本發明涉及一種船舶工程故障處理技術領域，特別涉及一種基于頻率檢測的電力推進系統快速減載量的整定方法。

背景技術：

與傳統的船舶動力系統相比，電力推進系統具有調速范圍廣、驅動力大、易于正反轉、體積小、布局靈活、安裝方便、便于維修、振動和噪音小等優點，逐漸成為船舶動力裝置的主要發展方向。與此同時，電力推進船舶的用電設備也隨之增加，功率也隨著增加，船舶電力推進系統及電網的管理也變得更加復雜。相對于陸地上的電力系統及電網來說，船舶電站(主要由發電機組及配電板組成)容量較小，電網輸電線較短，且海洋環境的相對惡劣、復雜、多變還使得電氣設備的損耗更大，此外，在一些情況下還需要船舶發電機組根據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相比陸地電力系統，更容易出現一些系統故障，不良的系統故障容易導致經濟收入損失甚至安全問題，因此在發生船舶電力推進系統故障時，例如發電機組跳閘，例如通過快速減載等方法來對船舶電力推進系統盡快實施保護和控制，以保證船舶的穩定運行，就顯得至關重要。

目前很多的電力推進系統減載策略存在以下缺陷：

1、通常是在發生故障后快速減掉負載，雖然能夠盡快實現對船舶電力推進系統的保護和控制，但是未考慮負載減掉之后對在網發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揮，進而影響船舶的經濟效益；

2、部分減載系統復雜，無法使減載系統得到充足的時間進行一個信息的反饋，數據傳輸的實時性比較差，對整個船舶系統的保護質量造成很大的影響。

技術實現要素：

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

為了實現上述發明目的，本發明通過以下技術方案實現的：

基于頻率檢測的電力推進系統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測所述電力推進系統的電網頻率，在所述電力推進系統發生故障后有至少一臺發電機組跳閘時，獲得所述電力推進系統的電網頻率變化量；

步驟2：定義在所述電力推進系統發生故障后的所述電力推進系統的瞬態階躍負載δptran(k,nf)：

式中，nf為跳閘的發電機組的數量；k為所述電力推進系統電網中的發電機組總量；pgi為發生故障前的發電機組的負載；

步驟3：根據所述瞬態階躍負載δptran計算每臺仍然工作的發電機組的階躍負載和瞬態負載，其中，所述瞬態階躍負載為：

所述瞬態負載為每臺所述仍然工作的發電機組的故障前負載與其瞬態階躍負載之和，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電機組的慣性時間常數，pr,gi發生故障后所述仍然工作的所承擔的負載，即功率輸出量；

步驟4：根據所述瞬態負載計算用于所述電力推進系統的理論減載量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電機組可接受的瞬態階躍負載，amax為所述仍然工作的發電機組的功率系數；

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

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

2)全瞬態階躍負載減載，即當發生所述故障時，需在最大安全時間內減掉故障后的所有階躍負載，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的電網頻率變化量，j為發電機組轉子轉動慣量，δptran(k,nf)為所述電力推進系統的瞬態階躍負載。

可選的，所述最大安全時間具有±10％的誤差量。

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

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

可選的，所述全瞬態階躍負載減載的情況下，減載后，每臺所述仍然工作的發電機組上的負載為：

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

可選的，每臺發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為發生故障后所述仍然工作的發電機組的所承擔的負載；為發生故障后所述仍然工作的發電機組可接受的最大瞬態階躍負載，δω0，gi為所述仍然工作的發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函數，優化步驟5中的實際減載量，以使所述仍然工作的發電機組達到最優階躍負載響應。

與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下有益效果：

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

附圖說明

圖1為本發明具體實施例的基于頻率檢測的快速減載系統的框圖；

圖2為本發明具體實施例的基于頻率檢測的電力推進系統的整定方法流程圖；

圖3為本發明具體實施例的最大安全時間與最大瞬態階躍負載的關系示意圖；

圖4為本發明具體實施例的快速減載的控制過程的簡易示意圖；

圖5為本發明具體實施例的不同的最大瞬態負載減載與安全時間效果圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

請參考圖1，本發明提供的基于頻率檢測的電力推進系統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(flr)來實現。所述基于頻率檢測的快速減載系統接入到船舶電力推進系統上，所述船舶電力推進系統包括船舶電網100(主要由多臺發電機組、配電板、變壓器等組成)、主要負載(未圖示)、次要負載104、連接在船舶電網100以及次要負載104之間的斷路器101以及推進器102，船舶電網100上的多臺發電機組同步運行，各臺發電機組承擔的負載可以相同(即平衡負載)，也可以不同(即不平衡負載)；所述基于頻率檢測的快速減載系統包括頻率觀察控制器201、軸動態監測模塊202、參考推力模塊203、負載率限制模塊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的船舶電網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，然后根據傅氏級數原理，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頻率的改變量，進而求得系統頻率，因此就能求得電網頻率差δωg。軸動態監測模塊202用于監測所述船舶電力推進系統的發電機組的軸動態，參考推力模塊203用于設置推進器102的參考推力，負載率限制模塊204用于設置所述船舶電力推進系統的最大負載量，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，能夠通過頻率觀察控制器201對船舶電網的頻率實時檢測，可以獲得當一臺發電機組發生故障或推進器102受到外界干擾qrp時而導致船舶電網100產生的頻率波動(即電網頻率差)δωg，并根據每臺發電機組的階躍負載量δpmax,p及電網頻率差δωg，在最大安全時間以內控制連接次要負載104的斷路器101的斷開，實現次要負載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功率過大而導致整個船舶電力推薦系統斷電，從而使保證推進器102正常工作。

