柴油发电机组准同期并网策略及动态仿真

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(1.上海海事大学 物流工程学院, 上海 201306； 2.浙江工业职业技术学院, 浙江 绍兴 312000)

柴油发电机组准同期并网策略及动态仿真

胡红钱1,2，施伟锋1，张威1

(1.上海海事大学物流工程学院,上海201306； 2.浙江工业职业技术学院,浙江绍兴312000)

针对船舶电力系统并网问题,在准同期并网原理的基础上，利用相位调节和频率调节的协同、频率变化率与功率转移的一致性及频率与功率的下垂特性改进柴油发电机组准同期并网策略。通过MATLAB/Simulink自建发电机准同期并网检测与判断模型，并按照实际船舶电力系统的流程进行从空载启动到单机投切再到双机并网的整个工况的仿真。仿真结果表明,该动态结果符合理论分析的预期结果，验证了该并网策略的可行性。

船舶工程;船舶电力系统；准同期并网；动态仿真

Abstract: The parallel operation of generators at change-over is one of the most important subjects in ship power system automation. The quasi-synchronization connection principle is analyzed and a diesel generator group quasi-synchronous connection strategy is proposed on the basis of the phenomenon of the process that the phase angle regulation and frequency regulation are the same in nature, and the frequency changes according to the power regulation with drooping characteristics. The simulation is performed to verify the feasibility of the connection strategy according to the actual process of ship electric power system.

Keywords: ship engineering; ship power system； quasi-synchronous connection； dynamic simulation

现代船舶电力系统[1]是一个涉及电能产生、分配和管理调度及舰载设备、电力推进系统等用电设备的综合电力系统。其作为移动电站系统，空间容量小、电气密度大、传输距离短、机电耦合性强[2]；其柴油发电机组单机容量小，在靠离码头、进出狭窄水道和机组检修等特殊情况下需频繁进行并车、解列操作；其异步电动机的容量与单台发电机组相当，甚至超过其容量等。这些情况使得船舶电力系统更易发生扰动，频率和电压不再保持恒定，而是处在一个动态变化的过程[3]中，因此对电力系统的并网及动态过程进行研究具有重要意义。

目前已有文献对船舶电力系统并网动态性能进行研究：文献[4]和文献[5]作出与传统的准同期并网控制方法相似的论述，但算法繁琐、不易实现，且缺乏对并网的动态仿真；文献[6]介绍同步发电机组并网实现，但没有对并网后发电机组之间的协调控制运行策略进行论述；文献[7]研究船舶电力系统的动态过程，但没有对具体的并网实现作必要的说明；文献[8]研究船舶发电机组的并联运行及动态过程，但对并网模型和负载加载过程过于理想。

准同期并网因操作冲击电流小、对电网和发电机组损伤小而被广泛使用。[9]准同期并网控制策略方面的研究主要集中在频率和相位调节的差异上。文献[10]首先进行频率调节，在待并网机组与在网机组频率的偏差小于一定范围之后进行相角调节，采用比例控制的方式；文献[11]采用比例积分调节，实现频率无静差调节；文献[12]通过对待并网机组电压与在网机组电压进行交叉计算来确定电压相位差最佳时刻进行并网；文献[13]利用频率差调节相位差控制得到微电网并网的改进控制策略，实现孤岛并网。

精准、快速、平稳是并网控制的目标，这里在论述准同期并网原理的基础上讨论频率调节和相位调节的协同，分析调速器有功功率—频率的下垂特性，结合频率变化率与功率转移的一致性将功率均衡脉冲与频率微分相结合，加快负荷转移，减小功率分配振荡，完成从发电机组的空载启动到单机投切再到双机并网的整个电力系统动态过程的仿真。

1 船舶电力系统准同期并网原理

为减小并网冲击电流对电网和发电机组的影响，待并网发电机组和在网发电机组在并网前需满足相序相同、频率相等、电压幅值相等及电压相位差为零等4个条件。[14]

