基于下垂特性的船用直流发电设备功率分配方法与流程

本发明涉及船用直流电网发电设备的并网均流技术。

背景技术：

随着分布式电源的快速发展和电力电子技术的不断成熟，船舶行业越来越关注直流电网在船舶上的应用。相对于传统交流配电网，直流配电系统具有便于控制、损耗低、电能质量高等显著优点，且不需要对电压的相位和频率进行跟踪，可控性和可靠性更高，因而更加适用于船用电网。直流配电系统中需要有多个发电设备并联运行，从而实现分担负载功率，减少主电路开关器件电流应力，提高功率密度，并提高系统可靠性，降低成本，但发电设备并联也带来新问题，多个发电设备无法保证完全并联稳定且功率分配均衡。

目前直流电网的并网均流技术主要分为有互联线并联技术和无互联线并联技术。常见的有互联线的并联均流技术有主从设置法、平均电流法、最大电流法等，有互联线并联技术属于集中控制，该控制方法可以提供更好的电能质量并使分布式发电效率最大化，但也带来一些限制，比如高度依赖快速和可靠的通信系统，通过引入通信电路和中央控制器等导致的系统可靠性降低。现有的无互联线控制技术主要是下垂特性调整法，该控制方法使得基于下垂特性的负载得以有效均衡，然而，传统的下垂特性高度依赖直流电网和负载间的线路参数，当遇到直流电网扰动时，将无法通过传统的下垂控制器获取精确的功率分配。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对下垂特性在直流电网运用中存在的功率分配准确性及稳定性问题，提供一种基于下垂特性的船用直流发电设备功率分配方法，其可以在无严重依赖通信的分散控制条件下实现功率准确分配，使系统具有良好的冗余性和可扩展性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于下垂特性的船用直流发电设备功率分配方法，所有的发电设备均并联到直流母线上；所述的基于下垂特性的船用直流发电设备功率分配方法包括以下步骤：

电能管理系统将每台发电设备需要调整的功率量，以电压ΔU的形式分别发送给各台发电设备；

各发电设备将发电设备空载输出给定电压VREF减去接收到的ΔU，得到空载给定电压；所有发电设备的VREF均相等；

各发电设备根据所采集到的自身的实际输出电流以及直流母线电压计算出发电设备实际输出功率，将所述空载给定电压减去发电设备实际输出功率和下垂系数的乘积，得到直流电压给定值；

各发电设备将所述直流电压给定值减去所采集到的直流母线电压，将直流电压给定值与直流母线电压的差值经过PI调节后得到输出功率的给定值；

各发电设备的发电控制单元根据所述输出功率的给定值对发电设备的输出功率进行控制，使发电设备的实际输出功率等于输出功率的给定值。

采用上述技术方案后，本发明至少具有以下优点和特点：

1、本发明以各台发电设备独立的下垂特性控制为主，电能管理系统功率分配为辅，可以精确地实现各发电设备间功率的合理分配。本发明还可以在电能管理系统出现故障或调节速度不够时，实现系统对扰动的自适应性，并且实现方式简单；

2、本发明解决了使用下垂特性进行负载均衡时，对直流电网和负载间的线路参数高度依赖的问题，同时解决了有互联线并联技术中高度依赖通信系统导致系统可靠性降低的问题。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的船用直流电网的原理示意图，其中还示出了发电设备的控制原理。

图2示出了电能管理系统不参与调节时的两台发电设备的运行曲线示意图。

图3示出了电能管理系统降低其中一台发电设备输出功率时的两台发电设备的运行曲线示意图。

图4示出了电能管理系统增加其中一台发电设备输出功率时的两台发电设备的运行曲线示意图。

图5示出了电能管理系统在其中一台发电设备输出功率变化时通过调节作用维持直流电压保持不变时的两台发电设备的运行曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1为根据本发明一实施例的船用直流电网的原理示意图。如图1所示，船用直流电网包括电能管理系统、多台发电设备、直流母线及多个负载。电能管理系统的输出端分别与多台发电设备的输入端相连，多台发电设备均并联到公共的直流母线上，从而可通过各自的变流器输出功率到公共的直流母线上。各发电设备均为直流发电装置，输出为直流电压，并具有直流电压调节功能。各发电设备都采用下垂控制，输出功率与给定电压值之间存在线性关系。多个负载也都并联在公共的直流母线上。电能管理系统可以监控各发电设备的发电功率以及各负载的用电功率，并具备调节能力。具体地说，电能管理系统通过检测各发电设备及各负载的输入和输出功率，经过系统功率匹配计算可得出每台发电设备需要调整的功率量，并以电压ΔU的形式发送给各台发电设备。从而使得电能管理系统在不影响各发电设备下垂控制的前提下，可以对各发电设备的输出功率进行调整。前述的功率匹配计算的具体算法属于现有技术，在此不再赘述。

