基于全软件控制方式的船舶岸电系统船侧逆功率防护技术研究

徐鲲鹏，卜佩征，赵羡龙，李晓光，周诚根

（1.北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200；2.国网浙江省电力公司，浙江杭州 310007）

基于全软件控制方式的船舶岸电系统船侧逆功率防护技术研究

徐鲲鹏1，卜佩征2，赵羡龙1，李晓光1，周诚根1

（1.北京智芯微电子科技有限公司，北京 102200；2.国网浙江省电力公司，浙江杭州 310007）

随着船舶大型化、多功能化和节能化的发展，对船舶电力系统的要求越来越高。连船并网及船舶解列过程中可能会出现发电机频率及幅值调节不准确的情况，导致逆功率的产生。文中采用全软件方式的智能化逆功率控制方案，能够有效抑制逆功率的产生，提高了整个系统的可靠性，使系统在并脱网及负荷转移过程中可实现能量的双向传递，抑制切换过程中的电流和电压冲击，令船舶供电过程实现无缝平滑的切换。

船舶岸电；全软件控制；智能化；逆功率

装有特殊设备的船舶在停泊期间，其接入到岸地的电源时，从其中获得其水泵、照明、通风和其他需求的电力供应。此时，船舶关闭自身的柴油发电机，不仅可以消除自身机组运行带来的噪声，也能在一定程度上减少废气的排放[1-4]。

港口船舶岸基电源不同于传统的船厂岸基电源，两者之间存在共性，也存在较大差异。尤其是港口岸基电源在使用过程中，存在与船舶柴油发电机并网及负载转移的过程，因为船舶在靠港使用岸电时不能够将船上负载停机再启动。有的文献在并网及负载转移过程中采用岸基电源主动并网，变频装置根据船舶发电机所发电的特性调整变频的输出与其对应，锁频锁相之后进行并网，并主动进行负载转移，此方案对变频电源侧有好处，且不会存在逆功率的问题，目前实现比较困难且不实用，因为如果变频电源主动并网及负载转移，其必须知道发电机所发电的各种参数，包括输出频率、相位、幅值、电流等，要想知道这些参数，必然要对船侧进行整改，整改完成后不具备通用性的原则，变频电源也无法实现通用[5-7]。有的文献采用将变频电源作为稳定电源的输出方，由船舶发电机进行主动并网，其检测变频电源的输出特性，来调整发电机的输出特性，与变频电源进行匹配，各并网要素完全满足后主动并网及负载转移，负载转移完成后自动切断输出侧，此时船舶负载的供电完全转移至变频电源侧[8-9]。

如果发电机没有发出有功功率而从电网中吸收有功功率，这种现象被称作发电机的逆功率运行状态。如果这种情况发生了，是需要将处于逆功率运行状态的发电机切除。目前船岸并网瞬间由于2个电源并网瞬间相位、幅值的差异会导致逆功率的产生，虽然时间很短，但是如果不作处理，必然会引起变频电源报故障停机，岸电并网的逆功率产生不同于提升类负载下放时的逆功率，岸电逆功率由于并网产生，提升类负载的逆功率是工艺运行导致的能量流向问题，所以两者的处理思路完全不一样。针对岸电逆功率目前有这个几种方案：一种是采用四象限变频，在产生逆功率时将能量回馈至电网，但是这种方案成本高、控制复杂、可靠性低于两象限变频；第二种是加制动电阻方案，此方案成本低于四象限，但是可靠性差，因为每个功率单元均需要增加制动单元及制动电阻，而且制动电阻如果没有完善的保护，其容易烧毁，扩大故障面[10-12]；第三种方案就是智能化逆功率控制方案，本文在其基础上采用全软件控制方式，能够防止逆功率的产生，可靠性高、成本低，具有一定的工程应用价值。

1 全软件控制方式的算法分析

全软件控制需要硬件的支持，在本文中变频将采集岸电系统输出侧的电压，如图1所示，采集点有2个：一个是隔离变的输出侧，一个是变频的输出侧。2个点的测量数据同时反馈至主控系统进行测算，岸电的逆功率控制基于2点：输出侧功率的流向和功率单元的母线电压。通过快速的微调输出电压的相位及幅值将逆功率控制住，保证变频电源的有功输出为正，同时变频电源并网期间具有一定柔性，不会因为逆功率的控制使得负载转移无法进行。

基于全软件的控制方法需要在软件算法中考虑对逆功率进行控制和保护。采用基于工频构成的船舶同步发电机保护，实现对采样值进行滤波，提取出工频基波分量，进行故障判别，从而实现对船舶岸电系统船侧逆功率防护。滤波算法的速度和精度会直接影响到保护装置的快速性和可靠性。

1.1 全波傅氏算法分析

如果要对直流和各整次谐波的滤波效果有较好的要求，全波傅氏算法是一个合适的选择。全波傅氏算法对非整次谐波的衰减直流分量频率小于50 Hz低频分量和抑制效果不佳，但是可以完全滤除直流和各整次谐波分量。本文在全波傅氏算法之前增加一个差分环节构成全波差分傅氏算法，从而消除衰减直流分量的影响。

