基于频率检测的电力推进系统快速减载量的整定方法与流程

本发明涉及一种船舶工程故障处理技术领域，特别涉及一种基于频率检测的电力推进系统快速减载量的整定方法。

背景技术：

与传统的船舶动力系统相比，电力推进系统具有调速范围广、驱动力大、易于正反转、体积小、布局灵活、安装方便、便于维修、振动和噪音小等优点，逐渐成为船舶动力装置的主要发展方向。与此同时，电力推进船舶的用电设备也随之增加，功率也随着增加，船舶电力推进系统及电网的管理也变得更加复杂。相对于陆地上的电力系统及电网来说，船舶电站(主要由发电机组及配电板组成)容量较小，电网输电线较短，且海洋环境的相对恶劣、复杂、多变还使得电气设备的损耗更大，此外，在一些情况下还需要船舶发电机组根据多种不同的运行工况提供不同的输出功率，由此使得船舶电力推进系统相比陆地电力系统，更容易出现一些系统故障，不良的系统故障容易导致经济收入损失甚至安全问题，因此在发生船舶电力推进系统故障时，例如发电机组跳闸，例如通过快速减载等方法来对船舶电力推进系统尽快实施保护和控制，以保证船舶的稳定运行，就显得至关重要。

目前很多的电力推进系统减载策略存在以下缺陷：

1、通常是在发生故障后快速减掉负载，虽然能够尽快实现对船舶电力推进系统的保护和控制，但是未考虑负载减掉之后对在网发电机组的工作效率的不利影响，不能使船舶的性能得到最大程度的发挥，进而影响船舶的经济效益；

2、部分减载系统复杂，无法使减载系统得到充足的时间进行一个信息的反馈，数据传输的实时性比较差，对整个船舶系统的保护质量造成很大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于频率检测的电力推进系统快速减载量的整定方法，能有效地解决发生故障后的减载量与仍然工作的发电机组工作效率之间的矛盾，保障船舶运行的安全性与经济性。

为了实现上述发明目的，本发明通过以下技术方案实现的：

基于频率检测的电力推进系统快速减载量的整定方法，包括以下步骤：

步骤1：通过频率观察控制器实时监测所述电力推进系统的电网频率，在所述电力推进系统发生故障后有至少一台发电机组跳闸时，获得所述电力推进系统的电网频率变化量；

步骤2：定义在所述电力推进系统发生故障后的所述电力推进系统的瞬态阶跃负载δptran(k,nf)：

式中，nf为跳闸的发电机组的数量；k为所述电力推进系统电网中的发电机组总量；pgi为发生故障前的发电机组的负载；

步骤3：根据所述瞬态阶跃负载δptran计算每台仍然工作的发电机组的阶跃负载和瞬态负载，其中，所述瞬态阶跃负载为：

所述瞬态负载为每台所述仍然工作的发电机组的故障前负载与其瞬态阶跃负载之和，即：ptran,gi(k,nf)＝pgi+δptran,gi(k,nf)；

上式中，hi为每台所述仍然工作的发电机组的惯性时间常数，pr,gi发生故障后所述仍然工作的所承担的负载，即功率输出量；

步骤4：根据所述瞬态负载计算用于所述电力推进系统的理论减载量δpflr,gi：

δptran,gi(k,nf)＝δptran,gi(k,nf)-min(amaxpr,gi-pgi,δpgi)；

式中，δpgi为所述仍然工作的发电机组可接受的瞬态阶跃负载，amax为所述仍然工作的发电机组的功率系数；

步骤5：根据所述电力推进系统电网上仍然工作的所有发电机组的能力以及所述理论减载量整定出实际减载量；

1)过量瞬态阶跃负载减载，即当发生所述故障时，需在最大安全时间内减掉超出仍然工作的所有发电机组能够承担的负载量以外的量，即实际减载量其中，为仍然工作的发电机组可接受的最大瞬态阶跃负载，所述最大安全时间取决于步骤1中的电网频率变化量；

