CN102689685A - 基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法。通过实时考察动力定位船电力推进系统配电板的分区状况，计算分区内在线发电机组的可用功率和推进器的实时负荷功率，并设计数字滤波器进行滤波，由此计算每个推进器的限载因子，以及在下一控制周期内每个推进器给定推力必须满足的功率上限值，最后将功率上限值折算到推进器的给定转速和转矩上限值，以达到防止推进器过载和电力推进系统过载造成全船停电故障的目的。本发明将电站的可用功率与推进系统的实时功率依照优化的限载系数对动力定位控制器的输出进行限制，提高了运行的安全性，减少了因为推进器过载而发电机启动不及时造成的全船停电故障，弥补了电站管理系统的不足。

Description

基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法

技术领域

本发明涉及的是一种动力定位船推进器的控制方法，具体地说是一种动力定位船推进器的实时负载限制方法。

背景技术

当今社会能源日益紧缺，向浩瀚的海洋要石油、天然气已经成为各个国家解决能源问题的重要途径之一。配备了先进动力定位系统的动力定位船是海上资源勘探和采集的主要装置。动力定位船系指仅用推进器的推力自动保持其自身船位（固定的位置或预先确定的航迹）和艏向的船舶。不同于陆地上的作业，动力定位船的海上作业可能遭遇风、浪、流等恶劣的工况。动力定位系统通过测量子系统测得的环境信息反馈信号来控制推进器系统主动抵抗风、浪、流等环境因素对动力定位船的作用力，使动力定位船能够保持在固定的位置或预设的轨迹上。动力定位船经常作业在恶劣的工作环境下，为了能抵消恶劣工况下环境力的影响，推进器负载安装容量一般都较大，几乎占全船总电力负荷的80%以上，同时推进负载的波动性很大。

随着远海资源开发的深入，为了保障动力定位作业安全和人民生命财产安全、动力定位船的安全供电以及推进器的正常工作，动力定位控制器必须考虑推进器负载限制计算。

由于恶劣工况下推进器可能遭受到严重的推力和转矩损失，同时全船电力系统中其他负载的重大变化也会对整个电网造成较大的冲击，因此动力定位推力分配算法除了考虑推进器推力分配的诸多约束条件，如磨损、推力误差、油耗、推进器的推力极限等，还应考虑推进器负载限制计算，从而保证推进器的平滑波动和电站系统安全正常工作。

较高等级的动力定位船都装有电站管理系统，全电推进船的电站管理系统能够对全船的发电机组和负载进行集中管理，包括发电机组启停、重载启动询问，过负荷分级卸载等功能，以使得电站的油耗最少、维护保养费用最低。但针对船舶动力定位作业这一特殊工况应该在每个推进器的电机驱动就地控制器中考虑到对推进器的过载保护策略，且如果动力定位船正处于恶劣工况下的动力定位作业时，在功率管理系统启动备用发电机期间内，电力系统可用功率严重不足，推进负载快速变动容易造成电力系统停电故障。因此，针对恶劣工况下的动力定位作业，必须对推进器负载实施过载限制保护。

单纯依赖电站管理系统将推进负载从配电板上切除来防止全船停电，那么对动力定位作业所造成的影响是极大的，更合理的策略是动力定位系统暂时牺牲定位的准确度，对推进器负载进行整体均匀限制来给电力系统提供缓冲时间，以整个电力系统的在线可用功率为参照量对每个推进器的负载进行实时的动态限制是解决这一问题必要的手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种以整个电力系统的在线可用功率为参照量对每个推进器的负载进行实时的动态限制，以保护推进器不过载和防止整个电力推进系统发生停电故障的基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法。

本发明的目的是这样实现的：

（1）获取动力定位船的参数，所述参数主要包括：螺旋桨半径尺寸、发电机额定功率、推进器额定功率；

（2）测量信息包的拆解，由动力定位控制器每隔固定时间经以太网从发电机、汇流排、推进器驱动器的就地控制站收集推进负载限制所需的输入信息，由于在采集动力定位系统各种数据时是按照预先设定的数据格式定义测量数据包的，因此需要按照定义格式进行解包，得到以下主要信息量：

