本發(fā)明涉及一種船舶工程故障處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)快速減載量的整定方法。

背景技術(shù)：

與傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)相比，電力推進系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動力大、易于正反轉(zhuǎn)、體積小、布局靈活、安裝方便、便于維修、振動和噪音小等優(yōu)點，逐漸成為船舶動力裝置的主要發(fā)展方向。與此同時，電力推進船舶的用電設(shè)備也隨之增加，功率也隨著增加，船舶電力推進系統(tǒng)及電網(wǎng)的管理也變得更加復(fù)雜。相對于陸地上的電力系統(tǒng)及電網(wǎng)來說，船舶電站(主要由發(fā)電機組及配電板組成)容量較小，電網(wǎng)輸電線較短，且海洋環(huán)境的相對惡劣、復(fù)雜、多變還使得電氣設(shè)備的損耗更大，此外，在一些情況下還需要船舶發(fā)電機組根據(jù)多種不同的運行工況提供不同的輸出功率，由此使得船舶電力推進系統(tǒng)相比陸地電力系統(tǒng)，更容易出現(xiàn)一些系統(tǒng)故障，不良的系統(tǒng)故障容易導(dǎo)致經(jīng)濟收入損失甚至安全問題，因此在發(fā)生船舶電力推進系統(tǒng)故障時，例如發(fā)電機組跳閘，例如通過快速減載等方法來對船舶電力推進系統(tǒng)盡快實施保護和控制，以保證船舶的穩(wěn)定運行，就顯得至關(guān)重要。

目前很多的電力推進系統(tǒng)減載策略存在以下缺陷：

1、通常是在發(fā)生故障后快速減掉負(fù)載，雖然能夠盡快實現(xiàn)對船舶電力推進系統(tǒng)的保護和控制，但是未考慮負(fù)載減掉之后對在網(wǎng)發(fā)電機組的工作效率的不利影響，不能使船舶的性能得到最大程度的發(fā)揮，進而影響船舶的經(jīng)濟效益；

2、部分減載系統(tǒng)復(fù)雜，無法使減載系統(tǒng)得到充足的時間進行一個信息的反饋，數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性比較差，對整個船舶系統(tǒng)的保護質(zhì)量造成很大的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)快速減載量的整定方法，能有效地解決發(fā)生故障后的減載量與仍然工作的發(fā)電機組工作效率之間的矛盾，保障船舶運行的安全性與經(jīng)濟性。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)快速減載量的整定方法，包括以下步驟：

步驟1：通過頻率觀察控制器實時監(jiān)測所述電力推進系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率，在所述電力推進系統(tǒng)發(fā)生故障后有至少一臺發(fā)電機組跳閘時，獲得所述電力推進系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率變化量；

步驟2：定義在所述電力推進系統(tǒng)發(fā)生故障后的所述電力推進系統(tǒng)的瞬態(tài)階躍負(fù)載δptran(k,nf)：

式中，nf為跳閘的發(fā)電機組的數(shù)量；k為所述電力推進系統(tǒng)電網(wǎng)中的發(fā)電機組總量；pgi為發(fā)生故障前的發(fā)電機組的負(fù)載；

步驟3：根據(jù)所述瞬態(tài)階躍負(fù)載δptran計算每臺仍然工作的發(fā)電機組的階躍負(fù)載和瞬態(tài)負(fù)載，其中，所述瞬態(tài)階躍負(fù)載為：

所述瞬態(tài)負(fù)載為每臺所述仍然工作的發(fā)電機組的故障前負(fù)載與其瞬態(tài)階躍負(fù)載之和，即：ptran,gi(k,nf)＝pgi+δptran,gi(k,nf)；

上式中，hi為每臺所述仍然工作的發(fā)電機組的慣性時間常數(shù)，pr,gi發(fā)生故障后所述仍然工作的所承擔(dān)的負(fù)載，即功率輸出量；

