葛啟楨，耿 鵬，黎 曙

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LNG發(fā)電船微電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)研究

葛啟楨，耿 鵬，黎 曙

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

LNG發(fā)電船是一種使用液化天然氣作為清潔能源的可移動式獨立微電網(wǎng)，在港口使用LNG發(fā)電船作為輔助電源，可以大幅降低港口排放?？紤]到LNG發(fā)電機組的單機最大容量的限制，設計了一種配置了功率補償裝置的微電網(wǎng)單元，可以根據(jù)實際需求進行并聯(lián)擴容，并有效解決了LNG發(fā)電機組負載動態(tài)響應的不足。為保證該系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及發(fā)電質量的可靠性，建立了一套分層架構的分布式能量管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)既具備自主性，又能保持系統(tǒng)的協(xié)作性及可擴展性。

LNG發(fā)電船 微電網(wǎng) 能量管理系統(tǒng)

0 引言

LNG發(fā)電船是一個獨立的、可以實現(xiàn)自我控制、保護和管理的小型移動發(fā)配電系統(tǒng)。LNG發(fā)電船既可以與港口電網(wǎng)并網(wǎng)運行，為港口電網(wǎng)提供后備電能；也可以脫離港口電網(wǎng)開啟孤島運行模式，直接為港口大型船舶提供電能，輔助船舶進出港航行。船上使用的發(fā)電機組采用液化天然氣（LNG）作為燃料，相比傳統(tǒng)柴油發(fā)電機組可以大幅降低港口排放。

由于同時具備孤島運行以及并網(wǎng)運行兩種運行方式，其運行和切換需要有一套能量管理系統(tǒng)實現(xiàn)電能的優(yōu)化調(diào)度管理。該能量管理系統(tǒng)不僅具有對船舶電站的監(jiān)視、控制、保護功能，還將實現(xiàn)船舶電站同岸上電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)運行，使得本船電站能在能量管理系統(tǒng)的管理下滿足各種工況的運行要求。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)需求

LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)是一個綜合的系統(tǒng)，在發(fā)配電方面，如船舶發(fā)電、中壓配電技術，與傳統(tǒng)的采用綜合電力系統(tǒng)的船舶相似；在對外輸電方面，如對外接口、通信聯(lián)絡等技術，與港口的岸電系統(tǒng)相似。在LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)設計過程中，既要考慮船舶電氣系統(tǒng)的要求，也要適應對不同供電對象的特點，比如不同電制要求或者不同電壓等級的需求。

1.2 LNG發(fā)電船能量管理系統(tǒng)功能構成

能量管理系統(tǒng)根據(jù)功率的實時需求對每套發(fā)電單元及受電系統(tǒng)（岸上電網(wǎng)或用電船舶）進行監(jiān)控，并協(xié)調(diào)各發(fā)電單元的工作，同時可以對供電系統(tǒng)進行故障報警和處理，為受電系統(tǒng)（岸上電網(wǎng)或用電船舶）提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。在供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能量管理系統(tǒng)會采取各種措施，盡可能保證連續(xù)供電，避免電站斷電，確保船舶的安全性。

而且，每套發(fā)電單元配置獨立的管理模塊，為發(fā)電單元提供保護。匯流排與發(fā)電單元的電壓和頻率等參數(shù)均獨立監(jiān)測，且具備外部調(diào)節(jié)接口。任意一套保護和管理模塊故障不會影響整個電網(wǎng)的正常運行，并提供發(fā)電單元電氣參數(shù)顯示、檢測，對發(fā)電單元提供必要的報警及保護功能。

2 系統(tǒng)架構

2.1 LNG發(fā)電船電氣系統(tǒng)架構

現(xiàn)有LNG發(fā)電機組受到燃料燃燒效率、技術水平等因素的限制，單機容量無法有效提升。為滿足港口電力需求，同時考慮船舶建造以及發(fā)電單元成本因素，設計了以單條LNG發(fā)電船為一個微電網(wǎng)[1]，每個微電網(wǎng)由3臺發(fā)電機組、電網(wǎng)補償裝置設備以及相關配電設備組成，以此作為一個獨立發(fā)電單元。單個發(fā)電單元供電能力不足時，通過多發(fā)電單元并聯(lián)可提升發(fā)電容量，如圖1所示。該方式可以提升發(fā)電系統(tǒng)的可擴展性，根據(jù)實際需求調(diào)用合適數(shù)量的發(fā)電單元進行工作，避免了使用單個大容量發(fā)電單元所造成不必要的冗余。