1)母线联接断路器(Bus Current Breaker，BCB)的闭合断开状态(0/1开关量)；

2)发电机联接断路器(Generator Current Breaker，GCB)处的实时线电压和线电流以及发电机的功率因素；

3)推进器联接断路器(Thruster Current Breaker，TCB)的闭合断开状态(0/1开关量)；

4)推进器联接断路器处的实时线电压和线电流以及功率因素；

5)海浪传感器需要采集到海浪波幅值与推力损失因素估计相关的参数；

（3）独立供电分区的确定，即由母线连接断路器的状态确定当前中压配电板独立配电的拓扑分区；如果所有母线联接断路器皆闭合，则为一个整体分区；如果舱室间的母线联接断路器断开，则是配电舱室间分别独立供电；可用功率计算以及推进器负载限制算法的实施是对每个供电分区单独进行的，因此分区是该算法实施的首要条件。

（4）对每个独立分区进行在线可用功率的计算，首先由确定分区内的发电机是否在线以及是否已经分配负载，然后计算该分区的在线可用功率；

（5）计算每个推进器的实时负载，并由数字滤波算法对计算后的推进器实时负荷功率进行滤波处理，最后计算出整个分区内所有推进负载的总负荷功率；

（6）根据(1)和(2)中获得的螺旋桨推力损失因素相关参数计算，同样对螺旋桨推力损失因素由数字滤波器进行滤波处理；

（7）推进器负载限制权重的选取，推进器负载限制权重描述的是推进器负载限制时，推进器负载限制份额在可用功率补偿中所占的比重，为了安全起见一般取1；

（8）计算分区内推进器整体限载系数，并依照推力分配时每个推进器抵御环境力的重要性对每个推进器的限载系数进行优化，并由此计算出每个推进器负荷的限制值；

（9）根据推力损失因素对每个推进器负荷的限制值进行修正，计算修正后的推进器负荷的限制值；

（10）计算经过负荷限制后的每个推进器的转速和转矩给定值，并交给动力定位控制器组装成控制指令数据包，经工业以太网发送至就地控制站，产生对推进器负载的限制作用。

本发明通过对整个电力推进系统的在线可用功率计算，以及对推进器的实时负载计算和滤波处理，实时限制推进器的推力给定，以达到保护推进器不过载和防止整个电力推进系统发生停电故障的目的。本发明与动力定位船电站功率管理系统技术相对比具有以下创新点：

1．将全船电站功率管理与动力定位技术实际需要相结合，发现了电站功率管理系统与动力定位控制器，在可用功率不足时，两者之间的配合存在着后者给定值过大而前者却没有足够可用功率的问题。

2．根据电站的可用功率与推进系统的实时功率，依照优化的限载系数对动力定位控制器的输出进行限制，可以有效的解决1所述的问题，且限载迅速，限载效果较好。

本发明的优点主要体现在：将全船电站功率管理与动力定位技术实际需要相结合，将电站的可用功率与推进系统的实时功率依照优化的限载系数对动力定位控制器的输出进行限制，提高了动力定位系统运行的安全性，减少了因为推进器过载而发电机启动不及时造成的全船停电故障，弥补了电站管理系统针对动力定位系统作业的不足。

附图说明

图1基于在线可用功率的推进器负载限制算法流程图。

图2动力定位船中压配电板单线图。

图3螺旋桨推力损失因素计算相关几何尺寸示意图。

图4环境因素的设置。

图5未采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法时过载监控界面图。

图6未采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法时分区负荷功率曲线。

图7采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法后过载监控界面图。

图8采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法后分区负荷功率曲线。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