步驟4：根據(jù)所述瞬態(tài)負(fù)載計算用于所述電力推進系統(tǒng)的理論減載量δpflr,gi：

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

式中，δpgi為所述仍然工作的發(fā)電機組可接受的瞬態(tài)階躍負(fù)載，amax為所述仍然工作的發(fā)電機組的功率系數(shù)；

步驟5：根據(jù)所述電力推進系統(tǒng)電網(wǎng)上仍然工作的所有發(fā)電機組的能力以及所述理論減載量整定出實際減載量；

1)過量瞬態(tài)階躍負(fù)載減載，即當(dāng)發(fā)生所述故障時，需在最大安全時間內(nèi)減掉超出仍然工作的所有發(fā)電機組能夠承擔(dān)的負(fù)載量以外的量，即實際減載量其中，為仍然工作的發(fā)電機組可接受的最大瞬態(tài)階躍負(fù)載，所述最大安全時間取決于步驟1中的電網(wǎng)頻率變化量；

2)全瞬態(tài)階躍負(fù)載減載，即當(dāng)發(fā)生所述故障時，需在最大安全時間內(nèi)減掉故障后的所有階躍負(fù)載，即實際減載量δpflr,gi＝δptran,gi(k,nf)。

可選的，所述最大安全時間其中，δω為所述電力推進系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率變化量，j為發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，δptran(k,nf)為所述電力推進系統(tǒng)的瞬態(tài)階躍負(fù)載。

可選的，所述最大安全時間具有±10％的誤差量。

可選的，所述過量瞬態(tài)階躍負(fù)載減載的情況下，減載后，每臺所述仍然工作的發(fā)電機組上的負(fù)載為：

其中，為所述仍然工作的發(fā)電機組允許的最大頻率差，為所述仍然工作的發(fā)電機組延時的最大頻率降,j為所述仍然工作的發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，pgi為發(fā)生故障前的所述仍然工作的發(fā)電機組的負(fù)載，pr,gi為發(fā)生故障后所述仍然工作的發(fā)電機組的所承擔(dān)的負(fù)載；amax為所述仍然工作的發(fā)電機組的功率系數(shù)，tflr,i為減載時間，小于等于最大安全時間。

可選的，所述全瞬態(tài)階躍負(fù)載減載的情況下，減載后，每臺所述仍然工作的發(fā)電機組上的負(fù)載為：

其中，為所述仍然工作的發(fā)電機組允許的最大頻率差，j為所述仍然工作的發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，pgi為發(fā)生故障前的所述仍然工作的發(fā)電機組的負(fù)載，tflr,i為減載時間，小于等于最大安全時間。

可選的，每臺發(fā)電機組的特性有如下限制：

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

其中，pr,gi為發(fā)生故障后所述仍然工作的發(fā)電機組的所承擔(dān)的負(fù)載；為發(fā)生故障后所述仍然工作的發(fā)電機組可接受的最大瞬態(tài)階躍負(fù)載，δω0，gi為所述仍然工作的發(fā)電機組的額定頻率降差。

可選的，所述的整定方法，還包括步驟6：取最大安全時間為目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化步驟5中的實際減載量，以使所述仍然工作的發(fā)電機組達到最優(yōu)階躍負(fù)載響應(yīng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

本發(fā)明的基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)快速減載量的整定方法，在船舶電力推進系統(tǒng)任意發(fā)電機組發(fā)生跳閘時，能夠計算出發(fā)生跳閘后加載在仍然工作的發(fā)電機組(即當(dāng)前在網(wǎng)機組)上的階躍負(fù)載及瞬態(tài)負(fù)載，然后根據(jù)不同的瞬態(tài)階躍負(fù)載，快速整定出過量瞬態(tài)階躍負(fù)載減載和全瞬態(tài)階躍負(fù)載減載兩種情況下需要的實際減載量，即保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，起到防失電效果，又使仍然工作的發(fā)電機組工作在靠近額定功率的工作區(qū)域，提高經(jīng)濟效益。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施例的基于頻率檢測的快速減載系統(tǒng)的框圖；

圖2為本發(fā)明具體實施例的基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)的整定方法流程圖；

圖3為本發(fā)明具體實施例的最大安全時間與最大瞬態(tài)階躍負(fù)載的關(guān)系示意圖；

圖4為本發(fā)明具體實施例的快速減載的控制過程的簡易示意圖；

圖5為本發(fā)明具體實施例的不同的最大瞬態(tài)負(fù)載減載與安全時間效果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

