基于全軟件控制方式的船舶岸電系統(tǒng)船側(cè)逆功率防護(hù)技術(shù)研究

徐鯤鵬，卜佩征，趙羨龍，李曉光，周誠根

（1.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州 310007）

基于全軟件控制方式的船舶岸電系統(tǒng)船側(cè)逆功率防護(hù)技術(shù)研究

徐鯤鵬1，卜佩征2，趙羨龍1，李曉光1，周誠根1

（1.北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州 310007）

隨著船舶大型化、多功能化和節(jié)能化的發(fā)展，對(duì)船舶電力系統(tǒng)的要求越來越高。連船并網(wǎng)及船舶解列過程中可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)頻率及幅值調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的情況，導(dǎo)致逆功率的產(chǎn)生。文中采用全軟件方式的智能化逆功率控制方案，能夠有效抑制逆功率的產(chǎn)生，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)在并脫網(wǎng)及負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程中可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，抑制切換過程中的電流和電壓沖擊，令船舶供電過程實(shí)現(xiàn)無縫平滑的切換。

船舶岸電；全軟件控制；智能化；逆功率

裝有特殊設(shè)備的船舶在停泊期間，其接入到岸地的電源時(shí)，從其中獲得其水泵、照明、通風(fēng)和其他需求的電力供應(yīng)。此時(shí)，船舶關(guān)閉自身的柴油發(fā)電機(jī)，不僅可以消除自身機(jī)組運(yùn)行帶來的噪聲，也能在一定程度上減少廢氣的排放[1-4]。

港口船舶岸基電源不同于傳統(tǒng)的船廠岸基電源，兩者之間存在共性，也存在較大差異。尤其是港口岸基電源在使用過程中，存在與船舶柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移的過程，因?yàn)榇霸诳扛凼褂冒峨姇r(shí)不能夠?qū)⒋县?fù)載停機(jī)再啟動(dòng)。有的文獻(xiàn)在并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移過程中采用岸基電源主動(dòng)并網(wǎng)，變頻裝置根據(jù)船舶發(fā)電機(jī)所發(fā)電的特性調(diào)整變頻的輸出與其對(duì)應(yīng)，鎖頻鎖相之后進(jìn)行并網(wǎng)，并主動(dòng)進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，此方案對(duì)變頻電源側(cè)有好處，且不會(huì)存在逆功率的問題，目前實(shí)現(xiàn)比較困難且不實(shí)用，因?yàn)槿绻冾l電源主動(dòng)并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移，其必須知道發(fā)電機(jī)所發(fā)電的各種參數(shù)，包括輸出頻率、相位、幅值、電流等，要想知道這些參數(shù)，必然要對(duì)船側(cè)進(jìn)行整改，整改完成后不具備通用性的原則，變頻電源也無法實(shí)現(xiàn)通用[5-7]。有的文獻(xiàn)采用將變頻電源作為穩(wěn)定電源的輸出方，由船舶發(fā)電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)并網(wǎng)，其檢測變頻電源的輸出特性，來調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出特性，與變頻電源進(jìn)行匹配，各并網(wǎng)要素完全滿足后主動(dòng)并網(wǎng)及負(fù)載轉(zhuǎn)移，負(fù)載轉(zhuǎn)移完成后自動(dòng)切斷輸出側(cè)，此時(shí)船舶負(fù)載的供電完全轉(zhuǎn)移至變頻電源側(cè)[8-9]。

如果發(fā)電機(jī)沒有發(fā)出有功功率而從電網(wǎng)中吸收有功功率，這種現(xiàn)象被稱作發(fā)電機(jī)的逆功率運(yùn)行狀態(tài)。如果這種情況發(fā)生了，是需要將處于逆功率運(yùn)行狀態(tài)的發(fā)電機(jī)切除。目前船岸并網(wǎng)瞬間由于2個(gè)電源并網(wǎng)瞬間相位、幅值的差異會(huì)導(dǎo)致逆功率的產(chǎn)生，雖然時(shí)間很短，但是如果不作處理，必然會(huì)引起變頻電源報(bào)故障停機(jī)，岸電并網(wǎng)的逆功率產(chǎn)生不同于提升類負(fù)載下放時(shí)的逆功率，岸電逆功率由于并網(wǎng)產(chǎn)生，提升類負(fù)載的逆功率是工藝運(yùn)行導(dǎo)致的能量流向問題，所以兩者的處理思路完全不一樣。針對(duì)岸電逆功率目前有這個(gè)幾種方案：一種是采用四象限變頻，在產(chǎn)生逆功率時(shí)將能量回饋至電網(wǎng)，但是這種方案成本高、控制復(fù)雜、可靠性低于兩象限變頻；第二種是加制動(dòng)電阻方案，此方案成本低于四象限，但是可靠性差，因?yàn)槊總€(gè)功率單元均需要增加制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻，而且制動(dòng)電阻如果沒有完善的保護(hù)，其容易燒毀，擴(kuò)大故障面[10-12]；第三種方案就是智能化逆功率控制方案，本文在其基礎(chǔ)上采用全軟件控制方式，能夠防止逆功率的產(chǎn)生，可靠性高、成本低，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 全軟件控制方式的算法分析