2.2 LNG發(fā)電船能量管理系統(tǒng)架構

為了使LNG發(fā)電船并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的各個發(fā)電單元既具備自主性，可以在孤島運行模式下進行獨立發(fā)電，又能保持協(xié)作性和系統(tǒng)的可擴展性，在任意多個發(fā)電單元并聯(lián)運行時可以綜合協(xié)調(diào)控制[2]。本能量管理系統(tǒng)采用分層的控制結構型式，即將部分控制權獨立分配給發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的各發(fā)電單元，由各發(fā)電單元根據(jù)并網(wǎng)控制器的調(diào)度指令自治運行的分布式協(xié)調(diào)控制方式[3]。同時，各發(fā)電單元也將部分控制權分配給微電網(wǎng)的各電源控制器，各電源控制器根據(jù)微電網(wǎng)功率控制器的控制指令進行發(fā)電管理。

整套能量管理系統(tǒng)為樹狀結構，可分為調(diào)度層能量管理系統(tǒng)和電站層能量管理系統(tǒng)。

圖1 LNG發(fā)電船電氣結構單線圖

圖2 能量管理系統(tǒng)結構示意圖

2.2.1 調(diào)度層能量管理系統(tǒng)

調(diào)度層能量管理系統(tǒng)包含通訊模塊、功率調(diào)度模塊、監(jiān)測和報警模塊、人機交互模塊。

1) 通訊模塊負責本船電氣系統(tǒng)與受電船或岸電系統(tǒng)的聯(lián)絡通訊，接受岸電的調(diào)度指令并返回本站的狀態(tài)；

2) 功率調(diào)度模塊根據(jù)岸電調(diào)度指令對功率進行分配并指定給各個發(fā)電單元的功率管理模塊，同時根據(jù)調(diào)度指令直接控制輸出柜斷路器、主變壓器斷路器及中壓母線的母聯(lián)開關；

3) 監(jiān)測和報警模塊能夠完成全船設備和電氣系統(tǒng)的監(jiān)測和報警，并配合完成中壓母線的選擇性保護；

4) 人機交互模塊提供人機交互接口，為操作人員提供控制、監(jiān)測和管理功能。

2.2.2 電站層能量管理系統(tǒng)

電站層能量管理系統(tǒng)由多個并行的功率管理單元組成。功率管理單元包含通信模塊、功率控制模塊和機組控制模塊。

1) 通信模塊接受調(diào)度層能量管理單元的電壓、頻率、有功、無功指令并反饋本單元內(nèi)各個設備的工作狀態(tài)；

2) 功率控制模塊收集本單元內(nèi)各設備的運行狀態(tài)，控制各設備的運行；

3) 機組控制模塊主要包括并網(wǎng)保護單元，機組調(diào)速器和勵磁調(diào)節(jié)器。實現(xiàn)了機組的投入和切斷控制，并提供所需的機組保護功能。

該控制系統(tǒng)的優(yōu)點是有很強的擴展性，每個功率管理單元可以單獨完成對本地電站的功率管理控制，可以作為一個整體單元接入高一級別的系統(tǒng)中。

3 系統(tǒng)穩(wěn)定控制策略

3.1 孤島發(fā)電運行模式

LNG發(fā)電機組與柴油發(fā)電機組的區(qū)別在于，前者存在功率響應速度比柴油發(fā)電機組更慢的問題，當負載功率突加時無法較快跟隨負載功率變化，會導致母線電壓和頻率失衡。

根據(jù)同步發(fā)電機電磁轉矩與輸出功率的關系式

在保證發(fā)電頻率恒定的情況下，輸出功率與電磁轉矩成正比。

根據(jù)同步發(fā)電機電壓平衡的簡化方程式

為提升LNG發(fā)電機組的動態(tài)特性，在LNG發(fā)電船微電網(wǎng)母線側，加入了功率補償裝置，建立頻率和電壓的雙閉環(huán)，頻率外環(huán)通過向母線補償有功功率維持頻率穩(wěn)定，電壓內(nèi)環(huán)通過向母線補償無功電流維持母線電壓恒定。