推进器的实时负载进行限制保护的方法中配电板的分区是根据中压配电板母线联接断路器的断开/闭合状态进行划分的，在动力定位船进行高安全等级要求的动力定位作业时，通常要求所有配电母线联接成环网整体供电，但实际可能由于突发状况使得中压配电板母线联接断路器的断开/闭合状态不同而将配电板划分成多个不同的供电分区，在计算在线可用功率和限制推进器负载时应该按照每个实时的供电分区进行。如图2为中压配电板采用双母线2分段环网供电方式的动力定位船，图中TCB1-TCB10分别作为主推进器电机MPM(Main PropellerMotor)、尾部槽道推进器电机STM(Stern Tunnel Thruster Motor)、全回转推进器电机RTM(Retractable Thruster Motor)艏部推进器电机BTM(Bow Tunnel Thruster Motor)的联接断路器。如果BCB1、BCB2、BCB3、BCB4、BCB5、BCB6皆闭合则为一个整体分区；如果BCB1、BCB2闭合，其余断开，则是两个配电舱室分别独立供电，有两个分区。还有很多其他组合状况，计算在线可用功率的时候应该注意考虑其分区状况。

推进器的实时负载进行限制保护的方法中在进行在线可用功率计算前，先分析发电机组故障瞬态。假设在一个独立的配电分区内某时刻有k台发电机在线，其中N_f台突然故障，断路器脱扣，此时剩余的在线发电机的负荷波动总量为：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tran}}(k,N_f)=\underset{f=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gf}}(k,N_f)---\left(1\right)$

其中P_gf是指故障发电机故障前所带的实际负荷；为了增加安全性能，往往将每台故障发电机所带负荷量看成与所有在线发电机组中带最大负荷的发电机所带的负荷量相当，即取：

$P_{\mathrm{gf}}\left(k\right)=\underset{i}{\max }\left(P_{\mathrm{gi}}\left(k\right)\right),i=[1,k]---\left(2\right)$

每台在线发电机根据其转动惯性承担相应比例的负荷。假设所有在线发电机组完全同步，且惯性时间常数为H_i，额定功率为P_r，gi，则发生故障时剩余的在线发电机每台所承受的负荷波动大小为：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}(k,N_f)=\frac{H_i{P}_{r,\mathrm{gi}}\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{k-N_f}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i{P}_{r,\mathrm{gi}}}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tgran}}(k,N_f)---\left(3\right)$

因此，发生故障瞬间，剩余在线发电机的瞬时负荷功率为故障前的负荷功与功率波动量之和：

P_tran，gi(k,N_f)＝P_gi+ΔP_tran，gi(k,N_f)                             (4)

不论电站管理系统是否装设快速降载系统，只要将发电机组可能承受的最大负荷功率波动限制在允许范围内，即可防止停电故障的发生，因此有：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}(k,N_f)\≤\min [{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}^{\max }(a_{\max ,g},t_{\mathrm{FLR},i}),{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{FLR},\mathrm{gi}}^{\max }]$

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{FLR},\mathrm{gi}}^{\max }=\frac{H_i{P}_{r,\mathrm{gi}}\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{k-N_f}{\mathrm{\Σ}}}{H}_i{P}_{r,\mathrm{gi}}}{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{FLR},g}^{\max }$

其中，

是指FLR系统可提供的最大卸载量，一般由全船在线工作的非重要负荷决定，通常比

大，因此可以忽略不计。a_max,g是指发电机组短时过负荷运行所允许的过负荷系数，一般a_max,g∈[1.1,1.15]；

是指发电机所能承受的最大负荷功率波动，通常

t_FLR，i是FLR系统降载所需的响应时间。综上所述，发电机组可安全连续运行的最大负荷量计算公式如下：

$P_{\mathrm{cont},\mathrm{gi}}^{\mathrm{nax}}(k,N_f)=P_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}(k,N_f)-{\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}^{\max }(a_{\max ,g},t_{\mathrm{FLR},i})---\left(6\right)$

推进器的实时负载进行限制保护的算法中在线可用功率计算方法是针对每个独立的配电分区，并考虑到所有发电机都能够承受短期过负荷运行，以发电机的额定功率来计算可用功率容量的，具体计算公式为：

$P_{r,\mathrm{av}}=P_{r,g}\left(k\right)-P_g\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{r,\mathrm{gi}}-P_g---\left(7\right)$

其中，P_r,g是总发电容量，即所有在线发电机组的额定功率之和；P_g是总的负载功率，包括推进负载和其他非推进负载；P_r，gi表示第i台发电机的额定功率。在实际的应用中，每个独立分区发电机组的总功率容量是由发电机断路器的开关状态以及发电机组设备的额定功率共同决定的：

