基于功率逐级切换控制的内河船舶负荷转供策略.pdf

第6 0 卷第8 期2023年8 月15日电测与仪 表Electrical Measurement&InstrumentationVol.60 No.8Aug.15,2023基于功率逐级切换控制的内河船舶负荷转供策略刘慧文,邢宏伟，房鑫炎,李亦凡,金力（1.国网电动汽车服务有限公司，北京10 0 0 31；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海2 0 0 2 40）摘要：针对我国内河流域港口岸电的船舶负荷转供过程的研究，为抑制并网后直接切断船侧柴电系统引起的逆功率与负荷波动问题，提出一种基于船侧负荷由船电转供至岸电的功率逐级切换控制方法。通过分析岸电对船侧负荷转供过程中的功率波动现象，给出基于功率超调和动态响应时间为指标的逐级切换条件，以船侧负荷的电能质量指标为标准，通过对船侧同步电机的输出功率进行逐级调速控制，以降低功率波动以及频率偏移对负荷的负面影响，提高供电质量。通过Simulink平台搭建岸电系统模型进行仿真，这一方法的仿真结果表明了所提出的策略的正确性和有效性，能够实现岸船两侧电力系统的并网后负荷的平稳过渡。关键词：岸电；内河流域；负荷转供；逐级切换控制D0I:10.19753/j.issn1001-1390.2023.08.008中图分类号：TM71Inland river ship-load transfer strategy based on step-by-step power switching control2.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)Abstract:In view of the research on the process of ship load transfer in the shore power of the inland river basins,in or-der to suppress the reverse power and load fluctuations caused by directly cutting off the diesel power system of ship sideafter grid connection,a step-by-step power switching control solution based on load transfer from ship power to shore poweris proposed in this paper.By analyzing the power fluctuation phenomenon in the process of shore power load transfer,theconditions of step-by-step switching based on power overshoot and dynamic response time are given.Based on the powerquality index of the ship side load,the output power of the synchronous motor of ship side is under step-by-step control toreduce the negative impact of power fluctuation and load frequency offset,so as to improve the quality of power supply.Ashore power system model is built through Simulink simulation plaform,and the simulation results show that the proposedstrategy is correct and effective,which can achieve the smooth load transition of power system on both sides of shore shipafter grid connection.Keywords:shore power,inland river,load transfer,step-by-step power switching control0引言未来三年五年，伴随航运业体量不断增大，船舶停靠码头和停泊等待的数量和密度大幅增加，船舶靠港或在待闸锚泊期间,由于船舶燃油供电利用率不高、损耗严重，燃烧后会排放大量污染物对内河流域环境造成破坏,从环境保护的角度来考虑，需要通过连接岸侧电源以替代船舶电力系统对船舶负荷进行供电。