相比陸地上的電網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，船舶電站的電網(wǎng)容量較小，由于在海上航行，船上的各種電氣設(shè)備面臨著更惡劣的工作環(huán)境，因此造成的耗損也將更大。能量管理系統(tǒng)在保證船舶供電可靠性及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)船舶最小燃油消耗，減少電氣設(shè)備耗損，提高船舶經(jīng)濟(jì)性，從發(fā)電到用電之間實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化配置管理[1]。因此，能量管理系統(tǒng)結(jié)合其他控制系統(tǒng)相互控制，使船舶電站在發(fā)生故障時(shí)，例如發(fā)電機(jī)組跳閘，保證船舶的穩(wěn)定運(yùn)行，使船舶的性能可以得到最大程度的發(fā)揮。陸地上電力系統(tǒng)的減載策略已趨于成熟，文獻(xiàn)[2–6]詳細(xì)敘述了陸地電網(wǎng)低頻減載策略及優(yōu)化算法。本文借鑒陸地上電力系統(tǒng)的減載策略，在分析發(fā)電機(jī)組響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)電機(jī)組跳閘的情況，分析了不同降低負(fù)載控制方法的優(yōu)劣性，根據(jù)不同的瞬態(tài)負(fù)載選擇合適的減載量，在提出的優(yōu)化減載量的基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶失電快速性的特點(diǎn)，提出一種在系統(tǒng)頻率變化未知時(shí)頻率檢測(cè)的方法，通過(guò)2次不同電壓的采樣值，在船舶發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí)，能有效快速地檢測(cè)電網(wǎng)頻率的變化，為減載系統(tǒng)及時(shí)提供控制信號(hào)以進(jìn)行減載控制。

1 發(fā)電機(jī)響應(yīng)特性

發(fā)電機(jī)發(fā)生跳閘故障，必須在很短時(shí)間內(nèi)使電力系統(tǒng)重新達(dá)到正常狀態(tài)。受制于失電的快速性，系統(tǒng)需要在短時(shí)內(nèi)做出反應(yīng)，保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

由于發(fā)電機(jī)組本身是一個(gè)慣性系統(tǒng)，且在網(wǎng)機(jī)組的數(shù)量也影響著減載系統(tǒng)的可用時(shí)間，因此根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)第二規(guī)律，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子作用與發(fā)電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩關(guān)系表述如下[7]：

式中：為發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)，s；為額定角速度，，為額定頻率；為加速轉(zhuǎn)矩，采用標(biāo)幺值。

將式（1）進(jìn)行簡(jiǎn)化，在標(biāo)幺值的情況下，采用經(jīng)典的同步發(fā)電機(jī)模型，當(dāng)角速度接近認(rèn)為的定值時(shí)，加速功率在 數(shù)值上等于加速轉(zhuǎn)矩，那么式（1）可改為如下形式：

根據(jù)式（2），由1臺(tái)發(fā)電機(jī)跳閘引起在網(wǎng)發(fā)電機(jī)頻率降低，定義安全時(shí)間為頻率下降到最低允許值的時(shí)間：

式中：為頻率變化量，為最大過(guò)載量。

現(xiàn)定義發(fā)電機(jī)出現(xiàn)跳閘故障時(shí)，在網(wǎng)機(jī)組的瞬態(tài)階躍負(fù)載如下:

式中：為在網(wǎng)機(jī)組瞬態(tài)負(fù)載變化量；為跳閘機(jī)組數(shù)量；為 在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量；為跳閘發(fā)電機(jī)組的負(fù)載。

每臺(tái)發(fā)電機(jī)組提供的功率與它的慣性時(shí)間常數(shù)和額定功率成比例關(guān)系?；诎l(fā)電機(jī)組同步的情況，現(xiàn)定義每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的階躍負(fù)載，計(jì)算公式如下：式中：為每臺(tái)發(fā)電機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)，s；為發(fā)電機(jī)組額定功率。