由于相序是机组安装时由安装人员保证的，因此发电机组并网时只需保证满足相序以外的另外3个条件。船舶电力系统准同期并网发电机组拓扑结构见图1，其中:机组1为在网机组，其端电压为ug;机组2为待并网机组，其端电压为uw。当在网机组的功率不够或发电机组发生故障需维修但不能断电时，需将待并网机组向系统(图2中的汇流排)投切以增加或维持系统的输出功率。该部分工作由机组并网装置对电网和待并网发电机组的运行状态进行检测并控制发电机组，适时投切开关ACB完成。

图1 准同期并网发电机组拓扑结构

设在网机组端电压和待并网机组端电压分别为

ug=Ugmsin(ωgt+φg0)

(1)

uw=Uwmsin(ωwt+φw0)

(2)

则电压差为

us=Ugmsin(ωgt+φg0)-Uwmsin(ωwt+φw0)

(3)

图2 机组并网控制原理图

在满足并网前电压幅值相等的情况下，由式(3)可得

(4)

由式(4)可知，该电压信号是一个包络和频率分别为ωg-ωw及ωg+ωw的脉动信号，在满足并网前频率相等的情况下，可得

(5)

由式(5)可知，该电压差是一个频率为ωg的脉动信号，为使并网冲击电流对电网和发电机组的影响最小，需在us为零时进行ACB投切。即检测待并网机组与在网机组的电压差Ugm-Uwm、频率差ωg-ωw和相位差θg-θw，在完成电压闭锁、频率闭锁的情况下于零相位到来之前的适当时刻(导前合闸时间/合闸角)向待并网机组投切开关ACB发出合闸指令，使待并网机组平滑、快速、安全地并入电网，与在网机组一起给负载供电，这就是准同期并网原理。若不满足并网条件,则需向机组发幅值差、频率差和相位差二次调节指令，机组及时响应指令并作相应的调整，直到满足并网条件、闭合ACB开关为止，其实现方法如图2中的虚线框1所示。根据前文分析，文献[10]～文献[13]对并网原理采用图2中虚线框2中的幅值、相角和频率调节，只是调节的方式不同。通过分析相位调节与频率调节特征函数的一致性，得出将相位调节与频率调节协同的结论，以简化调节环节，即将图2中的虚线框3取代虚线框2。同时，考虑到功率转移过程中频率变化率与功率转移的一致性，将频率变化率引入到功率转移中，以加快功率转移和降低功率转移的振荡(如图2中的虚线框4所示)。由于电压幅值在并网过程中是相对稳定的，因此不予考虑。

2 柴油发电机组准同期并网控制策略

2.1 相位调节与频率调节的协同

(6)

根据式(6)及电压瞬时值交叉调角计算法[12]，结合相位调节环节(PI环节)，可得到图3所示的框图，其中:ω为电网频率;Δω为频率调节量。

图3 相角调节环节框图

由此可计算得到

(7)

式(7)中:k=UgUw,由交叉计算调角法[12]计算得到;θw和θg分别为待并网机组相位及在网机组相位。对图3进行等效变换可得到图4所示的频率调节环节框图，通过计算可得到式(8)。对比式(7)与式(8)，两者具有相同的特征方程，因此若选用合适的参数kpf和kif，则可达到一致的效果。

图4 频率调节环节框图

(8)

2.2 频率-有功功率下垂特性

为保证发电机组稳定运行，在并网过程中需利用发电机组调速器的频率与功率下垂的特性进行二次调节，以此维持机组频率f的稳定。二次调节指令分别通过调节原动机的转速使待并网发电机的转速接近在网发电机的转速(系统频率)，其本质是调节原动机油门的大小。根据文献[15]得到图5所示的功率均衡模型框图,其中:p为发电机组实时功率;pave为在网机组的平均承载功率;pulse为调功脉冲;u为调速器输入;δ为调差系数。

图5 功率均衡模型框图

2.3 频率变化率与功率转移的统一

并网时，刚并入的发电机组开始增加负荷、在网机组开始减少负荷的过程中，对应发电机组的频率发生变化。从负荷转移开始到完成负荷均衡的过程中，频率的变化率最初较快，随着负荷转移完成而趋于零，因此频率的变化率与发电机组功率的转移是一致的，可加速功率转移和减少功率振荡。图5所示的功率均衡模型框图可转换为图6的形式。