根据本发明一实施例的基于下垂特性的船用直流发电设备功率分配方法包括以下步骤：

电能管理系统将每台发电设备需要调整的功率量，以电压ΔU的形式分别发送给各台发电设备；

各发电设备将发电设备空载输出给定电压VREF减去接收到的ΔU，得到空载给定电压；所有发电设备的VREF均相等；

各发电设备根据所采集到的自身的实际输出电流以及直流母线电压计算出发电设备实际输出功率，将所述空载给定电压减去发电设备实际输出功率和下垂系数的乘积，得到直流电压给定值；各发电设备的下垂系数与额定输出功率及系统允许电压降落的幅值等有关；

各发电设备将所述直流电压给定值减去所采集到的直流母线电压，将直流电压给定值与直流母线电压的差值经过PI调节后得到输出功率的给定值；

各发电设备的发电控制单元根据所述输出功率的给定值对发电设备的输出功率进行控制，使发电设备的实际输出功率等于输出功率的给定值。发电控制单元根据发电机组的不同具有不同的控制策略，例如，若发电机组为柴油机+异步发电机+全控整流装置的结构，则发电控制单元需实现为异步发电机励磁及为维持直流电压而需输出的有功电流；若发电机组为柴油机+同步发电机及电压调节器+全控整流装置，则发电控制单元则需实现为维持直流电压而输出的有功电流；若发电机组为柴油机+同步发电机+不控整流装置，则发电控制单元需实现为维持直流电压而控制励磁电流。

在本实施例中，各发电设备的下垂系数与其功率成反比分配，满足k₁P_max1＝k₂P_max2＝…＝k_nP_maxn，其中，P_max1、P_max2…P_maxn分别为各发电设备的额定输出功率，k₁、k₂…k_n分别为对应的各发电设备的下垂系数。

以图1中的发电设备1为例来说，其功率控制的过程如下。电能管理系统将每台发电设备需要调整的功率量，以电压ΔU的形式分别发送给发电设备1。发电设备1将发电设备空载输出给定电压VREF减去接收到的ΔU，得到空载给定电压V_dcgiven1。发电设备根据所采集到的自身的实际输出电流以及直流母线电压计算出发电设备实际输出功率，将所述空载给定电压V_dcgiven1减去发电设备实际输出功率P₁和下垂系数k₁的乘积，得到直流电压给定值V_dcref1,即V_dcref1＝V_dcgiven1—k₁*P₁。其中，发电设备的实际输出电流通过电流霍尔传感器CS1检测得到，直流母线电压值通过电压霍尔传感器VS1检测得到。发电设备1将直流电压给定值V_dcref1减去电压霍尔传感器VS1所采集到的直流母线电压，将直流电压给定值与直流母线电压的差值经过PI调节后得到输出功率的给定值。发电设备1的发电控制单元根据输出功率的给定值对发电设备1的输出功率进行控制，使发电设备的实际输出功率等于输出功率的给定值。

下面以发电设备1和发电设备2的功率分配为例，结合图2至图5来详细描述根据本发明一实施例的基于下垂特性的船用直流发电设备功率分配方法的实现过程。

图2所示为电能管理系统不参与调节(即电能管理系统输出的ΔU＝0)时，发电设备1和发电设备2的运行曲线，系统的运行过程如下所示：

参见图2，图2中的斜线为发电设备的下垂特性曲线。发电设备1与发电设备2空载并网运行时，u_dc1＝u_dc2＝U_max1＝U_max2＝VREF，两台设备输出功率均为0。u_dc1和u_dc2分别为发电设备1和发电设备2的输出电压。

在负载接入电网初期，负载功率P_load由发电设备1和发电设备2共同承担，最恶劣的状况是一台设备承担了所有的负载功率。假定调节初期发电设备1承担所有的负载功率，那么V_dcref1＝VREF—k₁*P_load，V_dcref2＝VREF—k₂*0＝VREF。忽略直流母线电压由于加载的突降，u_dc1＝u_dc2＝U_max1＝U_max2＝VREF。由于V_dcref1在接入负载后与接入负载前相比已减小，而u_dc1一样，因此两者的差值也减小了，使得经过PI调节后得到的发电设备1的输出功率的给定值也减小，同时u_dc1下降。由于发电设备1和发电设备2并联在直流母线上，因此u_dc2也会随之下降，当u_dc2下降时，由于V_dcref2＝VREF，因此两者的差值增大了，使得发电设备2的输出功率给定值将上升。按照该调节趋势，发电设备1的运行状态由图2中的O₁向A₁移动，发电设备2的运行状态由图2中的O₂向A₂移动。当发电设备1和发电设备2分别运行至A₁和A₂点，此时V_dcref1＝V_dcref2＝u₁，同时直流电压u_dc1＝u_dc2也工作在u₁附近，发电设备1和发电设备2的输出功率给定值都趋于稳定。此时，P₁/P₂＝P_max1/P_max2且P₁+P₂＝P_load，从而实现了两台发电设备间功率的合理分配。