$P_{r,\mathrm{gi}}=\underset{i=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{r,\mathrm{gi}}{B}_{\mathrm{gi}}$

$k=\underset{i=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{gi}}$

这里B_gi是对断路器状态和发电机是否已经进行负载分配的综合描述。如果发电机连接断路器是处于闭合的，但发电机组还未分配负载，例如发电机刚启动状态，那么计算整个发电系统的在线可用功率时，不应该将该发电机的容量包含在内。如果我们考虑在发电机组发生故障时的最小在线可用功率，则可计算如下：

$P_{\mathrm{cont},\mathrm{av}}^{\min }(k,N_f)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\min (P_{\mathrm{cont},\mathrm{gi}}^{\max }(k,N_f),P_{r,\mathrm{gi}})-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}}---\left(9\right)$

式中在线发电机台数k由式(8)决定，由于现代动力定位船一般都装有独立的功率管理系统，具有快速降载机制，因此按照式(9)计算在线可用功率更加合理。

推进负载功率限制值计算方法针对某个独立配电分区在线可用功率的推进器负载限制算法指出，推进器下一时刻总功率容量上限由分区内当前所有发电机组的总在线可用功率和当前推进器实际负载容量来决定，计算公式如下：

$P_{s,\mathrm{th}}(P_{\mathrm{th}},P_{\mathrm{av}})=P_{\mathrm{th}}+w_{\mathrm{th}}{P}_{\mathrm{av}}---\left(10\right)$

其中，P_s,th是采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法限制后的推进器负荷值；P_av是分区内发电机组在线可用功率；w_th是每个推进器在负载限制中的限载系数。如果w_th＝1，则表示只将推进负载纳入基于可用功率的负载限制中，其他非推进负载不计算在内。推进器实时负荷P_th将在可用功率小于0（P_av<0）时被限制到P_s,th。定义推进器限载系数L_s，th为推进器限载后的功率值与当前推进器的功率值的比，即：

$L_{s,\mathrm{th}}=\frac{P_{s,\mathrm{th}}}{P_{\mathrm{th}}}---\left(11\right)$

推进负载P_th可以由电气测量元件直接测量获得，也可以由发电机组总负载P_g减去其他非推进负载P_c，nth得到（如生活用电设备，辅机等用电设备等），即：

P_th＝P_g-P_c，nth                                 (12)

所有发电机组在线可用功率P_av可根据发电机组额定功率容量用式(7)来确定，如果考虑在发电机组发生故障时的最小可用功率则可用式(9)来确定。

推进器的实时负载进行限制保护的算法中将推进负载功率限制值可由两种方式分配到每一个推进器。

a．直接负载限制法

该限制算法通常是直接按照限载比例系数直接对推进器进行限载控制，即在分区

内所有在线推进器控制器的给定端乘以限载系数：

P_s,th＝L_s，thP_th                                (13)

b．间接限制法

该限制算法采用的是通过动力定位控制器将限载系数根据动力定位需要进行合理优化后的限载系数，即：

$P_{s,\mathrm{th},i}=L_{s,\mathrm{th},i}^{*}{P}_{\mathrm{th},i}$

$\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_{s,\mathrm{th},i}^{*}{P}_{\mathrm{th},i}=P_{s,\mathrm{th}}---\left(14\right)$

推进器的实时负载进行限制保护的算法中必须考虑信号滤波对推进负载限制的影响。所有推进系统的总负载P_th可由配电板上的功率测量器件测量得到。在恶劣的天气下动力定位船螺旋桨会遭受较大的推力损失，此时由配电板上功率测量器件测得的推进器负荷功率有较大的扰动。这些扰动可能引起虽然有足够的可用功率，但仍对推进系统进行了过载限制。因此，为了避免这种情况的发生，P_th在参与推进负载限制算法前必须进行滤波。采用低通滤波器进行滤波计算式为：

$\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{th}}}={\left(\frac{1}{T_{f,\mathrm{th}}s+1}\right)}^2{P}_{\mathrm{th}}---\left(15\right)$