全軟件控制需要硬件的支持，在本文中變頻將采集岸電系統(tǒng)輸出側(cè)的電壓，如圖1所示，采集點(diǎn)有2個(gè)：一個(gè)是隔離變的輸出側(cè)，一個(gè)是變頻的輸出側(cè)。2個(gè)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)同時(shí)反饋至主控系統(tǒng)進(jìn)行測算，岸電的逆功率控制基于2點(diǎn)：輸出側(cè)功率的流向和功率單元的母線電壓。通過快速的微調(diào)輸出電壓的相位及幅值將逆功率控制住，保證變頻電源的有功輸出為正，同時(shí)變頻電源并網(wǎng)期間具有一定柔性，不會(huì)因?yàn)槟婀β实目刂剖沟秘?fù)載轉(zhuǎn)移無法進(jìn)行。

基于全軟件的控制方法需要在軟件算法中考慮對(duì)逆功率進(jìn)行控制和保護(hù)。采用基于工頻構(gòu)成的船舶同步發(fā)電機(jī)保護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣值進(jìn)行濾波，提取出工頻基波分量，進(jìn)行故障判別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶岸電系統(tǒng)船側(cè)逆功率防護(hù)。濾波算法的速度和精度會(huì)直接影響到保護(hù)裝置的快速性和可靠性。

1.1 全波傅氏算法分析

如果要對(duì)直流和各整次諧波的濾波效果有較好的要求，全波傅氏算法是一個(gè)合適的選擇。全波傅氏算法對(duì)非整次諧波的衰減直流分量頻率小于50 Hz低頻分量和抑制效果不佳，但是可以完全濾除直流和各整次諧波分量。本文在全波傅氏算法之前增加一個(gè)差分環(huán)節(jié)構(gòu)成全波差分傅氏算法，從而消除衰減直流分量的影響。

圖1 岸電逆功率模擬平臺(tái)Fig.1 Shore power inverse power simulation platform

圖2所示的是全波差分傅氏算法的頻率響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)曲線。全波差分傅氏算法對(duì)非整次諧波抑制效果略差，特別是對(duì)某些諧波有一定的放大作用，而對(duì)小于50 Hz的低頻分量抑制效果較好，如圖2（a）所示。在完全利用故障后采樣值進(jìn)行濾波時(shí)，該算法的時(shí)間響應(yīng)比較穩(wěn)定，如圖2（b）所示。

全波差分傅氏算法和全波傅氏算法誤差特性比較如圖3和圖4所示。在圖3和圖4中，曲線1和曲線2分別表示的是全波傅氏算法和全波差分傅氏算法。通過上述的兩張圖不難看出，加入差分濾波后，極大地提高了算法的精度。在波形仿真數(shù)據(jù)中，基波分量的誤差最大值為2.1%，當(dāng)衰減直流分量較大時(shí)，算法精度更高。

圖2 全波差分傅里葉算法頻率響應(yīng)和時(shí)間響應(yīng)Fig.2 Full wave difference fourier algorithm for frequency response and time response

圖3 全波傅里葉與全波差分傅里葉算法隨相位誤差對(duì)比Fig.3 Comparison of full wave fourier and full wave difference Fourier algorithm with phase error

圖4 全波傅里葉與全波差分傅里葉算法隨時(shí)間常數(shù)誤差對(duì)比Fig.4 Comparison of full wave fourier and full wave difference fourier algorithm with time constant error

全波差分傅氏遞推形式計(jì)算公式如下：

在較高的采樣率下，才能夠保證數(shù)據(jù)正常狀況下的精確計(jì)算和故障全過程的準(zhǔn)確計(jì)算，因此本文設(shè)計(jì)中保護(hù)采樣率為每周期36點(diǎn)。實(shí)時(shí)計(jì)算跟蹤通過所有獨(dú)立功能單元的數(shù)據(jù)運(yùn)算來得到保證。同時(shí)，在保護(hù)裝置的出口均經(jīng)啟動(dòng)元件閉鎖，只有在保護(hù)啟動(dòng)元件啟動(dòng)后，保護(hù)裝置出口閉鎖才被解除。這樣做的目的是為了提高保護(hù)的可靠性。