2)全瞬态阶跃负载减载，即当发生所述故障时，需在最大安全时间内减掉故障后的所有阶跃负载，即实际减载量δpflr,gi＝δptran,gi(k,nf)。

可选的，所述最大安全时间其中，δω为所述电力推进系统的电网频率变化量，j为发电机组转子转动惯量，δptran(k,nf)为所述电力推进系统的瞬态阶跃负载。

可选的，所述最大安全时间具有±10％的误差量。

可选的，所述过量瞬态阶跃负载减载的情况下，减载后，每台所述仍然工作的发电机组上的负载为：

其中，为所述仍然工作的发电机组允许的最大频率差，为所述仍然工作的发电机组延时的最大频率降,j为所述仍然工作的发电机组转子转动惯量，pgi为发生故障前的所述仍然工作的发电机组的负载，pr,gi为发生故障后所述仍然工作的发电机组的所承担的负载；amax为所述仍然工作的发电机组的功率系数，tflr,i为减载时间，小于等于最大安全时间。

可选的，所述全瞬态阶跃负载减载的情况下，减载后，每台所述仍然工作的发电机组上的负载为：

其中，为所述仍然工作的发电机组允许的最大频率差，j为所述仍然工作的发电机组转子转动惯量，pgi为发生故障前的所述仍然工作的发电机组的负载，tflr,i为减载时间，小于等于最大安全时间。

可选的，每台发电机组的特性有如下限制：

0.03δω0,gi≤δωen,gi(0.25pr,gi)≤0.06δω0,gi

其中，pr,gi为发生故障后所述仍然工作的发电机组的所承担的负载；为发生故障后所述仍然工作的发电机组可接受的最大瞬态阶跃负载，δω0，gi为所述仍然工作的发电机组的额定频率降差。

可选的，所述的整定方法，还包括步骤6：取最大安全时间为目标函数，优化步骤5中的实际减载量，以使所述仍然工作的发电机组达到最优阶跃负载响应。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的基于频率检测的电力推进系统快速减载量的整定方法，在船舶电力推进系统任意发电机组发生跳闸时，能够计算出发生跳闸后加载在仍然工作的发电机组(即当前在网机组)上的阶跃负载及瞬态负载，然后根据不同的瞬态阶跃负载，快速整定出过量瞬态阶跃负载减载和全瞬态阶跃负载减载两种情况下需要的实际减载量，即保证了系统的稳定性及可靠性，起到防失电效果，又使仍然工作的发电机组工作在靠近额定功率的工作区域，提高经济效益。

附图说明

图1为本发明具体实施例的基于频率检测的快速减载系统的框图；

图2为本发明具体实施例的基于频率检测的电力推进系统的整定方法流程图；

图3为本发明具体实施例的最大安全时间与最大瞬态阶跃负载的关系示意图；

图4为本发明具体实施例的快速减载的控制过程的简易示意图；

图5为本发明具体实施例的不同的最大瞬态负载减载与安全时间效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

请参考图1，本发明提供的基于频率检测的电力推进系统快速减载量的整定方法，借助一基于频率检测的快速减载系统(flr)来实现。所述基于频率检测的快速减载系统接入到船舶电力推进系统上，所述船舶电力推进系统包括船舶电网100(主要由多台发电机组、配电板、变压器等组成)、主要负载(未图示)、次要负载104、连接在船舶电网100以及次要负载104之间的断路器101以及推进器102，船舶电网100上的多台发电机组同步运行，各台发电机组承担的负载可以相同(即平衡负载)，也可以不同(即不平衡负载)；所述基于频率检测的快速减载系统包括频率观察控制器201、轴动态监测模块202、参考推力模块203、负载率限制模块204、pi推力控制模块205以及扭矩限制206，其中，频率观察控制器201用于对所述船舶电力推进系统的船舶电网100的频率进行实时检测，检测原理是：将被采样模拟信号视为一个时间函数，然后根据傅氏级数原理，可求出各次谐波的幅值与初相角，再利用前后两次求出的初相角，即可求出在一个测量周期内频率的改变量，进而求得系统频率，因此就能求得电网频率差δωg。轴动态监测模块202用于监测所述船舶电力推进系统的发电机组的轴动态，参考推力模块203用于设置推进器102的参考推力，负载率限制模块204用于设置所述船舶电力推进系统的最大负载量，pi推力控制模块205用于控制推进器102的实际输出，扭矩限制206用于控制推进器102的功率输出。所述基于频率检测的快速减载系统，能够通过频率观察控制器201对船舶电网的频率实时检测，可以获得当一台发电机组发生故障或推进器102受到外界干扰qrp时而导致船舶电网100产生的频率波动(即电网频率差)δωg，并根据每台发电机组的阶跃负载量δpmax,p及电网频率差δωg，在最大安全时间以内控制连接次要负载104的断路器101的断开，实现次要负载104的快速切削，同时通过扭矩限制模块206控制推进器102功率qtp的输出，防止推进器102功率过大而导致整个船舶电力推荐系统断电，从而使保证推进器102正常工作。