内河流域由于其地理位置的特殊性,不会有6 0 Hz的船舶进港，因此在建设的过程中,只考虑50 Hz的船舶岸电设备配置,不会设置变频电源。内河流域中,岸基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（5418-2 0 197 1157 A-0-0-00)一 44一文献标识码：BLiu Huiwen,Xing Hongwei,Fang Xinyan,Li Yifan,Jin Li?(1.State Grid Electric Vehicle Service Co.,Ltd.,Beijing 100031,China.文章编号：10 0 1-1390(2 0 2 3)0 8-0 0 44-0 7船两侧系统频率均为50 Hz,现有的并网手段是将船侧并入岸侧后，直接切断船侧供电，以实现岸侧电网的负荷响应，对船侧的负荷进行供电。对于负荷容量比较小的船舶而言，直接切断船侧柴电系统供电不会造成显著的频率偏移及功率波动，但是随着船舶的承载能力越来越强,船上用电设备增多,负荷容量也会越来越大2 ,直接由船侧柴电系统向岸电转供会产生较大的功率波动,并降低对船舶负荷的供电质量,甚至产生较为严重的逆功率现象导致柴油发电机的逆功率保护启动,从而并网失败3。现有的研究基本集中在岸电通过变频电源向船侧直供的场景中，即通过变频电源的不同控制策略以完第6 0 卷第8 期2023年8 月15日成并网以及负荷转供时的功率波动抑制，如针对变频功率的基于改进BP算法的岸电输出功率智能计算方法4,通过带有虚拟惯性环节的下垂控制5 或带有恒压恒频下垂模式切换的控制手段6 以完成功率的平稳切换。也有一部分的研究，将船侧电源等效为分布式电源7-8 ,或者是将岸侧电源等效为带有惯性的虚拟同步电机9-10 ，将针对分布式电源或是针对惯性虚拟同步电机的控制策略1-15 进行迁移,以研究船舶岸侧电力系统的并网以及负荷切换策略16 。除了控制策略,其他与船舶相关的研究领域,如岸侧船侧信息通信与交互17 ,变电方案设计18-19 等,也均是基于远洋码头，即装有变频电源的场景中。对于内河流域的岸电设备以及控制策略的研究非常少，主要集中在对于岸电基础设施的宏观配置与建议上2 0 ,没有根据内河流域的特点给出具体的研究方案。在内河流域的岸电设施中，由于没有配置变频电源,现有的针对变频岸电的控制策略无法直接迁移。针对内河流域50 Hz50 H z 的并网以及负荷转供策略的研究,提出一种基于功率逐级切换的内河流域船舶负荷转供策略。该策略创新性在于以并网后负荷转供过程中的功率突变量、船侧母线的电量超调系数、分级动态时间常数为指标，求解转供功率的分级可控最优输出，并根据这一方法，实现船侧负荷的稳态响应。另外,该策略有效地解决功率分级转换过程中造成的船侧负荷频率偏移过大的问题,实现负荷节点的稳定性，避免了由此引起的潮流反转现象。具体步骤为搭建船侧的柴油发电机模型以模拟并网以及负荷转供时的暂态过程,并网后通过对船侧柴油发电机的解列控制,对负荷进行逐级转供，抑制现有的内河流域负荷转供措施所可能带来的较大功率波动，防止逆功率现象导致并网以及负荷转供失败。并搭建Simulink仿真模型对策略进行验证。1船侧电力系统建模船侧电力系统主要由两个部分组成：柴油机及其调速系统与同步发电机及其励磁调节系统。1.1柴油机及其调速系统柴油机及其调速系统结构如图1所示。转速设定转速控+执行机构一柴油机制单元转速输出转速反馈单元图1柴油机及其调速系统结构图Fig.1 Structure diagram of diesel engine andspeed regulating system电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation柴油机采用经典二阶惯性环节进行建模，传递函数表达式如下：K,:eT3W(s)=(1+):(1+T)式中K,为放大系数；T为柴油机部件的转动惯性时间常数;T,为燃料的热能惯性时间常数;T,为柴油机工作的延滞时间。柴油机的调速系统核心模块包括转速控制单元模块、执行机构模块、反馈模块。其中转速控制单元与反馈模块相互配合，当输出信号饱和时，反馈回路会迅速动作从而抑制饱和导致的控制性能弱化，则转速控制单元的传递函数表达式如下：G(s)=K,T/+7s+1式中K,为比例系数;T,为积分时间常数;T.为微分时间常数。反馈模块主要由频率电压转换器以及转速传感器构成,定义其增益为K，则其传递函数为：G2(s)=K2执行器是整个调速系统的动作单位，利用比例环节和惯性环节建模,其传递函数为：G,(s)=1+TsK3式中K,为比例系数;T为惯性时间常数。1.2同步发电机及其励磁系统同步电机的输入分为两个部分，一部分是原动机输出的机械功率，另一部分是交流励磁机输出的励磁电压，在激励下将原动机的机械能转化为输出的电能。