一种基于直流电站的变速发电技术研究

邹 宁，龚 博，潘修颖

(1．大连测控技术研究所，辽宁大连 116013，2．武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

0 引言

直流电站电力推进系统是一种综合电力推进系统[1]，而变速发电技术是直流电站电力推进系统的关键技术之一。与定速发电不同的是，变速发电技术通过调速器及调压器的配合，根据机组的负荷率改变机组的转速，使机组工作在最佳燃油消耗率，从而降低油耗，减少排放[2,3]。

本文分析了变速发电系统的组成配置，对变速发电控制系统的控制策略进行分析论证，并通过仿真验证了提出的控制策略的可行性。

1 变速发电系统组成

变速发电需要协调在网机组，使其总的燃油消耗最低。通过调节发电机的端电压来实现各个机组功率的平衡与分配，待各机组负荷稳定后，根据油耗-负载-转速关系曲面，确定在该负荷下，机组最低油耗时对应的转速，通过调节柴油机的转速，使整个电站工作在低油耗[4,5]。

变速发电系统由柴油机组和控制系统组成，如图1所示。柴油机组采用可调速高转速柴油机，柴油机的转速可以宽范围的调节。与定速发电不同的是，系统采用特殊设计的无刷同步发电机，该发电机具有宽频率和宽电压稳定工作的能力。

控制系统由电子调速器，调压器以及控制器组成，控制器能对发电机组进行转速控制及输出电压控制，为了实现机组调速的功能电子调速器采用电子调速器，调速器可以接收外部的模拟量调速信号，经过内部计算，通过驱动执行器来调节拉杆油门的开度来实现对转速的调节。自动电压调节器可以通过外部模拟量给定来实现对机组电压的调整。变速发电技术通过调速器及调压器的配合，根据机组的负荷率改变机组的转速，使机组工作在最佳燃油消耗率，从而达到降低油耗，减少排放的目的。

2 变速发电控制策略

变速控制主要包含功率分配和转速调节。

图1 变速发电系统示意图

2.1 功率分配策略

图2 功率控制结构框图

功率控制结构框图如图 2所示，在几台机组并联时，功率分配可以按照以下两种方法进行：

1) 遍历寻优法

遍历寻优法以寻找最低油耗为目标，通过查表与插值算法，遍历机组功率的各种组合，计算得到不同组合下的油耗，通过比较选取油耗最低时的功率组合，实现机组的功率分配。通过该方法可以使整个电站的工作在最低油耗，全船的燃油经济性好，但是控制算法较复杂，计算量大，寻优精度与离线油耗曲线数据的多少相关，数据越多寻优精度越高，动态调整频繁，容易引起系统的不稳定。

2) 功率均分法

功率均分法是使各个机组根据自身的特性和出线电抗器的特性进行功率均分，从而实现各机组负荷的均衡。该方法原理简单，实现容易，系统稳定性好，但是系统整体油耗较高。

图3给出了三台同样机组并联时采用两种方法分别得到的油耗。在这种三机功率均较低的情况下，采用功率均分的油耗略高于遍历寻优法的油耗，但相差不大，而且在这种三机功率均较低的情况下，能量管理系统一般会根据实际情况关闭一台机组使另外两台机组工作在较高负荷率下；在其他负荷率下，采用功率均分法与遍历寻优法得到的油耗是基本一致的。

图3 三台机组并联时的油耗

表1 两种方法的比较

整体来说，采用遍历寻优法与功率均分法得到的整体油耗比较接近，功率均分法的稍高，尤其是在负荷率较高时，采用两种方法得到的整体油耗基本一致。因此，综合考虑系统的燃油消耗、系统的稳定性、控制系统的结构的因素，采用功率均分法是一种较合适的方案。

2.2 转速调节方法

为了使机组工作在最佳耗油点，机组将不再一直工作在额定转速，需要对机组根据功率进行调速。随着转速的降低，机组的带载能力也会随之降低，在机组变速之后进行加载，为了系统安全，必须提高柴油机的转速，使其带载能力加强。在这个时候减载对系统影响不大，在减载时根据功率进行转速调节，使其工作在最佳燃油消耗点上。转速控制结构框图如图4所示。

3 仿真验证

为了验证该功率均分法的可行性，在 Matlab中搭建了模型，并进行了仿真验证。仿真过程中各机组的参数相同，额定功率1000 kW，额定电压690 V，对机组并机、加载及调速的过程进行了仿真，图中功率、电压、转速均为标幺值。

图5给出了两台发电机组功率均分的波形，两台机组参数相同，在3 s时，启动第二台机组，开始时，2#机组的电压稍高于1#机组，使负荷向2#机组转移，经过动态调节，最终两台机组输出电压一致，两台机组均分功率。调整后，发电机输出电压和机组转速可以迅速稳定，一致性较好。

图4 转速控制结构框图

图5 两台机组功率均分的波形

图6 两台机组并联加载波形

在30 s时，加载400 kW，四台机组的波形如图6所示，可以看出在加载时系统也具有较好的稳定性。

图7是一台柴油机组工作时，负载功率变化，转速调节的波形，随着功率的变化，转速进行调节以降低系统油耗。功率和输出电压可以较快的达到稳定，转速采用斜坡给定的方式进行调节，以保证系统的稳定性。

图7 转速调节波形

4 小结

本文分析了直流电站变速发电系统的工作原理，研究了功率分配和转速调节的原理，提出了机组变速控制方法，在此基础上建立变速发电系统的模型，搭建仿真平台并进行仿真，从仿真可以得出，提出的控制方法具有良好的动、静态性能，整个系统具有较好的鲁棒性。

参考文献：

[1]王森, 刘勇. 直流配电网及其在舰船区域配电的应用[J]. 船电技术, 2014 (11), 77-80.

[2]T. V. Vu, S. Paran, T. E. Mezyani and C. S. Edrington.Real-time distributed power optimization in the DC microgrids of shipboard power systems[C].2015 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), 2015,118-122.

[3]Z. Jin, G. Sulligoi, R. Cuzner, L. Meng, J. C. Vasquez and J. M. Guerrero. Next-generation shipboard DC power system: introduction smart grid and dc microgrid technologies into maritime electrical netowrks[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016,45-57.

[4]M. Greig and J. Wang. Fuel consumption minimization of variable-speed wound rotor diesel generators[C]. 43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 2017, 8572-8577.

[5]S. H. Lee, J. S. Yim, J. H. Lee and S. K. Sul. Design of speed control loop of A variable speed diesel engine generator by electric governor[J]. 2008 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 2008,1-5.