船舶共直流母線混合電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)探討

徐龍?zhí)?董曉妮

(北車船舶與海洋工程發(fā)展有限公司,上海201206)

船舶共直流母線混合電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)探討

徐龍?zhí)?董曉妮

(北車船舶與海洋工程發(fā)展有限公司,上海201206)

為了提升船舶交流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)穩(wěn)定性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性,以及系統(tǒng)優(yōu)化需求,提出了以變速永磁發(fā)電為供電電源的船舶共直流母線混合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)方案的系統(tǒng)配置、硬件構(gòu)成、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架進(jìn)行介紹,形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體技術(shù)框架。研究分析了直流配電混合電力推進(jìn)系統(tǒng)的直流母線電壓控制和系統(tǒng)選擇性保護(hù)關(guān)鍵技術(shù),確定了系統(tǒng)在不同工況下的功率點(diǎn)計(jì)算與功率分配控制策略,以及基于差動(dòng)保護(hù)的選擇性保護(hù)方法,最后給出了直流母線電壓下垂控制方法以及不同供電單元組合下的系統(tǒng)網(wǎng)壓控制方式,以滿足直流配電系統(tǒng)在不同運(yùn)行工況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及系統(tǒng)穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性要求。研究結(jié)果可作為國(guó)內(nèi)船舶直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的有益借鑒,并可應(yīng)用于漁船及高端船舶的直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)。

共直流母線系統(tǒng);電壓下垂控制;選擇性保護(hù);變速發(fā)電機(jī)組

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,交流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于軍船、公務(wù)船、工程船、豪華郵輪及海洋工程等特種船舶的基礎(chǔ)上,并開始推廣應(yīng)用于作業(yè)工況復(fù)雜、經(jīng)濟(jì)性要求高的漁業(yè)船舶領(lǐng)域[1-2]。與傳統(tǒng)主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)相比較,交流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)在船舶機(jī)動(dòng)性、設(shè)備布置及節(jié)能減排等方面表現(xiàn)出了較好的綜合性能[3],但還不能完全滿足工況復(fù)雜、能耗高的捕撈漁船對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性及經(jīng)濟(jì)性要求。以圍網(wǎng)漁船為例,電力推進(jìn)系統(tǒng)即要滿足系統(tǒng)運(yùn)行噪聲低、設(shè)備占據(jù)空間小、重量輕的基本要求,又要滿足漁船不同捕撈工況的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng),還要兼顧船東對(duì)漁船的低燃油消耗要求。近年來(lái),國(guó)內(nèi)已有交流電力推進(jìn)系統(tǒng)在圍網(wǎng)、拖網(wǎng)漁船上應(yīng)用,但系統(tǒng)投入回報(bào)及使用性能與船東期望還有一定差距。由此推動(dòng)了直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究開發(fā),以滿足電力推進(jìn)船舶綜合性能的高要求。

在交流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)中,發(fā)電機(jī)組定速運(yùn)行限制了柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性的發(fā)揮,增加了柴油機(jī)的故障率;而直流系統(tǒng)不僅擴(kuò)大了柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍,增強(qiáng)了系統(tǒng)魯棒性,降低了系統(tǒng)空間占用和重量;同時(shí)使系統(tǒng)在分布電源接入、能量存儲(chǔ)利用、負(fù)荷擾動(dòng)抑制、節(jié)能減排降噪方面均具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[4-5]。例如,某平臺(tái)供應(yīng)船配屬交流與直流兩種電推系統(tǒng),在相同功率等級(jí)情況下,直流電推系統(tǒng)設(shè)備重量比交流的減少26%。

根據(jù)直流系統(tǒng)電源側(cè)的供電方式不同,直流配電電力推進(jìn)系統(tǒng)有異步發(fā)電、無(wú)刷同步發(fā)電及永磁同步發(fā)電等多種供電形式。本研究提出以永磁同步發(fā)電機(jī)及供電變流器為供電單元的直流配電混合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)直流母線電壓控制及主電路選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)提出對(duì)應(yīng)的電壓控制策略和選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)方法,解決永磁發(fā)電直流推進(jìn)系統(tǒng)的功率分配、網(wǎng)壓控制和主電路保護(hù)問(wèn)題,具有技術(shù)借鑒意義。

1 直流配電混合電力推進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 推進(jìn)系統(tǒng)配置

