功率限制策略在船舶直流电站中的应用

高秋玲，杨坤旭，陈 坤

应用研究

功率限制策略在船舶直流电站中的应用

高秋玲1，杨坤旭2，陈 坤2

（1. 中海油安全技术服务有限公司，天津 300450；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

作为船舶综合电力系统最大也是最主要的用电负荷，推进负载直接连接在船舶电网主回路上，其负载的突变或者发电机组突然故障跳闸等引起的船舶电网结构突变均可能导致发电机组过载运行、船舶电网震荡甚至船舶黑船失去动力，非常危险。为解决以上问题，提出了一种采用直流母线电压结合机组负荷率来表征船舶电网运行状态，实现推进负载功率限制的方法。从而实现推进负载与船舶电站协调控制，确保直流电站综合电力系统的稳定性和可靠性。经过实船应用验证后发现，该功率限制方法可以在负载突变或者电网结构发生突变时快速地对推进负载进行调整，实现推进负载与船舶电网的协同控制，可以保证船舶电站的稳定性和可靠性。

功率限制 推进变频器 直流电站

0 引言

近些年，船舶电力推进技术快速发展，其中直流组网技术突飞猛进，俨然已经成为了一个新的风口。直流电站的主电网采用直流电制，直流配电电网只关注直流母线电压，对原动机并没有恒频运行的需求，于是可以突破频率和发电机转速的限制，在发电变频器的作用下可以采用变速发电等比较前沿的技术降低原动机单位油耗。而且可以选用高速发电机组，降低发电系统体积和重量，以及通过进行发电机组变速规避某些共振点。直流配电系统电参数只需关注直流母线电压，控制更为简单，使多机组系统并网速度更快，动力响应更快。直流系统采集主电网电压的速度快于交流系统采集频率、相位的速度，同时各单元计算实时功率速度更快，有利于快速感知电网电源与负载的状态，进行功率匹配控制，提高系统的稳定性。相对交流系统，设备数量明显减少，集成度更高，高度集成化设计同时降低了系统外部接口的复杂性，有利于舱室布置和电缆布线设计及冷却系统设计[1-2]。

通常来说，推进负载是船舶综合电力系统最大也是最主要的负载，基本上可以占据船舶电站50%～80%以上的用电功率。为了防止船舶电站运行过程中出现发电机组过载运行，或者因某台发电机组故障跳闸而引起发电机组连续跳闸最终导致船舶黑船失去动力的情况发生，推进变频器需要具有功率限制功能。在发电机组即将出现过载时，对推进负载进行限制；当出现发电机组跳闸或者严重过载时，对推进负载进行快速减载，以保证船舶电网的稳定性和可靠性。传统的推进负载功率限制功能，采用发电机组负荷率结合发电机组并网开关状态的方式来进行发电机组负载情况和运行状态判断，从而实现功率限制[3-4]。

发电机组并网开关多采用断路器，其故障跳闸状态反馈时间稍长，且线缆断裂或接线松动等情况误触发功率限制功能。对于直流电站来说，由于主电网采用的是直流电制，船上所有主要的变流器设备和负载（如发电变频器、逆变电源、推进变频器等等）共直流母线，于是，通过直流母线电压就能够很好地反映出直流电站的运行状态和稳定性。通过直流母线电压表征直流电站的运行状态和稳定性，无疑为采用直流电站系统的船舶综合电力系统实现功率限制功能提供了另外的解决方案和途径。

1 船舶直流电站系统简介

图1为某深海装备综合试验船综合电力系统的拓扑结构，该系统采用直流电站技术，所有供配电设备共用直流母线。整个直流电站系统由异步发电机组、逆变电源、主推变频器，以及侧推变频器、甲板机械电源和电力电子开关等主要电力变换设备组成，而且所有电力变换设备均集中布置于直流配电板内，设备集成度较高。

直流主配电板左、右舷各有1台主推变频器，主推变频器采用12相H桥式拓扑结构，SVPWM调制策略，并采用载波移相、谐波注入等振动噪声控制算法，2台变频器分别驱动1台12相永磁推进电机。

图1 某试验船直流电站系统拓扑

2 功率限制策略

功率限制策略通过直流母线电压结合发电机组最大负荷率来表征船舶电网的运行状态，从而对推进负载进行动态调整和限制，以实现推进负载与船舶电网的协调控制。

功率限制功能分为动态功率限制和快速功率限制。动态功率限制：推进变频器实时采集发电机组的运行状态和机组负荷率等数据，船舶正常运行过程中，当在网运行发电机组最大负荷率达到0.9时，对推进负载功率进行限制，不再跟随车钟指令继续增加；当最大机组负荷率低于0.85时，推进负载功率不再受限制，跟随车钟指令运行。快速功率限制：推进变频器实时采集直流母线电压和发电机组负荷率等数据，当发电机组负荷率大于1.05或者直流母线电压瞬时值以及变化率超出动作阈值时，快速减小推进变频器的输出功率限制值，以限制推进负载功率，保持一段时间后逐渐增大推进变频器的输出功率限制值直至触发动态功率限制。

3 试验验证

在实船系统进行试验验证，发电机组G2和G3并联运行，左、右舷推进变频器负载功率各约2MW，突然将发电机组G2急停故障停机。直流母线电压（CH1通道）和推进变频器输出电流（CH3通道）波形如图2所示。

图2 推进负载功率限制过程波形

由图2可以看出，发电机组G2突然故障跳闸后，推进变频器输出电流在约90 ms的时间里快速下降至额定负载电流的3%左右，保持运行5 s后，输出电流即推进负载功率逐渐上升至发电机组G3负荷率达到0.9后不再增加。

实船验证该功率限制策略可以实现推进负载与船舶电网的协同控制，避免因负载功率突变或电网结构突变所引起的船舶电网震荡和失稳。

4 结论

推进变频器功率限制功能可以防止船舶电站运行过程中出现发电机组过载运行，或者因某台发电机组突然故障跳闸而引起的船舶黑船失去动力的情况。对于直流电站，船上变流器设备和负载共直流母线，于是，通过直流母线电压就可以表征直流电站的运行状态和稳定性，这为采用直流电站系统的船舶综合电力系统实现功率限制功能提供了另外的解决方案和途径。

本文提供的功率限制功能实现方案，通过实船应用进行验证后发现可以很好的实现船舶运行过程中推进负载的动态功率限制和快速功率限制，且响应速度优于进口设备技术水平（170 ms），具有非常好的实际应用价值。

[1] 杨光，牟照欣等. 船舶直流组网电力推进技术发展优势[J]. 舰船科学技术，2017(13)：8-14.

[2] 徐硕，乌云翔等. 船用直流组网技术比较[J]. 舰船科学技术，2016，38(13)：60-63.

[3] 林云峰，付立军，夏立，肖雄波.舰船推进负载管理技术研究现状和发展趋势[J]. 舰船科学技术，2019，41（09）：1-5.

[4] 谢文辉.舰船电力推进系统的变频功率限制研究[J]. 舰船科学技术，2018，40（24）：67-69.

Application of power limit control strategy in ship DC station

Gao Qiuling1, Yang KunXu2, Chen Kun2

(1. CNOOC Safety & Technology Services Co., Ltd. Tianjin 300450, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U665.1

A

1003-4862（2023）10-0030-03

2022-08-12

高秋玲（1982-），女，工程师。研究方向：船舶电气，石油天然气管道施工与技术。E-mail: quinn_study@163.com