图6 转换后的功率均衡模型框图

3 仿真及结果分析

整个并网过程为：0 s发电机组启动;3 s将第1台发电机组接入电网，给2 MVA负载供电;10 s发起并网命令，允许发电机组并网运行，在自建MATLAB并网模块(paralleling模块)的参与下判断并网条件并发出合闸指令;随后进行功率转移，直至整个并网过程完成。仿真结果见图8～图12。

图7 并网MATLAB仿真模型

a) 在网发电机组A相电压

b) 待并网发电机组A相电压

c) 在网机组与待并网机组A相相位

d) 发电机组A相差频电压

e) 并网启动信号

f) 并网合闸信号

由图8可知，2台发电机组从0 s开始正常启动，A相电压为1 960 V，与计算值1 959 V相符合。2台发电机组的电压差调频波动(如图8d所示，其局部放大图见图9)，并网前其是一个随调速进行且频率变换的电压差调频信号，符合式(4);并网后变为一个幅值由初相位差决定的微弱频差信号，符合式(5)。第3 s时第1台发电机并入电网成为在网机组，其A相电压产生微小的电压波动(如图8a所示，其局部放大图见图10)，差频电压信号同样也有较大波动(如图8d中的3 s处所示)。

10 s后发起并网命令，在自建并网模块的判断下，第11.85 s时频差信号满足并网条件(如图8f所示)，发出合闸命令完成待并机组的并网，并网后差频电压为0 V。图11为图8中的在网机组与待并机组A相电压相位图(如图8c所示)在并网时刻的局部放大图，可明显看出并网前两机组频率随着调频调相的进行慢慢接近，并网后频率和相位一致。

图9 发电机组A相差频电压

图10 在网发电机组3 s时并网A相电压波动

图11 在网发电机组与待并网发电机组A相电压相位差

图12为发电机组与负荷的电流图，由于2台发电机组在前3 s都处于空载运行状态(尽管有1 W的空载负荷)，其电流及负荷电流均为0 A。第3 s由于第1台发电机接入电网，其电流峰值为680 A，符合计算值680 A，负荷电流也为680 A。在第11.85 s时并网模块发出合闸指令，第2台发电机(待并网电机)并入电网，在网发电机开始向刚并入电网的发电机转移负荷。从图12中可看出其在网机组的电流减小，待并机组(其实已是在网机组)电流增大，最终在第15 s时完成负荷转移，电流均为340 A。比较图12中的负荷电流与文献[16]中的图17可发现，该并网策略产生的并网电流谐波明显得到改善。

a) 在网机组电流

b) 待并网机组电流

c) 负荷电流

图13为发电机组有功功率图，由于2台发电机组前3 s都处于空载状态(尽管有1 W的空载负荷)，其输出有功功率均为0 W。第3 s由于第1台发电机接入电网，负荷全部由其承担，有功功率标幺值为0.64。在第11.85 s时并网模块发出合闸指令，第2台发电机开始向刚并入电网的发电机转移负荷。从图13中可看出在网机组承载负荷的功率减小，待并网机组承载负荷的功率增大，最终在第15 s时完成负荷转移，各自承担0.32，该并网策略产生的并网功率振荡小、时间快。

a) 在网机组有功功率

b) 待并网机组有功功率

图13 发电机组有功功率

4 结束语

通过深入研究船舶电网准同期并网，并在此基础上分析频率调节和相位调节的协同、频率变化率与功率转移的一致特性，提出并网改进策略，并从电站实际运行流程出发完成从发电机组空载启动到单机投切再到双机并网，完成功率分配的整个电力系统动态过程的仿真，以此验证改进策略的正确性。

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Quasi-Synchronous Connection Strategy and Dynamic Simulation of Diesel Generator Set

HUHongqian1,2，SHIWeifeng1，ZHANGWei1

(1. College of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China;2. Zhejiang Industry Polytechnic College, Shaoxing 312000, China)

1000-4653(2016)04-0029-05

U665.11

A

2016-06-15

高等学校博士学科点专项科研基金(20123121110003);上海海事大学研究生创新基金资助项目(2015ycx072)

胡红钱(1983—),男,浙江绍兴人,讲师,博士,研究方向为船舶电力系统控制与优化及故障诊断。 E-mail:hu_hongqian@126.com