本研究建立的直流配電混合電力推進(jìn)系統(tǒng)采用單一電壓等級(jí)集中式直流配電,配電系統(tǒng)以模塊化、功能化的單元形式集成,易于實(shí)現(xiàn)定制化和多樣化的船舶推進(jìn)系統(tǒng)集成要求(圖1)。系統(tǒng)構(gòu)成模塊包括變速發(fā)電機(jī)組、直流配電板(包含供電、用電變流器及儲(chǔ)能系統(tǒng)直-直變換器)、功率管理系統(tǒng)(PMS)、推進(jìn)控制系統(tǒng)(PCS)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)(RMS)。直流母線作為電力系統(tǒng)配電主網(wǎng),各供電、用電變流器和儲(chǔ)能系統(tǒng)直-直變換器通過(guò)保護(hù)電器掛接于直流母線,變速發(fā)電機(jī)和軸發(fā)均采用永磁同步發(fā)電機(jī),通過(guò)供電變流器整流并網(wǎng)。系統(tǒng)按照運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)原則,對(duì)變速發(fā)電機(jī)組、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及軸發(fā)系統(tǒng)組成的動(dòng)力源進(jìn)行多組合的靈活配置,構(gòu)成多種供電及推進(jìn)模式。

1.2 系統(tǒng)硬件功能

圖2是系統(tǒng)功能塊及功率流向圖。變速發(fā)電機(jī)組、軸發(fā)系統(tǒng)、蓄電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)組成系統(tǒng)供電部分。變速發(fā)電機(jī)組是系統(tǒng)的主要電力來(lái)源,通過(guò)供電變流器并接于直流母線;軸發(fā)系統(tǒng)根據(jù)軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式(PTO)和軸帶電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模式(PTI)以及控制指令對(duì)主推進(jìn)器推進(jìn)動(dòng)力或直流配電電力進(jìn)行有效補(bǔ)充,提高推進(jìn)功率或主機(jī)的功率利用;蓄電池組構(gòu)成系統(tǒng)運(yùn)行的能量存儲(chǔ)部分,雙向直-直(DC/DC)變換器根據(jù)系統(tǒng)指令完成對(duì)蓄電池組與直流母線的充放電轉(zhuǎn)換,向系統(tǒng)提供或吸收瞬態(tài)功率變化能量,平抑突變負(fù)荷擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電網(wǎng)的沖擊,降低原動(dòng)機(jī)的功率波動(dòng)[7-9];各用電變流器模塊根據(jù)系統(tǒng)指令完成對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)控制。直流配電板是直流母線系統(tǒng)中的電能轉(zhuǎn)換執(zhí)行部件,完成發(fā)電和用電的交-直-交轉(zhuǎn)換,或直-直變換。

1.3 系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)

在系統(tǒng)控制構(gòu)架(圖3)中,推進(jìn)控制系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)及服務(wù)器以光纖通訊連接,構(gòu)成系統(tǒng)操作層控制;功率管理系統(tǒng)是系統(tǒng)層控制;柴油機(jī)變速控制、直流配電板電力電子變流控制及推進(jìn)器控制構(gòu)成系統(tǒng)的設(shè)備層控制,系統(tǒng)層和設(shè)備層的控制通過(guò)雙冗余Profibus總線連接通訊。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 功率分配控制

2.1.1 系統(tǒng)工作功率點(diǎn)確定

系統(tǒng)工作功率點(diǎn)的確定包括推進(jìn)功率計(jì)算、功率分配計(jì)算及運(yùn)行指令計(jì)算判別。系統(tǒng)運(yùn)行中,功率管理系統(tǒng)與推進(jìn)控制系統(tǒng)通過(guò)Profibus總線連接,實(shí)時(shí)接收推進(jìn)控制指令并向推進(jìn)控制系統(tǒng)反饋。功率管理系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)總線實(shí)時(shí)接收來(lái)自推進(jìn)控制系統(tǒng)的推進(jìn)指令SP或TP以及推進(jìn)模式,計(jì)算主推進(jìn)和側(cè)推運(yùn)行需求功率PP,并根據(jù)推進(jìn)模式選擇確定輔助機(jī)械功率需求PA。以上功率之和構(gòu)成系統(tǒng)功率控制基準(zhǔn)Pref,并以此計(jì)算值確定系統(tǒng)供電組合方式M?;同時(shí)功率管理系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)總線實(shí)時(shí)接收供電、用電的各電力電子變流模塊實(shí)際輸入/輸出功率,計(jì)算總功率反饋值Pfb,接收蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)荷電功率PSOC反饋值,在PMS的軟件設(shè)計(jì)中,變速柴油機(jī)和軸發(fā)的轉(zhuǎn)速—功率燃油率曲線以數(shù)據(jù)表的形式參數(shù)化,程序根據(jù)系統(tǒng)功率控制基準(zhǔn)Pref和系統(tǒng)供電組合方式M?,計(jì)算確定各供電單元輸出功率,據(jù)此查表,確定并輸出主機(jī)轉(zhuǎn)速指令及變速發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速指令軸發(fā)輸出功率指令蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電指令C?。圖4是計(jì)算系統(tǒng)工作功率點(diǎn)控制框圖。