現(xiàn)定義每臺(tái)發(fā)電機(jī)負(fù)載與瞬態(tài)階躍負(fù)載之和為瞬態(tài)負(fù)載：

從圖1可以看出，圖中區(qū)域以安全時(shí)間為分界線，在曲線左下方區(qū)域?yàn)榘l(fā)電機(jī)組可承受的最大瞬態(tài)負(fù)載量，右上方區(qū)域?yàn)榘l(fā)生失電故障危險(xiǎn)的瞬態(tài)負(fù)載量。對(duì)于不同的控制方法而言，都會(huì)造成其安全時(shí)間值也不同，允許的最大瞬態(tài)負(fù)載量也不相同。根據(jù)圖1所示，當(dāng)最大瞬態(tài)負(fù)載達(dá)到160%時(shí)，減載控制的響應(yīng)時(shí)間在500 ms之內(nèi)。

圖 1 負(fù)載控制反應(yīng)時(shí)間Fig. 1 Load control the reaction time

根據(jù)式（3）可知，當(dāng)減載量較低時(shí)，則加載的時(shí)間限制將延長(zhǎng)?？焖贉p載系統(tǒng)（FLR）的減載取決于最大瞬態(tài)負(fù)載，現(xiàn)定義減載系統(tǒng)瞬態(tài)負(fù)載變化量如下：

船級(jí)社規(guī)定發(fā)電機(jī)組最大頻率降限值和柴油機(jī)承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)載而引起的額外的頻率降，定義減載系統(tǒng)頻率允許頻率降如下:

2 快速減載控制方法

當(dāng)在網(wǎng)機(jī)組原本就少而發(fā)生1臺(tái)機(jī)組跳閘的情況，則會(huì)呈現(xiàn)出在網(wǎng)機(jī)組負(fù)載波動(dòng)達(dá)到140%～160%的現(xiàn)象，危及到整個(gè)船舶電力系統(tǒng)。因此，能量管理系統(tǒng)必須盡快減少負(fù)載來(lái)降低其他機(jī)組的負(fù)載以防止發(fā)生連環(huán)效應(yīng)。對(duì)于各船舶柴油機(jī)發(fā)電機(jī)，根據(jù)船級(jí)社要求，發(fā)電機(jī)必須在0.5～1 s內(nèi)減去多余的負(fù)載以保證船舶運(yùn)行的安全性。

圖 2 能量管理系統(tǒng)的控制步驟Fig. 2 Power management system control steps

圖2描述的是能量管理系統(tǒng)控制減載步驟。系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到在網(wǎng)機(jī)組由于跳閘機(jī)組引起的高瞬態(tài)負(fù)載，在安全時(shí)間內(nèi)通過(guò)減去其多余的加載在在網(wǎng)機(jī)組上的負(fù)載，保證負(fù)載分配正常，起到保護(hù)安全的作用。經(jīng)研究，已有如下幾種比較成熟的減載方法運(yùn)用在海洋船舶上：

1）基于可用功率的卸載方式：根據(jù)有功功率進(jìn)行減負(fù)載，通過(guò)各層節(jié)點(diǎn)分階段斷開(kāi)不重要的耗載件；

2）基于頻率的卸載方式：當(dāng)頻率低于臨界值時(shí)發(fā)揮作用，通過(guò)全波傅里葉測(cè)頻算法檢測(cè)電網(wǎng)的頻率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

3）基于事件的減載方式：根據(jù)減載件的不同重要性進(jìn)行有選擇的減載；

4）基于頻率的相反饋減載方式：以頻率下降為基礎(chǔ)系統(tǒng)保護(hù)措施將故障區(qū)直接隔斷。

3 減載數(shù)量

3.1 過(guò)量瞬態(tài)階躍負(fù)載減載

柴油機(jī)的慣性和柴油機(jī)對(duì)階躍負(fù)載的反應(yīng)能力決定了剩余在網(wǎng)機(jī)組能承擔(dān)階躍負(fù)載的時(shí)間。當(dāng)快速減載系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成減去超過(guò)柴油機(jī)最大承受量上限的負(fù)載時(shí)，則，通過(guò)式（7）和式（8），得到如下公式：

