LNG发电船微电网的能量管理系统研究

葛启桢，耿 鹏，黎 曙



LNG发电船微电网的能量管理系统研究

葛启桢，耿 鹏，黎 曙

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

LNG发电船是一种使用液化天然气作为清洁能源的可移动式独立微电网，在港口使用LNG发电船作为辅助电源，可以大幅降低港口排放。考虑到LNG发电机组的单机最大容量的限制，设计了一种配置了功率补偿装置的微电网单元，可以根据实际需求进行并联扩容，并有效解决了LNG发电机组负载动态响应的不足。为保证该系统的稳定性以及发电质量的可靠性，建立了一套分层架构的分布式能量管理系统，该系统既具备自主性，又能保持系统的协作性及可扩展性。

LNG发电船 微电网 能量管理系统

0 引言

LNG发电船是一个独立的、可以实现自我控制、保护和管理的小型移动发配电系统。LNG发电船既可以与港口电网并网运行，为港口电网提供后备电能；也可以脱离港口电网开启孤岛运行模式，直接为港口大型船舶提供电能，辅助船舶进出港航行。船上使用的发电机组采用液化天然气（LNG）作为燃料，相比传统柴油发电机组可以大幅降低港口排放。

由于同时具备孤岛运行以及并网运行两种运行方式，其运行和切换需要有一套能量管理系统实现电能的优化调度管理。该能量管理系统不仅具有对船舶电站的监视、控制、保护功能，还将实现船舶电站同岸上电网之间的协调运行，使得本船电站能在能量管理系统的管理下满足各种工况的运行要求。

1 系统原理

1.1 系统需求

LNG发电船电气系统是一个综合的系统，在发配电方面，如船舶发电、中压配电技术，与传统的采用综合电力系统的船舶相似；在对外输电方面，如对外接口、通信联络等技术，与港口的岸电系统相似。在LNG发电船电气系统设计过程中，既要考虑船舶电气系统的要求，也要适应对不同供电对象的特点，比如不同电制要求或者不同电压等级的需求。

1.2 LNG发电船能量管理系统功能构成

能量管理系统根据功率的实时需求对每套发电单元及受电系统（岸上电网或用电船舶）进行监控，并协调各发电单元的工作，同时可以对供电系统进行故障报警和处理，为受电系统（岸上电网或用电船舶）提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。在供电系统出现故障时，能量管理系统会采取各种措施，尽可能保证连续供电，避免电站断电，确保船舶的安全性。

而且，每套发电单元配置独立的管理模块，为发电单元提供保护。汇流排与发电单元的电压和频率等参数均独立监测，且具备外部调节接口。任意一套保护和管理模块故障不会影响整个电网的正常运行，并提供发电单元电气参数显示、检测，对发电单元提供必要的报警及保护功能。

2 系统架构

2.1 LNG发电船电气系统架构

现有LNG发电机组受到燃料燃烧效率、技术水平等因素的限制，单机容量无法有效提升。为满足港口电力需求，同时考虑船舶建造以及发电单元成本因素，设计了以单条LNG发电船为一个微电网[1]，每个微电网由3台发电机组、电网补偿装置设备以及相关配电设备组成，以此作为一个独立发电单元。单个发电单元供电能力不足时，通过多发电单元并联可提升发电容量，如图1所示。该方式可以提升发电系统的可扩展性，根据实际需求调用合适数量的发电单元进行工作，避免了使用单个大容量发电单元所造成不必要的冗余。

2.2 LNG发电船能量管理系统架构

为了使LNG发电船并网发电系统内的各个发电单元既具备自主性，可以在孤岛运行模式下进行独立发电，又能保持协作性和系统的可扩展性，在任意多个发电单元并联运行时可以综合协调控制[2]。本能量管理系统采用分层的控制结构型式，即将部分控制权独立分配给发电系统内的各发电单元，由各发电单元根据并网控制器的调度指令自治运行的分布式协调控制方式[3]。同时，各发电单元也将部分控制权分配给微电网的各电源控制器，各电源控制器根据微电网功率控制器的控制指令进行发电管理。