请参考图2，本发明的基于频率检测的电力推进系统快速减载量的整定方法，包括以下步骤：

步骤1：通过频率观察控制器实时监测所述电力推进系统的电网频率，在所述电力推进系统发生故障后有至少一台发电机组跳闸时，获得所述电力推进系统的电网频率变化量，即电网频率差δωg。

步骤2：定义在所述电力推进系统发生故障后的瞬态阶跃负载(即电力推进系统的瞬态负载变化量)δptran(k,nf)：

式中，nf为跳闸的发电机组的数量；k为所述电力推进系统电网中的发电机组总量(包括跳闸的发电机组在内)；pgi为发生故障前的每台发电机组的负载，由于各个发电机组同步，因此发生故障前的每台发电机组的负载；

本步骤中还可以得出最大安全时间与最大阶跃负载之间的关系，其中，将一台发电机发生跳闸引起在网机组频率下降达到下限之前的时间定义为最大安全时间，即电网频率下降到船级社规定允许最低频率的时间，具体过程如下：

首先，根据牛顿运动力学第二规律，将发电机组转子作用在发电机组轴上的转矩关系表述如下：

公式中：j为发电机组转子转动惯量，单位：kg·m²；ω为额定角速度，ω＝2πf,f为额定频率；tau为转矩，采用标幺值；

然后，在经典的同步发电机模型中，运用相关的近似原则，在标幺值下，当角速度ω接近为定值时，功率(即发电机组的负载量)pau在数值上等于转矩tau，将上式改为如下形式:

之后，由式(1)至式(3)得到最大安全时间与最大阶跃负载之间的关系式：

式(4)所计算出的最大安全时间，可以根据柴油机的负载能力和动态特性、调速器和自动调压器配置、主开关延时设定以及关键设备的功率穿越的冗余功能各种不同的情况，允许有±10％的误差量。请参考图3，图3示出了本发明具体实施例的最大安全时间与最大瞬态负载的关系示意图，图3中以实线tsl为分界线，在实线tsl左边为发电机组可承受的最大安全瞬态负载量，实线tsl右边为可能引起失电危险的瞬态负载量。

步骤3：根据所述瞬态阶跃负载δptran计算每台仍然工作的发电机组的阶跃负载和瞬态负载，计算时考虑发生故障后仍然工作的发电机组(即仍在网的发电机组)承担平衡负载以及不平衡负载的情况，均可以由下面的公式计算每台仍然工作的发电机组的瞬态阶跃负载：

式中，hi为各台仍然工作的发电机组的惯性时间常数，惯性时间hi的增加将提高由于突加负载引起的发电机组地坪跳闸和失电的阻力，直接造成瞬态恢复时间也将延长。

pr,gi发生故障后仍然工作的所承担的负载，即功率输出量。

定义每台仍然工作的发电机组的故障前负载与瞬态阶跃负载之和为每台仍然工作的发电机组的瞬态负载：

ptran,gi(k,nf)＝pgi+δptran,gi(k,nf)(6)。

步骤4：根据所述瞬态负载计算快速减载系统(flr)用于所述电力推进系统的理论减载量δpflr,gi，理论减载量现定义如下：

式中，瞬态负载ptran(k,nf)取决于电网上发电机组总量k和跳闸发电机组的数量nf；δpgi为仍然工作的发电机组可接受的瞬态阶跃负载，amax为仍然工作的发电机组的功率系数；