在建模时,先通过派克变换将同步电机的abc轴转换至dqO轴,同时做出一定的化简：省略0 轴的磁链电压方程,仅考虑正序分量,以及忽略q轴的阻尼绕组暂态过程，由此得到如下的五阶同步电机电压方程与磁链方程：UaRURRdUa=U.a负载LU.iqPfdPidiqVol.60 No.8Aug.15,2023(1)(2)T:s(3)(4)Pd-WPdd+Prd+dtRkdlikdRLd0LmdLmd0id0La00Lmd0LrdLmd0i(6)Lmd0LmdLkd00Lml000Pkd0Pk0(5)i一45一第6 0 卷第8 期2023年8 月15日式中下标d与q表示派克变换后的轴，f表示励磁绕组，k表示阻尼绕组，r表示转子，s表示定子；符号U表示电压，i表示电流，L表示电感，表示磁链，表示角速度，m表示互感。同步电机的励磁控制系统采用典型的具有电压和电流补偿的PID励磁控制器,其主要环节由励磁补偿器，励磁放大器与励磁反馈器组成，结构图如图2 所示。参考电压?一补偿器放大器交流励磁机电压输出反馈器图2 励磁控制系统结构图Fig.2 Structure diagram of excitation control system励磁补偿器的输人是同步发电机输出电压与设定电压间的电压差,传递函数如下：E.(s)=H1+T。s式中T,为补偿器滞后时间常数；T。为补偿器超前时间常数。励磁放大器将补偿器的输出电压放大一定的倍数,传递函数如下：KaE2(s)=1+T.s式中K.为放大器增益；T.为放大器时间常数。励磁反馈器将交流励磁机的输出电压进行反馈，传递函数如下：KsE,(s)=I+T,s式中K,为反馈器增益；T为反馈器时间常数。2负荷转供策略2.1逐级切换策略在船舶成功并网后，为抑制负荷转供过程中的功率波动以及逆功率现象，提出一种逐级功率切换控制方案,逐级减小船电对于负荷的功率供给，同时岸电系统响应完成输出功率的自适应调节，由此完成对船侧负荷的不间断供电。假设开始进行逐级切换时，原动机输出的机械功率标么值为Po,开始进行逐级切换的时刻为to。在逐级切换过程中,控制共分为n级,则针对第i级,该级的原动机输出机械功率标么值为 二iP。（1i n）；假设第i级第i+1级之间的原动机输出机械功率切换速度为ci,则第i级第i+1级之间的切换时间为P。(1 in)。nxc;除了切换时间和超调量外，还应考虑功率切换后的动态响应时间，若在网侧输出功率尚未完全响应的一46 一电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentation过程中进行下一级的切换，容易造成切换过程中功率突变量增大，致使发电机的逆功率保护启动导致并网与负荷转供失败。因此定义输出功率动态响应时间以明确分级转供周期,以船侧功率切换后的变化与波动情况为研究对象,定义在第i级第i+1级之间切换过程中,功率首次到达的最小极值点为第i级的波动最低点Pilow，首次到达的最大极值点为第i级的波动最大点Pihigh。同时定义检测到的当前功率极值为Pextreme，即开始切换后的功率波形中除首个波谷及首个波峰外的其余波峰或波谷。当Peltene与时,认为功率的响应已经趋于稳定,即：Pextreme(7)（PPalo+Pail)在不进行任何操作的前提下不会再发生大幅度的功率波动现象，此时可以进行下一级的切换。切换检测过程如图3所示。(8)P/Wilowt2ihightistart图3功率切换响应示意图(9)Fig.3 Schematic diagram of power switching response图3中曲线为某次切换过程中功率值波动的示意图，假设于tistarn切换操作已经完成，功率开始响应过程,则检测到第i级的波动最低点为图3中首次出现的波谷值Pilow，第i级的波动最高点为图3中首次出现的波峰值Pihigh，由此计算得出(Pao+Plit);同时检测到下一个极值点Pexteme，满足上述定义中的功率响应,此极值点对应的时间为tiend，则定义第i级到第i+1级之间的功率相应时间为tisarz-tiend,第i级第i+1级的整体切换时间为t：P。t=+titat-tiena(1 i n)nc;n由此可以得到该策略每一级切换算法的流程如图4所示。图4中满足完全响应条件，即为满足式（10）所推导的功率响应极值点与首个波峰、波谷平均值的偏差小于等于5%的条件。由该流程图可知，对于原动机输出机械功率的第i级切换，在切换过程中,其机械功率变化情况如下：Vol.60 No.8Aug.15,20231ow+Piligh）之间的偏差小于5%Dilow+Pail)D2ilow5%PihighPilow(10)Pextremet iendt/s(11)第6 0 卷第8 期2023年8 月15日P;=max(Pi-1-c;(t-Ztr)式中Pi-1为第i-1级切换结束时的机械功率。逐级切换开始以c;切换该级原动机机械功率记录功率响应起始时间 tistart等待功率完全响应文满足完全响应条件NY图4逐级切换策略流程图Fig.4Flow chart of step-by-step switching strategy根据上述的控制策略流程以及切换检测方式，可以定义对原动机输出机械功率P的控制函数：(Po,0ttomax(P。