2.1.2 不同供電工況的網(wǎng)壓控制方式

系統(tǒng)工作功率點(diǎn)確定后,即確定了變速發(fā)電機(jī)組供電變流器、蓄電池儲(chǔ)能直-直變換器、軸發(fā)供電變流器/變換器的并網(wǎng)運(yùn)行組合工況,表2列出了系統(tǒng)7種供電并網(wǎng)工況及對(duì)應(yīng)的網(wǎng)壓控制方式。單一變速機(jī)組供電變流器并網(wǎng)或單一儲(chǔ)能直-直變換器并網(wǎng)時(shí),網(wǎng)壓控制由該并網(wǎng)的變流器或直-直變換器控制,直流母線電壓控制較為簡(jiǎn)單;雙變速機(jī)組供電變流器并網(wǎng)或雙儲(chǔ)能直-直變換器并網(wǎng),則需按照對(duì)等下垂輸出特性控制供電變流器或直-直變換器輸出功率,進(jìn)而控制母線電壓恒定;變速機(jī)組供電變流器與儲(chǔ)能直-直變換器同時(shí)并網(wǎng),變速機(jī)組供電變流器控制母線電壓,儲(chǔ)能直-直變換器跟隨母線電壓,平抑系統(tǒng)的小功率波動(dòng)。

以工況5為例,當(dāng)軸發(fā)按發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式方式與變速發(fā)電機(jī)組同時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),變速柴油機(jī)組按照系統(tǒng)轉(zhuǎn)速指令穩(wěn)定在n?運(yùn)行,直流母線電壓由并網(wǎng)的變速柴油機(jī)組供電變流器控制,軸發(fā)供電變流器僅檢測(cè)跟隨母線電壓,并按照功率指令P?SG向直流母線輸出功率,各負(fù)載變流器按照船舶操作控制指令從直流母線吸收功率驅(qū)動(dòng)負(fù)載設(shè)備運(yùn)行,蓄電池儲(chǔ)能單元通過(guò)直-直變換器控制調(diào)節(jié)直流母線瞬態(tài)功率波動(dòng),保證系統(tǒng)在快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)大負(fù)荷用電需求,同時(shí)也保證變速機(jī)組輸出功率穩(wěn)定及母線電壓穩(wěn)定。此工況下,直流母線電壓控制由2臺(tái)變速機(jī)組供電變流器按照對(duì)等模式下垂特性控制,2臺(tái)發(fā)電機(jī)組的供電變流器輸出特性均具有相同的下垂系數(shù),其輸出電壓的變化值ΔU相同。各發(fā)電機(jī)組按照下垂特性分擔(dān)變化功率負(fù)荷,對(duì)機(jī)組輸出功率進(jìn)行自動(dòng)參與、自動(dòng)按比例均勻分配,實(shí)現(xiàn)直流網(wǎng)電壓恒定控制[10-13]。

2.2 母線電壓控制

圖1 共直流母線混合電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖Fig.1 The single-line diagram of common DC bus hybrid-electric propulsion system

圖2 共直流母線混合電力推進(jìn)系統(tǒng)功能塊及功率流向圖Fig.2 The function block and power flow diagram of common DC bus hybrid-electric propulsion system

圖3 共直流母線混合電力推進(jìn)系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.3 The control network architecture of common DC bus hybrid-electric propulsion system

圖4 系統(tǒng)工作功率點(diǎn)控制框圖Fig.4 The control block diagram of system work power-point

表2 系統(tǒng)供電工況及網(wǎng)壓控制方式Tab.2 The system power supply condition and grid voltage control method

直流配電系統(tǒng)中,直流母線電壓控制有多種方式。其中,電壓下垂控制具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、可擴(kuò)展性好、供電變流器組合方便等優(yōu)點(diǎn)[8,14-16],非常適合船舶推進(jìn)負(fù)載控制特性要求。表3給出了直流母線電壓不同控制策略性能比較[14]。

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

當(dāng)系統(tǒng)由2臺(tái)變速機(jī)組供電變流器并網(wǎng)或2臺(tái)儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)時(shí),供電變流器按照對(duì)等下垂輸出特性控制變流器輸出功率,進(jìn)而控制直流母線電壓穩(wěn)定。圖5給出了系統(tǒng)在2臺(tái)變速機(jī)組供電變流器并網(wǎng)或2臺(tái)儲(chǔ)能變換器并網(wǎng)時(shí)供電變流器的下垂控制特性。圖中,UREF為直流母線電壓基準(zhǔn),UA和UB為系統(tǒng)工作點(diǎn)A和B的母線電壓, UHMAX和ULMIN為直流母線電壓的最大變化范圍。

