船舶电力系统断电预防控制的研究

宗洪亮，侯四维，董龙龙，杨金节

（江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江 212003）

随着船舶电力推进逐渐显示出其优越性，成为未来船舶动力装置的发展方向。与此同时船舶用电设备增多，功率的增加，船舶电网的管理变得异常复杂。相对于陆地上的电网来说，船舶电站容量较小，电网输电线短，电气设备工作环境恶劣。对于因短路/接地故障、过载等引起的整个船舶电力系统断电的情况。由于一些船舶需要在复杂、多变的海洋环境中工作，船舶电力系统比陆地电力系统较容易出现一些故障。而常见的船舶电力系统的短路/接地故障、过载、发电机组跳闸等故障模式可能会导致一个整个的船舶电力系统的停电。不良的电气系统故障导致经济收入损失,严重则会破坏海洋环境事件的风险，损害行业公众舆论。这使得对船舶电力系统保护和控制方案至关重要的。本文提出了一种基于观测器的快速减负荷系统的技术来提高对船舶电力系统断电的预防控制[3]。

1 断电风险

1.1 过载

当发电容量低于电力需求时就会发生过载，以下几种情况系统会发生过载：

1)故障发电机上的断路器是断开的：由于短路或接地故障，系统负载被分配到其余在线发电机上；

2)发电机组长期过载：当发动机载荷超过它的额定功率Pgi＞Pr,gi≤amax,giPr,gi时， 发电机就会过热， 发电机产生过量电流，就会增加短路的风险，同样会增加以后短路和接地故障的倾向。如果原动机的负载超过建议标准，不久很可能会增加机械故障率；

3)原动机故障：尽管在合理时限（预警报警）内可以预测到原动机熄火，仍可能会发生一些意外的故障。式中：Pgi——电机负载；

Pr,gi——发电机的额定功率

amax,gi——发电机最大允许负荷系数

Pmax,gi——最大发电机额定功率

Pt,g——最大瞬时载荷

1.2 发电机组故障

造成发电机组熄火（关闭）且较难预测的常见故障类型有：

1）燃油系统故障：燃油管道堵塞，燃油泵故障，超速，冷却介质高温；

2）控制系统故障：润滑油低压错误显示，油雾探测器故障，曲柄箱超压，或者I/O信号的缺失；

3）操作者、人为过失：通常发生在设置、发电机组整步、负载均衡，这些情况都有可能使发动机由于逆功率保护而被误动。

1.3 断电的动态过程

发电机跳脱的情况中，反应时间是主要的问题。由于断电时的快速性，控制系统必须在有限的时间内做出反应，否则会导致断电的事件发生后会很快的传播。

当只有少数几个机组在线，一个机组跳脱，Nf=1，会导致其余每个在线机组K-1上很大的载荷步，这里每个发电机上的瞬态载荷通常在Pt,g(k,Nf=1)=1.4Pr,gi至1.8Pr,gi的范围内，因为发动机上的负载不能超过Pmax,gi(k,Nf=1)=1.15Pr,gi至1.4Pr,gi这个范围，所以要在频率下降到频率底限之前进行减负荷。

当频率降到小于频率底限时，发电机保护系统会断开断路器，由于并行的发电机间存在较高的同步转矩，通常这种情况会同时发生在并行的发电机上。当发动机上的负载大于发电机给出的所允许最高负载时，油门齿条达到极限，发动机扭矩不能再增加。因此，PMS（Power Management System）通常会启动减负荷系统。因而，减负荷的可用时间主要取决于发电机组惯性、在线发电机组。

2 快速减负荷系统

2.1 所需减负载量

关于所要减少的负载量，可以用3种主要的方法。

1)减小超出的负载。故障发生后，发动机立即分担部分网络负载，但由于发动机允许负载受到限制，超出的负载必须由减负荷系统削去；

2)减小全瞬态加载载荷。发动机不分担任何超出初始故障前负载的额外负载，这时故障后发动机加载同等于故障前加载，故障清除后，发动机可以缓慢加载到允许最大负载；

3)结合方法一和方法二提出一种新的方法。应用方法一和方法二的结合，可以取得最佳方法，最大化减负载所需的时限，本方法可根据发动机的实时加载来选择。

2.2 快速减负荷的控制方法

以下是已经应用于海洋船舶的不同类型的快速减负荷算法：

1）基于有效功率式卸载：根据有效功率进行卸载，网络会分阶段断开不重要的耗载件；

2）基于频率式卸载：当频率低于临界值时发挥作用。这种控制通常用在路基型装置的频率控制上；

3）基于事件式快速减负荷EB-FLR：当保护继电器断开在线发电机组的断路器时，基于事件的快速减负荷系统从交换机传感器接收到信号；

4）基于频敏相控追溯系统：快速减负荷系统以频率下降为基础，而系统保护措施导致频率下降，由于系统保护措施将会将故障区直接隔断。

文中将提出一个新的方法，基于观察器的快速减负荷系统。基于观察器的快速减负荷系统对于反应时间，比现存快速减负荷控制器执行的更快[1-2]。如图1所示。

图1 应用基于观察器的快速减负荷系统Fig.1 Observer-based fast load reduction System

2.3 频率检测的方法

全波傅氏测频算法，其基本思想是假设被采样模拟信号是一个时间函数，然后根据傅氏级数原理，可求出各次谐波的幅值与初相角，再利用前后两次求出的初相角，即可求出在一个测量周期内频率的改变量，进而求得系统频率。首先假设系统电压信号仅含基频分量，系统的额定基频为f0，采样频率为Nf0，系统的实际频率为f，f=f0+△f，则电压信号可表示为：

以上(2)～(4)式，即为频率测量基本公式。所以只要能够精确算出时间间隔T0内相角的改变量△φ，就可以得到系统频率的精确值。

将式(1)离散化，得

当△f=f-f0=0 时，uR=umsinα0，u1=umcosα0即电压向量的初始相角与其傅氏滤波相角的相角大小相等。分别求出电压向量相邻两周波的初始相角，它们的差即为一周波内电压向量变化的角度△φ，再应用公式(4)，即可求出系统频率。

3 实例仿真

在全电力推进的船舶中，推进器由变频驱动而且在船舶用电设备中功率偏大，所以本文以某1 500米作业水深钻井船为模型，试验结果如图2～图4所示。其中功率缺额分别为0.1，0.2，0.4时参考输入。系统初始运行阶段，当遇到突发的功率缺额事故时，为了防止电力系统频率在事故状态下大幅度下降、并保证系统安全运行，通过控制器降低船舶大功率用电设备功率直至系统频率恢复到安全范围内[4]。

3.1 仿真结果

由图2～图4可以看出：功率缺额较小时，能有效的切削负荷 使之恢复到标准频率左右，而功率缺额较大时，也能是频率恢复到安全运行的范围[5-6]。

4 结论

图2 功率缺额为0.1时，频率恢复曲线Fig.2 Power shortfall of 0.1,the frequency recovery curve

图3 功率缺额为0.2时，频率恢复曲线Fig.3 Power shortfall of 0.2,the frequency recovery curve

图4 功率缺额为0.4时，频率回复曲线Fig.4 Power shortfall of 0.4,the frequency recovery curve

文中给出了一种基于观测器[7]的快速减负荷系统的技术来提高对船舶电力系统断电的预防控制。当发生发电机[8]过载、脱钩等故障时，通过对频率的变化的检测，降低大功率设备的功率，恢复电力系统的稳定。可以减少由于不良的电气系统故障导致经济收入损失。希望能对实际的工程应用有一定的指导意义。

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