其中，s为拉普拉斯算子；T_f，th为滤波时间常数，用滤波后的值代入负载限制算法，即

$P_{s,\mathrm{th}}(\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{th}}},\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{av}}})=\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{th}}}+w_{\mathrm{th}}\stackrel{\&OverBar;}{P_{\mathrm{av}}}---\left(16\right)$

推进器的实时负载进行限制保护的算法中负载限制值映射到推进器推力设定值是根据动力定位推力分配算法，推进器的负载限制值需要映射到推进器的控制器给定值P_0,p，经过限制后的推进器的控制器给定值P_0,p可以表达为：

$P_{0,\max ,p}=g_{P_{0,p}}\left(\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th}}}\right)={\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{dp}}\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th}}}---\left(17\right)$

式中，η_dp是推进驱动系统的整体效率，包括机械和电磁传动的损失：变压器、变频器、电机、机械传动装置等的损失。这里是假定推力分配算法不考虑推力损失，然而对推进器推力和转矩损失因素的考虑是必须的。

螺旋桨旋转产生的排水作用，使得螺旋桨处的水流速度比船上其他部位要大，由流体力学可知当螺旋桨处的水流速度增大时，水流对螺旋桨处船体压力就减小，这样就破坏了螺旋桨不工作时船体其他部位压力的平衡条件，这种不平衡使得船上其他部位和螺旋桨部位的压力差形成了船体运动的附加阻力。附加阻力的增加势必造成螺旋桨转矩和推力的损失，因此引入螺旋桨转矩损失因素β_loss，p＝Q_ap/Q，Q_ap是螺旋桨的实际输出转矩，Q是螺旋桨的额定输出转矩，因此0≤β_loss，p≤1。

推进器的推力和转矩损失因素可以采用实时测量来计算Q_ap/Q，也可以采用根据船体尾部外形几何尺寸进行离线预测，根据不同的尾部几何尺寸（如图3所示），有如下的转矩损失因素计算式：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{loss},p}=Q_{\mathrm{ap}}/Q=\left\{\begin{array}{cc}0& ,h_p/R<-1\\ a_1+b_1(h_p/R)& ,-1\&le;h_p/R<1.1\\ a_2+b_2(h_p/R)& ,1.1\&le;h_p/R<1.3\\ 1& ,-1\&le;h_p/R<1.1\end{array}\right.---\left(18\right)$

式中，Q是螺旋桨推进器的额定转矩；β_loss，p是转矩损失因素，根据几何尺寸计算出转矩损失因素后，即可预测出实际负载转矩。对于敞式螺旋桨，当螺旋桨工作于最大转速附近时，有n＝n_max,a₁＝b₁＝0.143,a₂＝-3.55,b₂＝3.5；当螺旋桨工作于临界转速附近时，有n＞n_crit，a₁＝b₁＝0.17,a₂＝-3.226,b₂＝3.255。在动力定位船进行动力定位作业时，进速比通常较低(航行速度低，螺旋桨转速高)，转矩损失相对较弱，即n＞n_crit,n_crit＝0.4-0.5n_max；当动力定位船运行在运输模式时，螺旋桨进速比较高，转矩损失相对显著，因此可进一步简化计算模型，得到的分段线性近似函数为：

${\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{loss},p}=Q_{\mathrm{ap}}/Q=\left\{\begin{array}{cc}0& ,h_p/R<-\mathrm{0,48}\\ 0.32+0.523(h_p/R)& ,-0.48\&le;h_p/R<1.3\\ 1& ,h_p/R>1.3\end{array}\right.---\left(19\right)$

进而在考虑螺旋桨转矩损失以及驱动电机与螺旋桨之间的传递效率的情况下，推进器负载应该被限制到的最大功率值为：

$P_{0,\max ,p}=\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th}}}\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{\mathrm{dp}}}{{\mathrm{\&beta;}}_{\mathrm{loss},p}}---\left(20\right)$

式中β_loss，p是螺旋桨转矩损失因素，可由式(19)根据几何尺寸离线计算。通常，推进器螺旋桨的数学模型可用以下一组数学表达式来描述：

T＝ρn²D⁴K_T

Q＝ρn²D⁵K_Q

J＝v_p/Dn

                                      (21)