整套能量管理系统为树状结构，可分为调度层能量管理系统和电站层能量管理系统。

图1 LNG发电船电气结构单线图

图2 能量管理系统结构示意图

2.2.1 调度层能量管理系统

调度层能量管理系统包含通讯模块、功率调度模块、监测和报警模块、人机交互模块。

1) 通讯模块负责本船电气系统与受电船或岸电系统的联络通讯，接受岸电的调度指令并返回本站的状态；

2) 功率调度模块根据岸电调度指令对功率进行分配并指定给各个发电单元的功率管理模块，同时根据调度指令直接控制输出柜断路器、主变压器断路器及中压母线的母联开关；

3) 监测和报警模块能够完成全船设备和电气系统的监测和报警，并配合完成中压母线的选择性保护；

4) 人机交互模块提供人机交互接口，为操作人员提供控制、监测和管理功能。

2.2.2 电站层能量管理系统

电站层能量管理系统由多个并行的功率管理单元组成。功率管理单元包含通信模块、功率控制模块和机组控制模块。

1) 通信模块接受调度层能量管理单元的电压、频率、有功、无功指令并反馈本单元内各个设备的工作状态；

2) 功率控制模块收集本单元内各设备的运行状态，控制各设备的运行；

3) 机组控制模块主要包括并网保护单元，机组调速器和励磁调节器。实现了机组的投入和切断控制，并提供所需的机组保护功能。

该控制系统的优点是有很强的扩展性，每个功率管理单元可以单独完成对本地电站的功率管理控制，可以作为一个整体单元接入高一级别的系统中。

3 系统稳定控制策略

3.1 孤岛发电运行模式

LNG发电机组与柴油发电机组的区别在于，前者存在功率响应速度比柴油发电机组更慢的问题，当负载功率突加时无法较快跟随负载功率变化，会导致母线电压和频率失衡。

根据同步发电机电磁转矩与输出功率的关系式

在保证发电频率恒定的情况下，输出功率与电磁转矩成正比。

根据同步发电机电压平衡的简化方程式

为提升LNG发电机组的动态特性，在LNG发电船微电网母线侧，加入了功率补偿装置，建立频率和电压的双闭环，频率外环通过向母线补偿有功功率维持频率稳定，电压内环通过向母线补偿无功电流维持母线电压恒定。

仿真结果如图3所示。

2 s时刻突加50%负载，5 s时刻再突加30%负载，8 s时刻突加20%负载，10 s时刻突卸50%负载。实线表示有功率补偿的发电机组响应曲线，虚线是无功率补偿情况下的发电机组响应。

可以看出，有功率补偿后，突加突卸负载时发电机出口端电压和机组转速冲击有所缓解，通过合适的补偿可以达到一般柴油发电机组的要求，弥补LNG机组响应慢的缺点。

图3 负载变化时发电机组的功率、电压和转速响应

3.2 并网发电运行模式

此模式下，LNG发电船主要工作在与港口陆上电网并联供电，或者是多条LNG发电船并联供电工况。

根据受电系统的功率需求，经过分配计算后，调度层能量管理系统向电站层能量管理系统的发出电压幅值、频率设定值等控制指令。各发电单元的LNG发电机组并网由电站层能量管理系统的各自功率管理单元辅助完成。

同受电系统并网由调度层功率管理系统辅助完成，整个并网过程可分为并网准备、并网问询、自动并网三个步骤。

1) 并网准备：根据受电系统发送的功率需求，经过分配计算后，判断是否需要闭合中压母联开关，并向电站层能量管理系统的各发电单元发出电压幅值、频率设定值等控制指令。同时监测控制中压母线电压幅值、频率、相位等信号是否满足并网条件。

2) 并网问询：发出准备并网信号，等待受电系统并网指令。

3) 自动并网：自动准同期并列装置采集并网点受电系统和供电系统的电压频率、幅值和相位信息，自动捕捉时机并网。

并网完成后，具备有功功率自动分配功能。保证任意发电机组长期并联运行时有功分配差度满足要求。

4 总结

调度层能量管理系统根据受电系统的用电需求，实现对各发电单元的供电模式选择及功率调度分配，并协调各发电单元的工作，使各发电机组有功分配差度满足系统要求，为受电系统提供可靠、稳定及优化配置的电力能源。

电站层能量管理系统具体实现对各发电单元的控制，完成供电模式选择，控制各发电机组的投切及功率输出。而且，电站层能量管理系统中，每个发电单元的功率管理单元功能独立，可以作为一个整体单元接入高一级别的系统中，具有很强的扩展性。

调度层能量管理系统和电站层能量管理系统相互配合、各有分工，构成功能完全的全船能量管理系统，实现对全船设备和电气系统的监测、报警，并实现相应的保护，及全船电力系统的选择性保护。

[1] 鲁宗相，王彩霞等. 微电网研究综述[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(19): 100-107.

[2] 章健, 艾芊, 王新刚. 多代理系统在微电网中的应用[J]．电力系统自动化, 2008, 32(24): 80-88．

[3] Katiraei F, Iravani R, Hatziargyriou N, et al．Micro-grids management[J]．Power and Energy Magazine, IEEE, 2008, 6(3): 54-65．

[4] 鲍薇. 多电压源型微源组网的微电网运行控制与能量管理策略研究[D]. 中国电力科学研究院, 2014.

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

葛启桢（1990-），男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电气传动。E-mail: geqizhen@163.com