船舶共直流母线混合电力推进系统技术探讨

徐龙堂,董晓妮

(北车船舶与海洋工程发展有限公司,上海201206)

船舶共直流母线混合电力推进系统技术探讨

徐龙堂,董晓妮

(北车船舶与海洋工程发展有限公司,上海201206)

为了提升船舶交流配电电力推进系统的技术稳定性、可靠性和经济性,以及系统优化需求,提出了以变速永磁发电为供电电源的船舶共直流母线混合电力推进系统设计方案,并对方案的系统配置、硬件构成、网络构架进行介绍,形成系统设计的总体技术框架。研究分析了直流配电混合电力推进系统的直流母线电压控制和系统选择性保护关键技术,确定了系统在不同工况下的功率点计算与功率分配控制策略,以及基于差动保护的选择性保护方法,最后给出了直流母线电压下垂控制方法以及不同供电单元组合下的系统网压控制方式,以满足直流配电系统在不同运行工况下的动态响应以及系统稳定性、经济性要求。研究结果可作为国内船舶直流配电电力推进系统开发设计的有益借鉴,并可应用于渔船及高端船舶的直流配电电力推进系统开发。

共直流母线系统;电压下垂控制;选择性保护;变速发电机组

随着电力电子技术的发展,交流配电电力推进系统已广泛应用于军船、公务船、工程船、豪华邮轮及海洋工程等特种船舶的基础上,并开始推广应用于作业工况复杂、经济性要求高的渔业船舶领域[1-2]。与传统主机推进系统相比较,交流配电电力推进系统在船舶机动性、设备布置及节能减排等方面表现出了较好的综合性能[3],但还不能完全满足工况复杂、能耗高的捕捞渔船对系统动态性及经济性要求。以围网渔船为例,电力推进系统即要满足系统运行噪声低、设备占据空间小、重量轻的基本要求,又要满足渔船不同捕捞工况的系统动态响应,还要兼顾船东对渔船的低燃油消耗要求。近年来,国内已有交流电力推进系统在围网、拖网渔船上应用,但系统投入回报及使用性能与船东期望还有一定差距。由此推动了直流配电电力推进系统的研究开发,以满足电力推进船舶综合性能的高要求。

在交流配电电力推进系统中,发电机组定速运行限制了柴油机经济性的发挥,增加了柴油机的故障率;而直流系统不仅扩大了柴油机经济运行转速范围,增强了系统鲁棒性,降低了系统空间占用和重量;同时使系统在分布电源接入、能量存储利用、负荷扰动抑制、节能减排降噪方面均具有突出的技术优势[4-5]。例如,某平台供应船配属交流与直流两种电推系统,在相同功率等级情况下,直流电推系统设备重量比交流的减少26%。

根据直流系统电源侧的供电方式不同,直流配电电力推进系统有异步发电、无刷同步发电及永磁同步发电等多种供电形式。本研究提出以永磁同步发电机及供电变流器为供电单元的直流配电混合电力推进系统设计方案,并对直流母线电压控制及主电路选择性保护设计提出对应的电压控制策略和选择性保护设计方法,解决永磁发电直流推进系统的功率分配、网压控制和主电路保护问题,具有技术借鉴意义。

1 直流配电混合电力推进系统构成

1.1 推进系统配置

本研究建立的直流配电混合电力推进系统采用单一电压等级集中式直流配电,配电系统以模块化、功能化的单元形式集成,易于实现定制化和多样化的船舶推进系统集成要求(图1)。系统构成模块包括变速发电机组、直流配电板(包含供电、用电变流器及储能系统直-直变换器)、功率管理系统(PMS)、推进控制系统(PCS)及远程监控系统(RMS)。直流母线作为电力系统配电主网,各供电、用电变流器和储能系统直-直变换器通过保护电器挂接于直流母线,变速发电机和轴发均采用永磁同步发电机,通过供电变流器整流并网。系统按照运行经济性最优原则,对变速发电机组、蓄电池储能系统及轴发系统组成的动力源进行多组合的灵活配置,构成多种供电及推进模式。

1.2 系统硬件功能

图2是系统功能块及功率流向图。变速发电机组、轴发系统、蓄电池组储能系统组成系统供电部分。变速发电机组是系统的主要电力来源,通过供电变流器并接于直流母线;轴发系统根据轴带发电机运行模式(PTO)和轴带电动机运行模式(PTI)以及控制指令对主推进器推进动力或直流配电电力进行有效补充,提高推进功率或主机的功率利用;蓄电池组构成系统运行的能量存储部分,双向直-直(DC/DC)变换器根据系统指令完成对蓄电池组与直流母线的充放电转换,向系统提供或吸收瞬态功率变化能量,平抑突变负荷扰动对系统电网的冲击,降低原动机的功率波动[7-9];各用电变流器模块根据系统指令完成对负载的驱动控制。直流配电板是直流母线系统中的电能转换执行部件,完成发电和用电的交-直-交转换,或直-直变换。