图1 岸电逆功率模拟平台Fig.1 Shore power inverse power simulation platform

图2所示的是全波差分傅氏算法的频率响应和时间响应曲线。全波差分傅氏算法对非整次谐波抑制效果略差，特别是对某些谐波有一定的放大作用，而对小于50 Hz的低频分量抑制效果较好，如图2（a）所示。在完全利用故障后采样值进行滤波时，该算法的时间响应比较稳定，如图2（b）所示。

全波差分傅氏算法和全波傅氏算法误差特性比较如图3和图4所示。在图3和图4中，曲线1和曲线2分别表示的是全波傅氏算法和全波差分傅氏算法。通过上述的两张图不难看出，加入差分滤波后，极大地提高了算法的精度。在波形仿真数据中，基波分量的误差最大值为2.1%，当衰减直流分量较大时，算法精度更高。

图2 全波差分傅里叶算法频率响应和时间响应Fig.2 Full wave difference fourier algorithm for frequency response and time response

图3 全波傅里叶与全波差分傅里叶算法随相位误差对比Fig.3 Comparison of full wave fourier and full wave difference Fourier algorithm with phase error

图4 全波傅里叶与全波差分傅里叶算法随时间常数误差对比Fig.4 Comparison of full wave fourier and full wave difference fourier algorithm with time constant error

全波差分傅氏递推形式计算公式如下：

在较高的采样率下，才能够保证数据正常状况下的精确计算和故障全过程的准确计算，因此本文设计中保护采样率为每周期36点。实时计算跟踪通过所有独立功能单元的数据运算来得到保证。同时，在保护装置的出口均经启动元件闭锁，只有在保护启动元件启动后，保护装置出口闭锁才被解除。这样做的目的是为了提高保护的可靠性。

1.2 主循环程序设计

主循环程序流程如图5所示。主程序和中断服务程序组成了整个程序系统。其中，主程序是由初始化模块、保护逻辑判断模块和保护跳闸处理模块组成的。一般来说故障处理模块又是由保护逻辑判断和跳闸处理组成。中断服务程序的主要部分为定时采样中断服务程序。在本文中，定时器中断、采样中断和测频率中断组成采样中断服务程序。

图5 主循环程序流程图Fig.5 Flow chart of the main cycle

2 实验测试

在连船并网及船解列过程中可能会出现发电机频率及幅值调节不准确的情况，导致逆功率的产生，基于本文算法设计的智能逆功率控制技术，能够有效抑制逆功率的产生，提高整个系统的可靠性。在宁波港岸电连船并网实验中，有3次产生逆功率的情况，全部被逆功率控制技术消除。系统日志记录，现场波形记录如图6所示。

图6 逆功率控制HMI记录Fig.6 HMI record of the reverse power control

逆功率产生时和稳态时候的波形如图7和图8所示。

图7 并网逆功率电流和电压波形对比Fig.7 Comparison of the grid-connected inverse power current and voltage waveform

图8 稳态运行隔离变U相，W相输出电压和变频电源U相、W相输出电流波形Fig.8 Waveform of the output voltage of Phase U and Phase W of the isolated substation under the steady state operation,and waveform of the output current of Phase U and Phase W of the frequency conversion power supply

现场采样的是隔离变输出电压的采样和变频电源两相输出电流，将变频电源输出电流等效到隔离变的输出侧，W相产生逆功率。

3 结语

在连船并网及船舶解列过程中可能会出现发电机频率及幅值调节不准确的情况，导致逆功率的产生。本文采用全软件方式的智能化逆功率控制方案，能够有效抑制逆功率的产生，全波差分傅氏算法保证了数据在正常状况下的精确计算和故障全过程的准确计算，提高了整个系统的可靠性，使系统在并脱网及负荷转移过程中可实现能量的双向传递，抑制切换过程中的电流和电压冲击，令船舶供电过程实现无缝平滑的切换。在宁波港的试验结果表明，该设计完全达到预计要求运行稳定。该装置在船舶同步发电机保护中具有良好的运用前景。

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Research on the Ship-Side Reverse Power Protection Technology of the Ship Shore Power System Based on Full Software Control

XU Kunpeng1,BU Peizheng2,ZHAO Xianlong1,LI Xiaoguang1,ZHOU Chenggen1
（1.Beijing Smartchip Microelectronics Technology Company Limited,Beijing 102200,China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Company,Hangzhou 310007,Zhejiang,China）

As ships are getting larger in size and equipped with more multiple functions and energy-saving facilities,the requirements of the ship power system are higher.In the process of connecting ships with the power grid and ship routing,possible inaccurate adjustment of the power generator's frequency and amplitude leads to generation of the inverse power.This paper adopts a full-software intelligent scheme to control the reverse power,which can effectively suppress the reverse power and improve the reliability of the whole system so that the system can realize the two-way transfer of energy in the offgrid and load transfer process.The current and voltage surge are suppressed and thus the power supply of ships can be switched smoothly and seamlessly.

ship shore power;full software control;intelligent;reverse power

1674-3814（2017）07-0035-04

TM61

A

国家电网公司科技项目资助（5211011400AZ）。

Project Supported by the Science and Technology Program of SGCC（5211011400AZ）.

2017-01-25。

徐鲲鹏（1978—），男，硕士，中级工程师，主要从事电力系统自动化、电力系统信息化、智能电网方面研究与实践工作；

卜佩征（1963—），女，本科，高级工程师，主要从事电气工程、电力系统自动化、电能替代等方面的工作。

（编辑 张晓娟）