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于工作點(diǎn)A,負(fù)載穩(wěn)定、無(wú)制動(dòng)能量回饋時(shí),直流母線電壓ULMIN≤UA≤UREF,并網(wǎng)的2個(gè)變速機(jī)組供電變流器按照下垂系數(shù)kd1均勻分擔(dān)低頻負(fù)載功率,兩個(gè)儲(chǔ)能直-直變換器按照下垂系數(shù)kb1及當(dāng)前荷電功率SOC分擔(dān)高頻波動(dòng)功率(高吸低補(bǔ)),調(diào)節(jié)系統(tǒng)的直流母線電壓在UA穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)系統(tǒng)在工作點(diǎn)A增加負(fù)載時(shí),直流母線電壓下降,并網(wǎng)的2個(gè)變速機(jī)組供電變流器按照下垂系數(shù)kd1均勻分擔(dān)增大的低頻負(fù)載功率,儲(chǔ)能直-直變換器按照下垂系數(shù)kb1分擔(dān)高頻波動(dòng)功率(高吸低補(bǔ)),并使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行于工作點(diǎn)B,2個(gè)變速機(jī)組供電變流器分擔(dān)穩(wěn)態(tài)功率ΔPd=-kd1× (UB-UA),2個(gè)儲(chǔ)能直-直變換器分擔(dān)瞬態(tài)平均功率。

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于降負(fù)載或制動(dòng)工況時(shí),直流母線電壓上升,當(dāng)UDC

2.3 選擇性保護(hù)設(shè)計(jì)

圖5 系統(tǒng)供電變流器和儲(chǔ)能直-直變換器的電壓下垂控制特性Fig.5 The voltage droop control characteristics of system supply converter and stored energy DC-DC converter

船舶直流電力系統(tǒng)的短路特點(diǎn)使得基于時(shí)間原則的瞬時(shí)選擇性保護(hù)對(duì)系統(tǒng)不同故障點(diǎn)的短路電流水平及快速熔斷器動(dòng)作時(shí)間精度的依賴非常大,很難實(shí)現(xiàn)直流電力系統(tǒng)保護(hù)選擇性與快速性兼容的要求[17-18]。本研究提出基于差動(dòng)保護(hù)的選擇性保護(hù)方法,一定程度上解決了按時(shí)間原則整定的系統(tǒng)選擇性保護(hù)在時(shí)間上的犧牲,提高了兼顧了系統(tǒng)在短路工況下的選擇性與快速性要求,進(jìn)而保障系統(tǒng)快速對(duì)供電、用電功率進(jìn)行增補(bǔ),并控制各變流設(shè)備運(yùn)行。

差動(dòng)保護(hù)主要配置于發(fā)電機(jī)輸出端的斷路器,當(dāng)發(fā)電機(jī)支路以外的外部電路短路時(shí)(例如:負(fù)載支路短路),按照基爾霍夫電流定律[19]:

式中:Id—差動(dòng)電流;Ij—引出線j上流入被保護(hù)設(shè)備的電流。

當(dāng)本支路內(nèi)部電路短路時(shí)(如發(fā)電機(jī)出口電路),按照基爾霍夫電流定律,則有Id≠0。當(dāng)內(nèi)部故障時(shí),各引出線上電流相位基本一致,差動(dòng)電流有較大值,設(shè)置合適的差動(dòng)電流閥值,即可有效區(qū)分內(nèi)、外部故障,可保證選擇性及保護(hù)動(dòng)作的靈敏、快速。

3 結(jié)論

以直流配電技術(shù)為核心的共直流母線電力推進(jìn)系統(tǒng)已成為當(dāng)前船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的新一代創(chuàng)新技術(shù)。本研究以共直流母線混合電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例,從系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)角度對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入分析、探討,并給出控制策略,提出的設(shè)計(jì)方案、控制策略對(duì)國(guó)內(nèi)船舶共直流母線電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)具有一定的借鑒作用。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)船舶直流配電技術(shù)及控制技術(shù)的深入研究及實(shí)船開發(fā)運(yùn)用,擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的共直流母線電力推進(jìn)系統(tǒng)將很快進(jìn)入實(shí)船應(yīng)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

上海市科技興海項(xiàng)目“大型海上海業(yè)綜合服務(wù)平臺(tái)總體技術(shù)研究(15DZ1202100)”

徐龍?zhí)?1974—),男,高級(jí)工程師,研究方向:船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)。E-mail:xultxsp@163.com