1.3 系统控制网络

在系统控制构架(图3)中,推进控制系统、远程监控系统及服务器以光纤通讯连接,构成系统操作层控制;功率管理系统是系统层控制;柴油机变速控制、直流配电板电力电子变流控制及推进器控制构成系统的设备层控制,系统层和设备层的控制通过双冗余Profibus总线连接通讯。

2 系统关键技术分析

2.1 功率分配控制

2.1.1 系统工作功率点确定

系统工作功率点的确定包括推进功率计算、功率分配计算及运行指令计算判别。系统运行中,功率管理系统与推进控制系统通过Profibus总线连接,实时接收推进控制指令并向推进控制系统反馈。功率管理系统通过工业总线实时接收来自推进控制系统的推进指令SP或TP以及推进模式,计算主推进和侧推运行需求功率PP,并根据推进模式选择确定辅助机械功率需求PA。以上功率之和构成系统功率控制基准Pref,并以此计算值确定系统供电组合方式M∗;同时功率管理系统通过工业总线实时接收供电、用电的各电力电子变流模块实际输入/输出功率,计算总功率反馈值Pfb,接收蓄电池储能系统荷电功率PSOC反馈值,在PMS的软件设计中,变速柴油机和轴发的转速—功率燃油率曲线以数据表的形式参数化,程序根据系统功率控制基准Pref和系统供电组合方式M∗,计算确定各供电单元输出功率,据此查表,确定并输出主机转速指令及变速发电机组转速指令轴发输出功率指令蓄电池储能系统充放电指令C∗。图4是计算系统工作功率点控制框图。

2.1.2 不同供电工况的网压控制方式

系统工作功率点确定后,即确定了变速发电机组供电变流器、蓄电池储能直-直变换器、轴发供电变流器/变换器的并网运行组合工况,表2列出了系统7种供电并网工况及对应的网压控制方式。单一变速机组供电变流器并网或单一储能直-直变换器并网时,网压控制由该并网的变流器或直-直变换器控制,直流母线电压控制较为简单;双变速机组供电变流器并网或双储能直-直变换器并网,则需按照对等下垂输出特性控制供电变流器或直-直变换器输出功率,进而控制母线电压恒定;变速机组供电变流器与储能直-直变换器同时并网,变速机组供电变流器控制母线电压,储能直-直变换器跟随母线电压,平抑系统的小功率波动。

以工况5为例,当轴发按发电机运行模式方式与变速发电机组同时并网运行时,变速柴油机组按照系统转速指令稳定在n∗运行,直流母线电压由并网的变速柴油机组供电变流器控制,轴发供电变流器仅检测跟随母线电压,并按照功率指令P∗SG向直流母线输出功率,各负载变流器按照船舶操作控制指令从直流母线吸收功率驱动负载设备运行,蓄电池储能单元通过直-直变换器控制调节直流母线瞬态功率波动,保证系统在快速动态响应大负荷用电需求,同时也保证变速机组输出功率稳定及母线电压稳定。此工况下,直流母线电压控制由2台变速机组供电变流器按照对等模式下垂特性控制,2台发电机组的供电变流器输出特性均具有相同的下垂系数,其输出电压的变化值ΔU相同。各发电机组按照下垂特性分担变化功率负荷,对机组输出功率进行自动参与、自动按比例均匀分配,实现直流网电压恒定控制[10-13]。

2.2 母线电压控制

图1 共直流母线混合电力推进系统单线图Fig.1 The single-line diagram of common DC bus hybrid-electric propulsion system

图2 共直流母线混合电力推进系统功能块及功率流向图Fig.2 The function block and power flow diagram of common DC bus hybrid-electric propulsion system

图3 共直流母线混合电力推进系统控制网络构架Fig.3 The control network architecture of common DC bus hybrid-electric propulsion system

图4 系统工作功率点控制框图Fig.4 The control block diagram of system work power-point

表2 系统供电工况及网压控制方式Tab.2 The system power supply condition and grid voltage control method

直流配电系统中,直流母线电压控制有多种方式。其中,电压下垂控制具有系统动态响应快、可扩展性好、供电变流器组合方便等优点[8,14-16],非常适合船舶推进负载控制特性要求。表3给出了直流母线电压不同控制策略性能比较[14]。