步骤5：根据所述电力推进系统电网上仍然工作的所有发电机组的能力以及所述理论减载量整定出实际减载量，即减载负荷数量筛选，具体如下：

5.1)定义仍然工作的发电机组延时的频率降为δωen,gi(δpgi)，则快速减载系统(flr)为仍然工作的发电机组实现的频率降为：

式中，为仍然工作的发电机组延时的最大频率降。

指定两种情况下的实际减载量

5.2)过量瞬态阶跃负载减载情况，这种情况下，在故障发生前，发电机组的负载量未达到设置的可接受的最大瞬态阶跃负载，当故障发生后，仍然工作的所有发电机组承担了电网上的部分突变负载(即部分阶跃负载))，而达到可接受的最大瞬态阶跃负载，超过最大瞬态阶跃负载的过量负载必须通过快速减载系统减掉，此时和因此得到以下公式：

为仍然工作的发电机组延时的最大频率降，为仍然工作的发电机组可接受的最大瞬态阶跃负载；

通常根据发电机组的特性有如下限制：

其中，δω0，gi为所述发电机组的额定频率降差

当利用式(4)以及发电机组最大阶跃负载能力进行减载时间计算时，可得出如下公式：

由于最大安全时间(即达到频率下限时间)tsl必须设置高于或等于快速减载所需要的时间tflr，即tsl≥tflr。当tsl＝tflr，式(11)可改写为：

即得出了过量瞬态阶跃负载减载情况下减载后的每台仍然工作的发电机组上的负载ptran，gi。

2)全瞬态阶跃负载减载情况，这种情况下，在故障发生前，发电机组的负载量已达到设置的可接受的最大瞬态阶跃负载，当故障发生时，仍然工作的发电机组不能承担故障后突变的负载(即阶跃负载)，必须使这些发电机组在故障前和故障后的负载相等，即要求减掉故障后的所有阶跃负载，使得在故障清除后，这些发电机组能够慢慢加载到最大允许负载。当要求减掉故障后的所有阶跃负载时，δp＝0，δωen,gi(δpgi＝0)＝0，由此可得出以下公式：

δpflr,gi＝δptran,gi(k,nf)

全瞬态阶跃负载情况下的减载所需时间计算如下：

当tsl＝tflr时，上式可改写为：

即得出了全瞬态阶跃负载情况下减载后的每台仍然工作的发电机组上的负载ptran，gi。

可见，对于实际减载量的整定方法，已考虑发电机组的负载能力和动态特性不同的情况，也从最大安全时间上考虑了发电机组的调速器和自动电压调节器(avr)配置和设定不同的情况、发电机和主开关的延时设定不同的情况以及关键设备的功率穿越的冗余功能不同的情况，最终得出的减载量，使得仍然工作的发电机组工作在靠近额定功率的工作区域，在保证系统的稳定性、可靠性以及防失电效果的同时，又能使仍然工作的发电机组工作在靠近额定功率的工作区域，提高经济效益。

步骤6：可以进一步优化瞬态阶跃负载减载量；为了找到发电机组最优阶跃响应，将目标函数设定如下：

结合步骤5中的两种不同减载量的整定方法，取最大安全时间为目标函数，可以充分保证减载的安全性。

请参考图4，本发明的基于频率检测的电力推进系统的整定方法，应用于船舶电力推进系统的快速减载时，在故障发生前，各台(两台)发电机组的负载量小于最大允许负载量，在故障发生后，船舶电力推进系统的一台发电机组跳闸后，快速减载系统在0.1s的时间内判断出在网发电机组处于过载情况，先将阶跃负载分配至在网发电机组(即仍然工作的发电机组)，发现仍然过载，在0.2s后启动备用机组，并再次进行阶跃负载的分配，经过60s所有在网发电机组(图2中为三台发电机组)分配正常，可以是对阶跃总量的平衡分配，也可以是对阶跃总量的不平衡分配。

请参考图5，图示了本发明具体实施例中不同的最大瞬态负载减载与安全时间效果图，图中分别显示了高瞬态负载与低瞬态负载情况下的优化后的合适减载量与最大安全时间之间的关系，由此使得发电机组能够进行最优阶跃响应，达到最佳工作状态，同时充分保证减载的安全性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。