通常根據(jù)柴油機(jī)的特性有如下限制;

式中：為柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)利用柴油機(jī)最大階躍負(fù)載能力進(jìn)行減載時(shí)間計(jì)算時(shí)，可得出如下公式：

達(dá)到頻率下限時(shí)間必須設(shè)置高于或等于快速減載所需要的時(shí)間，即，才能保證系統(tǒng)有足夠的反應(yīng)時(shí)間來(lái)減負(fù)載。

快速減載系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間可能的范圍：tFLR≤0.5 s。當(dāng)時(shí)，式（11）可改寫(xiě)為：

3.2 全瞬態(tài)階躍負(fù)載減載

如果要求減掉所有故障后的負(fù)載，則，由此可得出：

全瞬態(tài)階躍負(fù)載減載所需時(shí)間和柴油機(jī)不承擔(dān)故障后的階躍負(fù)載的計(jì)算如下：

4 優(yōu)化瞬態(tài)階躍負(fù)載減載

本文將上述2種不同的控制策略進(jìn)行優(yōu)化組合，以達(dá)到降低減載所需的時(shí)間。當(dāng)發(fā)生故障前運(yùn)行的負(fù)載不同時(shí)，其可承受的階躍負(fù)載能力也不同，而按照船級(jí)社的規(guī)范，定義的柴油機(jī)的最大允許負(fù)載階躍，其線性方程表示如下：

柴油機(jī)接近最優(yōu)的負(fù)載階躍響應(yīng)如圖3所示。

圖 3 策略1和策略2的減載時(shí)間關(guān)系Fig. 3 Strategy 1 and 2 of the lightening time relationship

為了找到柴油機(jī)最優(yōu)階躍響應(yīng)，本文將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定如下：

5 頻率檢測(cè)方法

基于本文提出的優(yōu)化后的瞬態(tài)階躍負(fù)載的減載量，本文結(jié)合陸地上電網(wǎng)頻率檢測(cè)以及船舶失電的快速性，提出一種在系統(tǒng)頻率變化趨勢(shì)未知時(shí)頻率檢測(cè)的方法。首先，通過(guò)濾波器對(duì)母線三相電壓進(jìn)行采樣得到基頻分量。三相電壓各自的余弦表達(dá)式為：

由式（18）～式（20）容易得出，A相電壓對(duì)應(yīng)的正弦表達(dá)式為：

由式（18）和式（21）可以得出實(shí)時(shí)測(cè)量的電壓幅值

取2次不同的采樣值，例如取次采樣值，可計(jì)算頻率如下，

因此，由式（23）可得

其中為采樣間隔時(shí)間。

快速減負(fù)載系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖 4 快速減負(fù)載系統(tǒng)Fig. 4 Rapid during the load system

6 動(dòng)態(tài)仿真及結(jié)果分析

6.1 動(dòng)態(tài)特性

通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)組加載、減載，簡(jiǎn)單模擬發(fā)電機(jī)輸出功率的變化，驗(yàn)證發(fā)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定性和可靠性。圖5和圖6顯示了對(duì)2臺(tái)發(fā)電機(jī)在網(wǎng)進(jìn)行加載仿真。

0 s時(shí)加載到33%，3 s時(shí)加載到66%，6 s時(shí)加載到100%，這是一般柴油機(jī)的加載過(guò)程。從圖5和圖6中可以看出2臺(tái)發(fā)電機(jī)的功率有明顯的階躍反應(yīng)，并最終達(dá)到穩(wěn)住狀態(tài)。電網(wǎng)頻率也出現(xiàn)了明顯的下降，其偏差在1 Hz以內(nèi)，小于2%。。

