鄒 寧，龔 博，潘修穎

(1．大連測(cè)控技術(shù)研究所，遼寧大連 116013，2．武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)是一種綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)[1]，而變速發(fā)電技術(shù)是直流電站電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。與定速發(fā)電不同的是，變速發(fā)電技術(shù)通過(guò)調(diào)速器及調(diào)壓器的配合，根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷率改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組工作在最佳燃油消耗率，從而降低油耗，減少排放[2,3]。

本文分析了變速發(fā)電系統(tǒng)的組成配置，對(duì)變速發(fā)電控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行分析論證，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了提出的控制策略的可行性。

1 變速發(fā)電系統(tǒng)組成

變速發(fā)電需要協(xié)調(diào)在網(wǎng)機(jī)組，使其總的燃油消耗最低。通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的端電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)組功率的平衡與分配，待各機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定后，根據(jù)油耗-負(fù)載-轉(zhuǎn)速關(guān)系曲面，確定在該負(fù)荷下，機(jī)組最低油耗時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，使整個(gè)電站工作在低油耗[4,5]。

變速發(fā)電系統(tǒng)由柴油機(jī)組和控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。柴油機(jī)組采用可調(diào)速高轉(zhuǎn)速柴油機(jī)，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速可以寬范圍的調(diào)節(jié)。與定速發(fā)電不同的是，系統(tǒng)采用特殊設(shè)計(jì)的無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)具有寬頻率和寬電壓穩(wěn)定工作的能力。

控制系統(tǒng)由電子調(diào)速器，調(diào)壓器以及控制器組成，控制器能對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制及輸出電壓控制，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組調(diào)速的功能電子調(diào)速器采用電子調(diào)速器，調(diào)速器可以接收外部的模擬量調(diào)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)內(nèi)部計(jì)算，通過(guò)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器來(lái)調(diào)節(jié)拉桿油門的開度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器可以通過(guò)外部模擬量給定來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組電壓的調(diào)整。變速發(fā)電技術(shù)通過(guò)調(diào)速器及調(diào)壓器的配合，根據(jù)機(jī)組的負(fù)荷率改變機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組工作在最佳燃油消耗率，從而達(dá)到降低油耗，減少排放的目的。

2 變速發(fā)電控制策略

變速控制主要包含功率分配和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖1 變速發(fā)電系統(tǒng)示意圖

2.1 功率分配策略

圖2 功率控制結(jié)構(gòu)框圖

功率控制結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示，在幾臺(tái)機(jī)組并聯(lián)時(shí)，功率分配可以按照以下兩種方法進(jìn)行：

1) 遍歷尋優(yōu)法

遍歷尋優(yōu)法以尋找最低油耗為目標(biāo)，通過(guò)查表與插值算法，遍歷機(jī)組功率的各種組合，計(jì)算得到不同組合下的油耗，通過(guò)比較選取油耗最低時(shí)的功率組合，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的功率分配。通過(guò)該方法可以使整個(gè)電站的工作在最低油耗，全船的燃油經(jīng)濟(jì)性好，但是控制算法較復(fù)雜，計(jì)算量大，尋優(yōu)精度與離線油耗曲線數(shù)據(jù)的多少相關(guān)，數(shù)據(jù)越多尋優(yōu)精度越高，動(dòng)態(tài)調(diào)整頻繁，容易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

2) 功率均分法

功率均分法是使各個(gè)機(jī)組根據(jù)自身的特性和出線電抗器的特性進(jìn)行功率均分，從而實(shí)現(xiàn)各機(jī)組負(fù)荷的均衡。該方法原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)容易，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，但是系統(tǒng)整體油耗較高。

圖3給出了三臺(tái)同樣機(jī)組并聯(lián)時(shí)采用兩種方法分別得到的油耗。在這種三機(jī)功率均較低的情況下，采用功率均分的油耗略高于遍歷尋優(yōu)法的油耗，但相差不大，而且在這種三機(jī)功率均較低的情況下，能量管理系統(tǒng)一般會(huì)根據(jù)實(shí)際情況關(guān)閉一臺(tái)機(jī)組使另外兩臺(tái)機(jī)組工作在較高負(fù)荷率下；在其他負(fù)荷率下，采用功率均分法與遍歷尋優(yōu)法得到的油耗是基本一致的。

圖3 三臺(tái)機(jī)組并聯(lián)時(shí)的油耗

表1 兩種方法的比較

整體來(lái)說(shuō)，采用遍歷尋優(yōu)法與功率均分法得到的整體油耗比較接近，功率均分法的稍高，尤其是在負(fù)荷率較高時(shí)，采用兩種方法得到的整體油耗基本一致。因此，綜合考慮系統(tǒng)的燃油消耗、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的因素，采用功率均分法是一種較合適的方案。

2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方法

為了使機(jī)組工作在最佳耗油點(diǎn)，機(jī)組將不再一直工作在額定轉(zhuǎn)速，需要對(duì)機(jī)組根據(jù)功率進(jìn)行調(diào)速。隨著轉(zhuǎn)速的降低，機(jī)組的帶載能力也會(huì)隨之降低，在機(jī)組變速之后進(jìn)行加載，為了系統(tǒng)安全，必須提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其帶載能力加強(qiáng)。在這個(gè)時(shí)候減載對(duì)系統(tǒng)影響不大，在減載時(shí)根據(jù)功率進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使其工作在最佳燃油消耗點(diǎn)上。轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該功率均分法的可行性，在 Matlab中搭建了模型，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真過(guò)程中各機(jī)組的參數(shù)相同，額定功率1000 kW，額定電壓690 V，對(duì)機(jī)組并機(jī)、加載及調(diào)速的過(guò)程進(jìn)行了仿真，圖中功率、電壓、轉(zhuǎn)速均為標(biāo)幺值。

圖5給出了兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組功率均分的波形，兩臺(tái)機(jī)組參數(shù)相同，在3 s時(shí)，啟動(dòng)第二臺(tái)機(jī)組，開始時(shí)，2#機(jī)組的電壓稍高于1#機(jī)組，使負(fù)荷向2#機(jī)組轉(zhuǎn)移，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，最終兩臺(tái)機(jī)組輸出電壓一致，兩臺(tái)機(jī)組均分功率。調(diào)整后，發(fā)電機(jī)輸出電壓和機(jī)組轉(zhuǎn)速可以迅速穩(wěn)定，一致性較好。

圖4 轉(zhuǎn)速控制結(jié)構(gòu)框圖

圖5 兩臺(tái)機(jī)組功率均分的波形

圖6 兩臺(tái)機(jī)組并聯(lián)加載波形

在30 s時(shí)，加載400 kW，四臺(tái)機(jī)組的波形如圖6所示，可以看出在加載時(shí)系統(tǒng)也具有較好的穩(wěn)定性。

圖7是一臺(tái)柴油機(jī)組工作時(shí)，負(fù)載功率變化，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的波形，隨著功率的變化，轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)以降低系統(tǒng)油耗。功率和輸出電壓可以較快的達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速采用斜坡給定的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖7 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)波形

4 小結(jié)

本文分析了直流電站變速發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，研究了功率分配和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的原理，提出了機(jī)組變速控制方法，在此基礎(chǔ)上建立變速發(fā)電系統(tǒng)的模型，搭建仿真平臺(tái)并進(jìn)行仿真，從仿真可以得出，提出的控制方法具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能，整個(gè)系統(tǒng)具有較好的魯棒性。

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