仿真結果如圖3所示。

2 s時刻突加50%負載，5 s時刻再突加30%負載，8 s時刻突加20%負載，10 s時刻突卸50%負載。實線表示有功率補償?shù)陌l(fā)電機組響應曲線，虛線是無功率補償情況下的發(fā)電機組響應。

可以看出，有功率補償后，突加突卸負載時發(fā)電機出口端電壓和機組轉速沖擊有所緩解，通過合適的補償可以達到一般柴油發(fā)電機組的要求，彌補LNG機組響應慢的缺點。

圖3 負載變化時發(fā)電機組的功率、電壓和轉速響應

3.2 并網(wǎng)發(fā)電運行模式

此模式下，LNG發(fā)電船主要工作在與港口陸上電網(wǎng)并聯(lián)供電，或者是多條LNG發(fā)電船并聯(lián)供電工況。

根據(jù)受電系統(tǒng)的功率需求，經(jīng)過分配計算后，調(diào)度層能量管理系統(tǒng)向電站層能量管理系統(tǒng)的發(fā)出電壓幅值、頻率設定值等控制指令。各發(fā)電單元的LNG發(fā)電機組并網(wǎng)由電站層能量管理系統(tǒng)的各自功率管理單元輔助完成。

同受電系統(tǒng)并網(wǎng)由調(diào)度層功率管理系統(tǒng)輔助完成，整個并網(wǎng)過程可分為并網(wǎng)準備、并網(wǎng)問詢、自動并網(wǎng)三個步驟。

1) 并網(wǎng)準備：根據(jù)受電系統(tǒng)發(fā)送的功率需求，經(jīng)過分配計算后，判斷是否需要閉合中壓母聯(lián)開關，并向電站層能量管理系統(tǒng)的各發(fā)電單元發(fā)出電壓幅值、頻率設定值等控制指令。同時監(jiān)測控制中壓母線電壓幅值、頻率、相位等信號是否滿足并網(wǎng)條件。

2) 并網(wǎng)問詢：發(fā)出準備并網(wǎng)信號，等待受電系統(tǒng)并網(wǎng)指令。

3) 自動并網(wǎng)：自動準同期并列裝置采集并網(wǎng)點受電系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的電壓頻率、幅值和相位信息，自動捕捉時機并網(wǎng)。

并網(wǎng)完成后，具備有功功率自動分配功能。保證任意發(fā)電機組長期并聯(lián)運行時有功分配差度滿足要求。

4 總結

調(diào)度層能量管理系統(tǒng)根據(jù)受電系統(tǒng)的用電需求，實現(xiàn)對各發(fā)電單元的供電模式選擇及功率調(diào)度分配，并協(xié)調(diào)各發(fā)電單元的工作，使各發(fā)電機組有功分配差度滿足系統(tǒng)要求，為受電系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定及優(yōu)化配置的電力能源。

電站層能量管理系統(tǒng)具體實現(xiàn)對各發(fā)電單元的控制，完成供電模式選擇，控制各發(fā)電機組的投切及功率輸出。而且，電站層能量管理系統(tǒng)中，每個發(fā)電單元的功率管理單元功能獨立，可以作為一個整體單元接入高一級別的系統(tǒng)中，具有很強的擴展性。

調(diào)度層能量管理系統(tǒng)和電站層能量管理系統(tǒng)相互配合、各有分工，構成功能完全的全船能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對全船設備和電氣系統(tǒng)的監(jiān)測、報警，并實現(xiàn)相應的保護，及全船電力系統(tǒng)的選擇性保護。

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[4] 鮑薇. 多電壓源型微源組網(wǎng)的微電網(wǎng)運行控制與能量管理策略研究[D]. 中國電力科學研究院, 2014.

Research on the Energy Management System in LNG Generating Barge Micro-grid

Ge Qizhen, Geng Peng, Li Shu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

U674

A

1003-4862（2017）06-0020-03

2017-02-17

葛啟楨（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電氣傳動。E-mail: geqizhen@163.com