請參考圖1，本發(fā)明提供的基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)快速減載量的整定方法，借助一基于頻率檢測的快速減載系統(tǒng)(flr)來實現(xiàn)。所述基于頻率檢測的快速減載系統(tǒng)接入到船舶電力推進系統(tǒng)上，所述船舶電力推進系統(tǒng)包括船舶電網(wǎng)100(主要由多臺發(fā)電機組、配電板、變壓器等組成)、主要負(fù)載(未圖示)、次要負(fù)載104、連接在船舶電網(wǎng)100以及次要負(fù)載104之間的斷路器101以及推進器102，船舶電網(wǎng)100上的多臺發(fā)電機組同步運行，各臺發(fā)電機組承擔(dān)的負(fù)載可以相同(即平衡負(fù)載)，也可以不同(即不平衡負(fù)載)；所述基于頻率檢測的快速減載系統(tǒng)包括頻率觀察控制器201、軸動態(tài)監(jiān)測模塊202、參考推力模塊203、負(fù)載率限制模塊204、pi推力控制模塊205以及扭矩限制206，其中，頻率觀察控制器201用于對所述船舶電力推進系統(tǒng)的船舶電網(wǎng)100的頻率進行實時檢測，檢測原理是：將被采樣模擬信號視為一個時間函數(shù)，然后根據(jù)傅氏級數(shù)原理，可求出各次諧波的幅值與初相角，再利用前后兩次求出的初相角，即可求出在一個測量周期內(nèi)頻率的改變量，進而求得系統(tǒng)頻率，因此就能求得電網(wǎng)頻率差δωg。軸動態(tài)監(jiān)測模塊202用于監(jiān)測所述船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)電機組的軸動態(tài)，參考推力模塊203用于設(shè)置推進器102的參考推力，負(fù)載率限制模塊204用于設(shè)置所述船舶電力推進系統(tǒng)的最大負(fù)載量，pi推力控制模塊205用于控制推進器102的實際輸出，扭矩限制206用于控制推進器102的功率輸出。所述基于頻率檢測的快速減載系統(tǒng)，能夠通過頻率觀察控制器201對船舶電網(wǎng)的頻率實時檢測，可以獲得當(dāng)一臺發(fā)電機組發(fā)生故障或推進器102受到外界干擾qrp時而導(dǎo)致船舶電網(wǎng)100產(chǎn)生的頻率波動(即電網(wǎng)頻率差)δωg，并根據(jù)每臺發(fā)電機組的階躍負(fù)載量δpmax,p及電網(wǎng)頻率差δωg，在最大安全時間以內(nèi)控制連接次要負(fù)載104的斷路器101的斷開，實現(xiàn)次要負(fù)載104的快速切削，同時通過扭矩限制模塊206控制推進器102功率qtp的輸出，防止推進器102功率過大而導(dǎo)致整個船舶電力推薦系統(tǒng)斷電，從而使保證推進器102正常工作。

請參考圖2，本發(fā)明的基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)快速減載量的整定方法，包括以下步驟：

步驟1：通過頻率觀察控制器實時監(jiān)測所述電力推進系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率，在所述電力推進系統(tǒng)發(fā)生故障后有至少一臺發(fā)電機組跳閘時，獲得所述電力推進系統(tǒng)的電網(wǎng)頻率變化量，即電網(wǎng)頻率差δωg。

步驟2：定義在所述電力推進系統(tǒng)發(fā)生故障后的瞬態(tài)階躍負(fù)載(即電力推進系統(tǒng)的瞬態(tài)負(fù)載變化量)δptran(k,nf)：

式中，nf為跳閘的發(fā)電機組的數(shù)量；k為所述電力推進系統(tǒng)電網(wǎng)中的發(fā)電機組總量(包括跳閘的發(fā)電機組在內(nèi))；pgi為發(fā)生故障前的每臺發(fā)電機組的負(fù)載，由于各個發(fā)電機組同步，因此發(fā)生故障前的每臺發(fā)電機組的負(fù)載；

本步驟中還可以得出最大安全時間與最大階躍負(fù)載之間的關(guān)系，其中，將一臺發(fā)電機發(fā)生跳閘引起在網(wǎng)機組頻率下降達到下限之前的時間定義為最大安全時間，即電網(wǎng)頻率下降到船級社規(guī)定允許最低頻率的時間，具體過程如下：

首先，根據(jù)牛頓運動力學(xué)第二規(guī)律，將發(fā)電機組轉(zhuǎn)子作用在發(fā)電機組軸上的轉(zhuǎn)矩關(guān)系表述如下：

公式中：j為發(fā)電機組轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，單位：kg·m²；ω為額定角速度，ω＝2πf,f為額定頻率；tau為轉(zhuǎn)矩，采用標(biāo)幺值；