-c (t-t o),_1)P。），：Pm=max(Pi-c:(t-Zt.),=n：0，式中P。为开始进行逐级切换时的原动机输出功率标么值;t,即对应上文所述的第i级第i+1级的整体切换时间。通过该控制函数，可以使得内河流域船舶在并网后，避免出现较大的P突变量并造成逆功率误动的现象，保证负荷转供的平稳过渡。2.2电能质量指标并网后,为了保证在负荷转供的过程中,功率平稳转移,船侧负荷的电能质量不受转供影响以及两侧电气设备的安全运行，从以下这些指标对转供过程进行考察：（1)功率切换动态响应时间。功率切换响应时间定义为从切换开始至功率从波动状态达到稳定状态所需要的时间。功率切换响应时间表示功率能否对船侧柴油发电机的原动机机械功率的改变而迅速响应，若响应时间过长，则代表功率波动过大，无法迅速达到功率平稳。(2)逆功率系数。逆功率系数定义为逆功率的最大值与发电机额定电测与仪表Electrical Measurement&Instrumentationi-1功率大小的比值：n二(12)Pok=0n记录功率响应起始时间tind文N负荷完成转供逐级切换结束to t to+tii-1i-1Ztt1.55对比图7 与图10，即两次仿真实验的船侧输出功率波形，可以明显观察到，当采用逐级切换控制时，输出功率的波动明显受到了抑制，逆功率现象也受到了极大缓解，峰值仅为0.0 2 2 MW；不采用逐级切换时，功311.5t/s逆功率系数0.7%15.6%22.5频率振荡系数0.040.133第6 0 卷第8 期2023年8 月15日率波动现象较为明显，同时逆功率峰值达到了0.48MW，相比采用逐级切换时，逆功率峰值相差约2 0 倍。根据型号以及使用场景的不同，船侧同步发电机的。整定值一般为发电机额定功率的15%2 0%，则在此仿真算例中,逆功率整定值为0.47 MW0.63MW，即在不使用逐级切换的情况下，有导致逆功率保护动作的风险。同时，每一级切换功率的响应时间也缩短。采用逐级切换控制时,每一级功率切换的响应时间为0.8 7S，即可进行下一级功率切换；而不采用逐级切换时，功率需要大于1.5s才能达到稳定状态，且在负荷转供过程中产生了较为严重的逆功率现象，对船侧电气设备造成了损害，同时有可能导致负荷转供失败。船侧负荷的频率波动情况如图6 与图9所示，当采用逐级切换控制时，频率振荡现象也得到了极大的缓解,最大频率偏差仅为0.0 4Hz;而不采用逐级切换控制时,频率最大偏差达到了0.13Hz。供给船侧负荷的电能质量下降，虽然没有超过电能质量中最大频率偏移不得超出0.2 Hz这一要求，但是对于负荷而言，频率越稳定代表了电能质量越好，稳定优质的电能质量可以有效减少对负荷设备的损害，延长负荷设备的使用寿命。4结束语针对内河流域岸电系统研究的缺失，提出一种基于功率逐级切换的内河流域船舶负荷转供策略，对比分析了现有内河流域的负荷转供策略,得出如下结论：(1)提出了以并网后负荷转供过程中的功率突变量、基于阈值控制的船侧母线的电量超调系数、分级动态时间常数为指标，求解转供功率的分级可控输出的策略,并根据该策略实现船侧负荷的稳态响应；(2)基于功率逐级切换的内河流域船舶负荷转供策略可以有效改善P出现较大突变量的现象,有效防止在负荷转供的过程中因逆功率过大而导致系统逆功率保护启动，使得并网以及负荷转供失败；(3)该种负荷转供策略有效减少了船侧负荷的频率偏移现象，提高了对船侧负荷供电的电能质量，降低了因频率偏移过大导致的船侧负荷设备损坏现象。参考文献1谈健，韩俊，归三荣，等船舶岸电系统发展及应用J上海海事大学学报，2 0 17，38(3)：90-95.Tan Jian,Han Jun,Gui Sanrong,et al.Development and application ofshore power supply systemJ.Journal of Shanghai Maritime Universi-ty,2017,38(3):90-95.2宋广阔，崔灵智，厉复兴港口船舶岸电技术推广应用J.集装箱化,2 0 19,30(4)：11-12,2 0.Song Guangkuo,Cui Lingzhi,Li Fuxing.Promoting application of shorepower technology for vessels in ports J.Containerization,2019,30电测与仪 表Electrical Measurement&Instrumentation(4):11-12,20.3周虹伯.船舶岸电系统技术研究J仪表技术，2 0 18，（1）：1-5,40.Zhou 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