表3 不同控制策略性能比较Tab.3 The performance comparison of various control strategies

当系统由2台变速机组供电变流器并网或2台储能变流器并网时,供电变流器按照对等下垂输出特性控制变流器输出功率,进而控制直流母线电压稳定。图5给出了系统在2台变速机组供电变流器并网或2台储能变换器并网时供电变流器的下垂控制特性。图中,UREF为直流母线电压基准,UA和UB为系统工作点A和B的母线电压, UHMAX和ULMIN为直流母线电压的最大变化范围。

当系统稳定运行于工作点A,负载稳定、无制动能量回馈时,直流母线电压ULMIN≤UA≤UREF,并网的2个变速机组供电变流器按照下垂系数kd1均匀分担低频负载功率,两个储能直-直变换器按照下垂系数kb1及当前荷电功率SOC分担高频波动功率(高吸低补),调节系统的直流母线电压在UA稳定运行。

当系统在工作点A增加负载时,直流母线电压下降,并网的2个变速机组供电变流器按照下垂系数kd1均匀分担增大的低频负载功率,储能直-直变换器按照下垂系数kb1分担高频波动功率(高吸低补),并使系统稳定运行于工作点B,2个变速机组供电变流器分担稳态功率ΔPd=-kd1× (UB-UA),2个储能直-直变换器分担瞬态平均功率。

当系统运行于降负载或制动工况时,直流母线电压上升,当UDC

2.3 选择性保护设计

图5 系统供电变流器和储能直-直变换器的电压下垂控制特性Fig.5 The voltage droop control characteristics of system supply converter and stored energy DC-DC converter

船舶直流电力系统的短路特点使得基于时间原则的瞬时选择性保护对系统不同故障点的短路电流水平及快速熔断器动作时间精度的依赖非常大,很难实现直流电力系统保护选择性与快速性兼容的要求[17-18]。本研究提出基于差动保护的选择性保护方法,一定程度上解决了按时间原则整定的系统选择性保护在时间上的牺牲,提高了兼顾了系统在短路工况下的选择性与快速性要求,进而保障系统快速对供电、用电功率进行增补,并控制各变流设备运行。

差动保护主要配置于发电机输出端的断路器,当发电机支路以外的外部电路短路时(例如:负载支路短路),按照基尔霍夫电流定律[19]:

式中:Id—差动电流;Ij—引出线j上流入被保护设备的电流。

当本支路内部电路短路时(如发电机出口电路),按照基尔霍夫电流定律,则有Id≠0。当内部故障时,各引出线上电流相位基本一致,差动电流有较大值,设置合适的差动电流阀值,即可有效区分内、外部故障,可保证选择性及保护动作的灵敏、快速。

3 结论

以直流配电技术为核心的共直流母线电力推进系统已成为当前船舶电力推进系统的新一代创新技术。本研究以共直流母线混合电力推进系统设计为例,从系统总体设计角度对关键技术进行深入分析、探讨,并给出控制策略,提出的设计方案、控制策略对国内船舶共直流母线电力推进系统的设计开发具有一定的借鉴作用。随着国内对船舶直流配电技术及控制技术的深入研究及实船开发运用,拥有自主知识产权的共直流母线电力推进系统将很快进入实船应用。

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Study on technology of shipboard common DC bus hybrid-electric propulsion system

XU Longtang,DONG Xiaoni
(CNR Ship&Ocean Engineering Development Co.,Ltd,Shanghai 201206,China)

For improvement of technology stability,reliability and economical efficiency of the shipboard AC distribution electric propulsion system,and requirement of system optimization,a design scheme of shipboard common DC bus hybrid-electric propulsion system with variable speed permanent magnet generator as power supply is proposed,and the system configuration,hardware constitution and network architecture are introduced in the scheme to form the overall technology framework of system design.Such key technologies as DC bus voltage control and selective protection of the DC distribution hybrid electric propulsion system are studied and analyzed,power point calculation,power distribution control strategy and selective protection method based on differential protection of the system under different conditions are determined,and finally DC bus voltage droop control method and network voltage controlmode under different power supply unit combinations are provided, so as to satisfy the dynamic response,stability and economical efficiency of DC distribution system under different conditions.The results may be helpful reference for development and design of shipboard DC distribution electric propulsion system at home,and applied to development of the DC distribution electric propulsion system of fishing ships and high-end ships.

common DC bus system;voltage droop control;selective protection;variable speed generator set

U665.13

A

1007-9580(2017)03-070-07

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.012

2017-03-15

上海市科技兴海项目“大型海上海业综合服务平台总体技术研究(15DZ1202100)”

徐龙堂(1974—),男,高级工程师,研究方向:船舶电力推进系统。E-mail:xultxsp@163.com