1.2 主循環(huán)程序設(shè)計(jì)

主循環(huán)程序流程如圖5所示。主程序和中斷服務(wù)程序組成了整個(gè)程序系統(tǒng)。其中，主程序是由初始化模塊、保護(hù)邏輯判斷模塊和保護(hù)跳閘處理模塊組成的。一般來說故障處理模塊又是由保護(hù)邏輯判斷和跳閘處理組成。中斷服務(wù)程序的主要部分為定時(shí)采樣中斷服務(wù)程序。在本文中，定時(shí)器中斷、采樣中斷和測頻率中斷組成采樣中斷服務(wù)程序。

圖5 主循環(huán)程序流程圖Fig.5 Flow chart of the main cycle

2 實(shí)驗(yàn)測試

在連船并網(wǎng)及船解列過程中可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)頻率及幅值調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的情況，導(dǎo)致逆功率的產(chǎn)生，基于本文算法設(shè)計(jì)的智能逆功率控制技術(shù)，能夠有效抑制逆功率的產(chǎn)生，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。在寧波港岸電連船并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中，有3次產(chǎn)生逆功率的情況，全部被逆功率控制技術(shù)消除。系統(tǒng)日志記錄，現(xiàn)場波形記錄如圖6所示。

圖6 逆功率控制HMI記錄Fig.6 HMI record of the reverse power control

逆功率產(chǎn)生時(shí)和穩(wěn)態(tài)時(shí)候的波形如圖7和圖8所示。

圖7 并網(wǎng)逆功率電流和電壓波形對(duì)比Fig.7 Comparison of the grid-connected inverse power current and voltage waveform

圖8 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行隔離變U相，W相輸出電壓和變頻電源U相、W相輸出電流波形Fig.8 Waveform of the output voltage of Phase U and Phase W of the isolated substation under the steady state operation,and waveform of the output current of Phase U and Phase W of the frequency conversion power supply

現(xiàn)場采樣的是隔離變輸出電壓的采樣和變頻電源兩相輸出電流，將變頻電源輸出電流等效到隔離變的輸出側(cè)，W相產(chǎn)生逆功率。

3 結(jié)語

在連船并網(wǎng)及船舶解列過程中可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)電機(jī)頻率及幅值調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的情況，導(dǎo)致逆功率的產(chǎn)生。本文采用全軟件方式的智能化逆功率控制方案，能夠有效抑制逆功率的產(chǎn)生，全波差分傅氏算法保證了數(shù)據(jù)在正常狀況下的精確計(jì)算和故障全過程的準(zhǔn)確計(jì)算，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，使系統(tǒng)在并脫網(wǎng)及負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程中可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，抑制切換過程中的電流和電壓沖擊，令船舶供電過程實(shí)現(xiàn)無縫平滑的切換。在寧波港的試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)完全達(dá)到預(yù)計(jì)要求運(yùn)行穩(wěn)定。該裝置在船舶同步發(fā)電機(jī)保護(hù)中具有良好的運(yùn)用前景。

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Research on the Ship-Side Reverse Power Protection Technology of the Ship Shore Power System Based on Full Software Control

XU Kunpeng1,BU Peizheng2,ZHAO Xianlong1,LI Xiaoguang1,ZHOU Chenggen1
（1.Beijing Smartchip Microelectronics Technology Company Limited,Beijing 102200,China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company,Hangzhou 310007,Zhejiang,China）

As ships are getting larger in size and equipped with more multiple functions and energy-saving facilities,the requirements of the ship power system are higher.In the process of connecting ships with the power grid and ship routing,possible inaccurate adjustment of the power generator's frequency and amplitude leads to generation of the inverse power.This paper adopts a full-software intelligent scheme to control the reverse power,which can effectively suppress the reverse power and improve the reliability of the whole system so that the system can realize the two-way transfer of energy in the offgrid and load transfer process.The current and voltage surge are suppressed and thus the power supply of ships can be switched smoothly and seamlessly.

ship shore power;full software control;intelligent;reverse power

1674-3814（2017）07-0035-04

TM61

A

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助（5211011400AZ）。

Project Supported by the Science and Technology Program of SGCC（5211011400AZ）.

2017-01-25。

徐鯤鵬（1978—），男，碩士，中級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電力系統(tǒng)信息化、智能電網(wǎng)方面研究與實(shí)踐工作；

卜佩征（1963—），女，本科，高級(jí)工程師，主要從事電氣工程、電力系統(tǒng)自動(dòng)化、電能替代等方面的工作。

（編輯 張曉娟）