然后，在經(jīng)典的同步發(fā)電機模型中，運用相關(guān)的近似原則，在標(biāo)幺值下，當(dāng)角速度ω接近為定值時，功率(即發(fā)電機組的負(fù)載量)pau在數(shù)值上等于轉(zhuǎn)矩tau，將上式改為如下形式:

之后，由式(1)至式(3)得到最大安全時間與最大階躍負(fù)載之間的關(guān)系式：

式(4)所計算出的最大安全時間，可以根據(jù)柴油機的負(fù)載能力和動態(tài)特性、調(diào)速器和自動調(diào)壓器配置、主開關(guān)延時設(shè)定以及關(guān)鍵設(shè)備的功率穿越的冗余功能各種不同的情況，允許有±10％的誤差量。請參考圖3，圖3示出了本發(fā)明具體實施例的最大安全時間與最大瞬態(tài)負(fù)載的關(guān)系示意圖，圖3中以實線tsl為分界線，在實線tsl左邊為發(fā)電機組可承受的最大安全瞬態(tài)負(fù)載量，實線tsl右邊為可能引起失電危險的瞬態(tài)負(fù)載量。

步驟3：根據(jù)所述瞬態(tài)階躍負(fù)載δptran計算每臺仍然工作的發(fā)電機組的階躍負(fù)載和瞬態(tài)負(fù)載，計算時考慮發(fā)生故障后仍然工作的發(fā)電機組(即仍在網(wǎng)的發(fā)電機組)承擔(dān)平衡負(fù)載以及不平衡負(fù)載的情況，均可以由下面的公式計算每臺仍然工作的發(fā)電機組的瞬態(tài)階躍負(fù)載：

式中，hi為各臺仍然工作的發(fā)電機組的慣性時間常數(shù)，慣性時間hi的增加將提高由于突加負(fù)載引起的發(fā)電機組地坪跳閘和失電的阻力，直接造成瞬態(tài)恢復(fù)時間也將延長。

pr,gi發(fā)生故障后仍然工作的所承擔(dān)的負(fù)載，即功率輸出量。

定義每臺仍然工作的發(fā)電機組的故障前負(fù)載與瞬態(tài)階躍負(fù)載之和為每臺仍然工作的發(fā)電機組的瞬態(tài)負(fù)載：

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

步驟4：根據(jù)所述瞬態(tài)負(fù)載計算快速減載系統(tǒng)(flr)用于所述電力推進系統(tǒng)的理論減載量δpflr,gi，理論減載量現(xiàn)定義如下：

式中，瞬態(tài)負(fù)載ptran(k,nf)取決于電網(wǎng)上發(fā)電機組總量k和跳閘發(fā)電機組的數(shù)量nf；δpgi為仍然工作的發(fā)電機組可接受的瞬態(tài)階躍負(fù)載，amax為仍然工作的發(fā)電機組的功率系數(shù)；

步驟5：根據(jù)所述電力推進系統(tǒng)電網(wǎng)上仍然工作的所有發(fā)電機組的能力以及所述理論減載量整定出實際減載量，即減載負(fù)荷數(shù)量篩選，具體如下：

5.1)定義仍然工作的發(fā)電機組延時的頻率降為δωen,gi(δpgi)，則快速減載系統(tǒng)(flr)為仍然工作的發(fā)電機組實現(xiàn)的頻率降為：

式中，為仍然工作的發(fā)電機組延時的最大頻率降。

指定兩種情況下的實際減載量

5.2)過量瞬態(tài)階躍負(fù)載減載情況，這種情況下，在故障發(fā)生前，發(fā)電機組的負(fù)載量未達到設(shè)置的可接受的最大瞬態(tài)階躍負(fù)載，當(dāng)故障發(fā)生后，仍然工作的所有發(fā)電機組承擔(dān)了電網(wǎng)上的部分突變負(fù)載(即部分階躍負(fù)載))，而達到可接受的最大瞬態(tài)階躍負(fù)載，超過最大瞬態(tài)階躍負(fù)載的過量負(fù)載必須通過快速減載系統(tǒng)減掉，此時和因此得到以下公式：