图3所示为电能管理系统参与调节改变发电设备的输出功率，降低发电设备1输出功率时的发电设备1和发电设备2的运行曲线。

假设当发电设备1和发电设备2分别稳定运行在A₁和A₂点时，电能管理系统给了发电设备1降ΔU的指令。那么，发电设备1的V_dcgiven1＝VREF—ΔU,V_dcref1＝V_dcgiven1—k₁*P_l，相当于发电设备1的曲线由V_dcref1＝U_max1—k₁*P_maxl变为V_dcref1＝U_max1—ΔU—k₁*P_maxl，工作点由A_l变为L_l。在L_l点，对应V_dcref1＝V_dcgiven1—k₁*P_l＝u₃，而此时u_dc1＝u_dc2＝u₁，即V_dcref1与u_dc1的差值减小，发电设备1输出功率给定值下降，同时u_dc1也随之下降，由于发电设备1和发电设备2并联在直流母线上，因此u_dc2也将下降。当u_dc2下降时，由于V_dcref2＝u₁，因此两者的差值增大了，使得发电设备2的输出功率给定值将上升，需要输出更大的功。按照该调节趋势，发电设备1的运行状态由图3中的L_l逐渐向B_l移动，发电设备2由A₂逐渐向B₂移动，最终发电设备1和发电设备2分别稳定运行在B₁和B₂点，且ΔP＝ΔU/(k₁+k₂)。

图4所示为电能管理系统参与调节改变发电设备的输出功率，增加发电设备2输出功率时的发电设备1和发电设备2的运行曲线。

假设当发电设备1和发电设备2分别稳定运行在A₁和A₂点时，电能管理系统给了发电设备2增加ΔU的指令。那么，发电设备2的V_dcgiven2＝VREF+ΔU,V_dcref2＝V_dcgiven2—k₂*P₂，相当于发电设备2的曲线由V_dcref2＝U_max2—k₂*P_max2变为V_dcref2＝U_max2+ΔU—k₂*P_max2，工作点由A₂变为L₂。在L₂点，对应V_dcref2＝V_dcgiven2—k₂*P₂＝u₆，而此时u_dc1＝u_dc2＝u₁，即V_dcref2与u_dc2的差值减小，发电设备2输出功率给定值增加，同时u_dc2也变大，由于发电设备1和发电设备2并联在直流母线上，因此u_dc1也将变大。当u_dc1变大时，由于V_dcref1＝u₁，因此两者的差值变小了，使得发电设备1的输出功率给定值将变小，需要减小输出功率。按照该调节趋势，发电设备2的运行状态由图4中的L₂逐渐向C₂移动，发电设备1由A_l逐渐向C_l移动，最终发电设备1和发电设备2分别稳定运行在C_l和C₂点，且ΔP＝ΔU/(k₁+k₂)。

图5所示为电能管理系统参与调节改变发电设备的输出功率，当输出功率下降时，电能管理系统通过调节保持直流电压不变时的发电设备1和发电设备2的运行曲线。

当发电设备1和发电设备2分别稳定运行在A₁和A₂点时，负载功率下降ΔP，则发电设备1和发电设备2分别沿曲线V_dcref1＝U_max1—k₁*P_max1和V_dcref2＝U_max2—k₂*P_max2从A_l、A₂点运行至D_l、D₂点，此时直流母线电压从u₁提升至u₇。为保证直流母线电压的稳定性，电能管理系统同时给发电设备1和发电设备2下降ΔU的指令，则V_dcgiven1＝VREF—ΔU,V_dcref1＝V_dcgiven1—k₁*(P_l—ΔP),V_dcgiven2＝VREF—ΔU,V_dcref2＝V_dcgiven2—k₂*(P₂—ΔP),相当于发电设备1和发电设备2的运行曲线分别变为V_dcref1＝U_max1—ΔU—k₁*P_maxl和V_dcref2＝U_max2—ΔU—k₂*P_max2，运行工作点从D_l、D₂点分别变为E_l、E₂点，此时发电设备1和发电设备2的直流电压给定均下降(对应于图5中的u₁)，而实际直流电压为u₇，u₇高于u₁，因此发电设备1和发电设备2的输出功率给定值均降低，负载消耗直流母线的功率，直流母线电压下降至u₁，电能管理系统调节的ΔU与ΔP的关系为：ΔU＝ΔP(k₁+k₂)。从而在电能管理系统的调节作用下，实现了系统工作在不同功率时均保持直流电压稳定。

根据本发明一实施例的基于下垂特性的船用直流发电设备功率分配方法以各台发电设备独立的下垂特性控制为主，利用下垂特性实现发电设备输出功率的自动分配，以电能管理系统功率分配为辅，电能管理系统根据电网的运行状况对各发电设备的输出功率进行调整，调整的方式是调节各发电设备中下垂控制环节的电压参考初始值。本发明能实现各发电设备间功率的合理分配。