請參考圖2，本發明的基于頻率檢測的電力推進系統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測所述電力推進系統的電網頻率，在所述電力推進系統發生故障后有至少一臺發電機組跳閘時，獲得所述電力推進系統的電網頻率變化量，即電網頻率差δωg。

步驟2：定義在所述電力推進系統發生故障后的瞬態階躍負載(即電力推進系統的瞬態負載變化量)δptran(k,nf)：

式中，nf為跳閘的發電機組的數量；k為所述電力推進系統電網中的發電機組總量(包括跳閘的發電機組在內)；pgi為發生故障前的每臺發電機組的負載，由于各個發電機組同步，因此發生故障前的每臺發電機組的負載；

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

首先，根據牛頓運動力學第二規律，將發電機組轉子作用在發電機組軸上的轉矩關系表述如下：

公式中：j為發電機組轉子轉動慣量，單位：kg·m²；ω為額定角速度，ω＝2πf,f為額定頻率；tau為轉矩，采用標幺值；

然后，在經典的同步發電機模型中，運用相關的近似原則，在標幺值下，當角速度ω接近為定值時，功率(即發電機組的負載量)pau在數值上等于轉矩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載之間的關系式：

式(4)所計算出的最大安全時間，可以根據柴油機的負載能力和動態特性、調速器和自動調壓器配置、主開關延時設定以及關鍵設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示出了本發明具體實施例的最大安全時間與最大瞬態負載的關系示意圖，圖3中以實線tsl為分界線，在實線tsl左邊為發電機組可承受的最大安全瞬態負載量，實線tsl右邊為可能引起失電危險的瞬態負載量。

步驟3：根據所述瞬態階躍負載δptran計算每臺仍然工作的發電機組的階躍負載和瞬態負載，計算時考慮發生故障后仍然工作的發電機組(即仍在網的發電機組)承擔平衡負載以及不平衡負載的情況，均可以由下面的公式計算每臺仍然工作的發電機組的瞬態階躍負載：

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

pr,gi發生故障后仍然工作的所承擔的負載，即功率輸出量。

定義每臺仍然工作的發電機組的故障前負載與瞬態階躍負載之和為每臺仍然工作的發電機組的瞬態負載：

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

步驟4：根據所述瞬態負載計算快速減載系統(flr)用于所述電力推進系統的理論減載量δpflr,gi，理論減載量現定義如下：

式中，瞬態負載ptran(k,nf)取決于電網上發電機組總量k和跳閘發電機組的數量nf；δpgi為仍然工作的發電機組可接受的瞬態階躍負載，amax為仍然工作的發電機組的功率系數；

步驟5：根據所述電力推進系統電網上仍然工作的所有發電機組的能力以及所述理論減載量整定出實際減載量，即減載負荷數量篩選，具體如下：

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

式中，為仍然工作的發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)過量瞬態階躍負載減載情況，這種情況下，在故障發生前，發電機組的負載量未達到設置的可接受的最大瞬態階躍負載，當故障發生后，仍然工作的所有發電機組承擔了電網上的部分突變負載(即部分階躍負載))，而達到可接受的最大瞬態階躍負載，超過最大瞬態階躍負載的過量負載必須通過快速減載系統減掉，此時和因此得到以下公式：

為仍然工作的發電機組延時的最大頻率降，為仍然工作的發電機組可接受的最大瞬態階躍負載；

通常根據發電機組的特性有如下限制：

其中，δω0，gi為所述發電機組的額定頻率降差

當利用式(4)以及發電機組最大階躍負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必須設置高于或等于快速減載所需要的時間tflr，即tsl≥tflr。當tsl＝tflr，式(11)可改寫為：

即得出了過量瞬態階躍負載減載情況下減載后的每臺仍然工作的發電機組上的負載ptran，gi。

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

δpflr,gi＝δptran,gi(k,nf)

全瞬態階躍負載情況下的減載所需時間計算如下：

當tsl＝tflr時，上式可改寫為：

即得出了全瞬態階躍負載情況下減載后的每臺仍然工作的發電機組上的負載ptran，gi。

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

步驟6：可以進一步優化瞬態階躍負載減載量；為了找到發電機組最優階躍響應，將目標函數設定如下：

結合步驟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函數，可以充分保證減載的安全性。

請參考圖4，本發明的基于頻率檢測的電力推進系統的整定方法，應用于船舶電力推進系統的快速減載時，在故障發生前，各臺(兩臺)發電機組的負載量小于最大允許負載量，在故障發生后，船舶電力推進系統的一臺發電機組跳閘后，快速減載系統在0.1s的時間內判斷出在網發電機組處于過載情況，先將階躍負載分配至在網發電機組(即仍然工作的發電機組)，發現仍然過載，在0.2s后啟動備用機組，并再次進行階躍負載的分配，經過60s所有在網發電機組(圖2中為三臺發電機組)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，圖示了本發明具體實施例中不同的最大瞬態負載減載與安全時間效果圖，圖中分別顯示了高瞬態負載與低瞬態負載情況下的優化后的合適減載量與最大安全時間之間的關系，由此使得發電機組能夠進行最優階躍響應，達到最佳工作狀態，同時充分保證減載的安全性。

以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。