為仍然工作的發(fā)電機組延時的最大頻率降，為仍然工作的發(fā)電機組可接受的最大瞬態(tài)階躍負(fù)載；

通常根據(jù)發(fā)電機組的特性有如下限制：

其中，δω0，gi為所述發(fā)電機組的額定頻率降差

當(dāng)利用式(4)以及發(fā)電機組最大階躍負(fù)載能力進行減載時間計算時，可得出如下公式：

由于最大安全時間(即達到頻率下限時間)tsl必須設(shè)置高于或等于快速減載所需要的時間tflr，即tsl≥tflr。當(dāng)tsl＝tflr，式(11)可改寫為：

即得出了過量瞬態(tài)階躍負(fù)載減載情況下減載后的每臺仍然工作的發(fā)電機組上的負(fù)載ptran，gi。

2)全瞬態(tài)階躍負(fù)載減載情況，這種情況下，在故障發(fā)生前，發(fā)電機組的負(fù)載量已達到設(shè)置的可接受的最大瞬態(tài)階躍負(fù)載，當(dāng)故障發(fā)生時，仍然工作的發(fā)電機組不能承擔(dān)故障后突變的負(fù)載(即階躍負(fù)載)，必須使這些發(fā)電機組在故障前和故障后的負(fù)載相等，即要求減掉故障后的所有階躍負(fù)載，使得在故障清除后，這些發(fā)電機組能夠慢慢加載到最大允許負(fù)載。當(dāng)要求減掉故障后的所有階躍負(fù)載時，δp＝0，δωen,gi(δpgi＝0)＝0，由此可得出以下公式：

δpflr,gi＝δptran,gi(k,nf)

全瞬態(tài)階躍負(fù)載情況下的減載所需時間計算如下：

當(dāng)tsl＝tflr時，上式可改寫為：

即得出了全瞬態(tài)階躍負(fù)載情況下減載后的每臺仍然工作的發(fā)電機組上的負(fù)載ptran，gi。

可見，對于實際減載量的整定方法，已考慮發(fā)電機組的負(fù)載能力和動態(tài)特性不同的情況，也從最大安全時間上考慮了發(fā)電機組的調(diào)速器和自動電壓調(diào)節(jié)器(avr)配置和設(shè)定不同的情況、發(fā)電機和主開關(guān)的延時設(shè)定不同的情況以及關(guān)鍵設(shè)備的功率穿越的冗余功能不同的情況，最終得出的減載量，使得仍然工作的發(fā)電機組工作在靠近額定功率的工作區(qū)域，在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及防失電效果的同時，又能使仍然工作的發(fā)電機組工作在靠近額定功率的工作區(qū)域，提高經(jīng)濟效益。

步驟6：可以進一步優(yōu)化瞬態(tài)階躍負(fù)載減載量；為了找到發(fā)電機組最優(yōu)階躍響應(yīng)，將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定如下：

結(jié)合步驟5中的兩種不同減載量的整定方法，取最大安全時間為目標(biāo)函數(shù)，可以充分保證減載的安全性。

請參考圖4，本發(fā)明的基于頻率檢測的電力推進系統(tǒng)的整定方法，應(yīng)用于船舶電力推進系統(tǒng)的快速減載時，在故障發(fā)生前，各臺(兩臺)發(fā)電機組的負(fù)載量小于最大允許負(fù)載量，在故障發(fā)生后，船舶電力推進系統(tǒng)的一臺發(fā)電機組跳閘后，快速減載系統(tǒng)在0.1s的時間內(nèi)判斷出在網(wǎng)發(fā)電機組處于過載情況，先將階躍負(fù)載分配至在網(wǎng)發(fā)電機組(即仍然工作的發(fā)電機組)，發(fā)現(xiàn)仍然過載，在0.2s后啟動備用機組，并再次進行階躍負(fù)載的分配，經(jīng)過60s所有在網(wǎng)發(fā)電機組(圖2中為三臺發(fā)電機組)分配正常，可以是對階躍總量的平衡分配，也可以是對階躍總量的不平衡分配。

請參考圖5，圖示了本發(fā)明具體實施例中不同的最大瞬態(tài)負(fù)載減載與安全時間效果圖，圖中分別顯示了高瞬態(tài)負(fù)載與低瞬態(tài)負(fù)載情況下的優(yōu)化后的合適減載量與最大安全時間之間的關(guān)系，由此使得發(fā)電機組能夠進行最優(yōu)階躍響應(yīng)，達到最佳工作狀態(tài)，同時充分保證減載的安全性。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。