圖 5 發(fā)電機(jī)在網(wǎng)加載功率變化Fig. 5 Generator load changes in power network

圖 6 發(fā)電機(jī)在網(wǎng)加載頻率變化Fig. 6 Generator in network load frequency change

仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)M了發(fā)電機(jī)組減載過(guò)程，圖7和圖8顯示了發(fā)電機(jī)組減載仿真特性。

圖 7 發(fā)電機(jī)在網(wǎng)減載功率變化Fig. 7 Generator lightening power changes in the network

圖 8 發(fā)電機(jī)在網(wǎng)減載頻率變化Fig. 8 Generator in network load shedding frequency change

發(fā)電機(jī)組從額定負(fù)載情況下進(jìn)行減載操作，首先減去40%的負(fù)載，從圖7和圖8中可以看出，整個(gè)柴油機(jī)的功率出現(xiàn)快速的下降，同時(shí)會(huì)有一定的回升，主要是防止頻率下降時(shí)，使整個(gè)電網(wǎng)頻率過(guò)低，從而引起發(fā)電機(jī)組主開(kāi)關(guān)跳閘，最終導(dǎo)致失電事故的發(fā)生。電網(wǎng)頻率也有一定的上升現(xiàn)象，并最終回到額定頻率，其頻率偏差在1 Hz以內(nèi)。用過(guò)以上仿真驗(yàn)證柴油發(fā)電機(jī)功率輸出的穩(wěn)定性，為接下來(lái)的仿真實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

6.2 分析比較

實(shí)驗(yàn)?zāi)M2臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)情況下，1臺(tái)發(fā)電機(jī)組跳閘時(shí)，在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的特性以及減載特性進(jìn)行仿真研究。

圖9和圖10顯示了2臺(tái)發(fā)電機(jī)的仿真結(jié)果，其中H1=H2=2 s，故障前的狀態(tài)為：1號(hào)發(fā)電機(jī)和2號(hào)發(fā)電機(jī)進(jìn)行正常的運(yùn)作。在第6 s 2號(hào)發(fā)電機(jī)跳閘，從圖9中可以看出，在傳統(tǒng)方法的減載系統(tǒng)中，在發(fā)生跳閘后的1.9 s時(shí)，減載系統(tǒng)對(duì)不重要的負(fù)載進(jìn)行減載，所需時(shí)間較長(zhǎng)，電網(wǎng)頻率回升速度也較慢；從圖10中可以看出，本文所提出的改進(jìn)減載方法，在發(fā)生跳閘0.4 s進(jìn)行多余負(fù)載減載，電網(wǎng)頻率回升速度也較快。

圖 9 傳統(tǒng)減載方法下發(fā)電機(jī)跳閘頻率變化Fig. 9 Conventional method of lightening issued by motor tripping frequency change

圖 10 改進(jìn)減載方法下發(fā)電機(jī)跳閘頻率變化Fig. 10 Improved method of reducing load generator tripping frequency change

7 結(jié) 語(yǔ)

從改進(jìn)后的減載方法策略與傳統(tǒng)的減載方法策略的比較可以得出以下規(guī)律：

1）傳統(tǒng)的減載方法由于在電網(wǎng)頻率檢測(cè)上缺乏快速性，導(dǎo)致減載所需的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)實(shí)際功率缺額的計(jì)算也不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致在減載量具有一定的偏差，同時(shí)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率回升速度較慢。

2）改進(jìn)后的減載方法，由于采用了2次不定時(shí)采樣，當(dāng)電網(wǎng)頻率變化未知時(shí)也能精確測(cè)量頻率的變化，因此減載速度要快于傳統(tǒng)的減載方法。同時(shí)，結(jié)合本文所提出的優(yōu)化的減載量整定策略，較精確地控制所需切削的負(fù)載，因此，負(fù)載切削后電網(wǎng)的頻率回升速度也比較快。

綜上所述，本文所提出來(lái)的減載量整定方法與頻率檢測(cè)方案相結(jié)合，在柴油機(jī)發(fā)生跳閘時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的恢復(fù)具有快速性，效果好于傳統(tǒng)的減載方法。

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