K_T＝K_T(J)

K_Q＝K_Q(J)

P＝2πnQ

式中，T为螺旋桨推力；Q为螺旋桨转矩；ρ为船体周围流体的密度；n为螺旋桨转速（转/秒）；D为螺旋桨直径；K_T为推力系数；K_Q为转矩系数；v_P为螺旋桨对水的相对速度；J是进速比。

综上，每个推进器允许的最大转速给定值和最大给定推力可由下式进行计算：

$n_{0,\max ,p}=\frac{{\left(P_{0,\max ,p}\right)}^{1/3}}{{\left({2\mathrm{\&pi;K}}_Q\mathrm{\&rho;}{D}^5\right)}^{1/3}}---\left(21\right)$

$T_{0,\max ,p}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}^{1/3}{D}^{2/3}{K}_T}{{\left({2\mathrm{\&pi;K}}_Q\right)}^{2/3}}{\left(P_{0,\max ,p}\right)}^{2/3}$

在动力定位船动力定位控制器中进行推力分配，直接将n_0,max,p和T_0，max，p作为每个推进器转速给定和推力给定的上限阈值进行限制即可。

下面以图2所示的动力定位船推进器中压配电板供电方式为例，结合附图对基于在线可用功率的推进器负载限制算法实施进行说明，并对实施实例的动力定位船在给定的模拟条件下进行仿真试验。在仿真试验前搭建如图2所示的动力定位船的电力推进器系统仿真平台，其参数设置如下：

5670KW×4台柴油发电机组，线电压为6.6kV，频率为60Hz，惯性时间常数为0.83s，R_s=0.008979，L_l=0.05，L_md=2.35，L_mq=1.72,R_f=0.00206，L_lfd=0.511，R_kd=0.2826，L_lkd=3.738，R_kq1=0.02545，L_kq1=0.2392，H=0.3468，F=0.009238，p=2。其中无单位的量是以标幺值形式给出的，初始设置参数为：V_f=1，其余参数皆设置为0。

两台5500KW的主推进器分别由1号母线1分段、2号母线2分段供电；两台5500KW的可伸缩全回转推进器分别由1号母线1、2分段,和2号母线1、2分段双电源供电；两台5500KW的槽道式尾部推进器分别由1号母线2分段、2号母线1分独立供电；此外还配备了一台5500KW的槽道式侧向推进器由1号母线2分段和2号母线1分双电源供电。U_n=2400V，f_u=60Hz，P_n=1500kw，R_s=0.029，L_s=0.5995mH，R_r=0.022，L_r=0.5995mH，L_m=34.5889H，J=63.87kg.m2.时。逆变器的直流输入电压U_d=3000V，推进器驱动电机采用SVPWM调制方法的变频驱动器驱动。

螺旋桨半径参数设为2.8m。模拟的海洋环境为：风速12m/s，风向角320°，流速0.5m/s，流向角0°，海浪波幅值r_pa=4.9m，h₀=8.273（参阅图3、图4）

设施加推进器负载限制策略前，整个电力推进系统工作状况如图5所示，由监控系统显示发电机和推进器出现了不同程度的过载报警(红色和琥珀色所示)，推进器负载曲线超过发电机组总额定功率曲线。现对该仿真工况下的基于在线可用功率的推进其负载限制过程进行说明:

(1)配电分区划分。

由于仿真工况设计该动力定位船处于动力定位作业，所有发电机组皆闭合且配电板联接断路器都闭合，整个配电板只划分为一个配电分区，仿真设计场景为突然4#发电机发生故障其联接断路器脱口，将其从配电板上切除，由三台发电机带所有工作推进器工作。

(2)可用功率计算

P_r，gi=5670KW×3台，P_r，th=5500KW×4台，由

分别计算出当前发电机和推进器的负载功率如图5上所示:P_g1＝P_g2＝P_g3＝6164KW,因此可用功率为：P_av＝5670*3KW-6164*3KW＝-1482KW；

(3)计算工作推进器实时负载

根据

计算出在线工作的推进器的实时功率如图5中所示：P_MPM1＝4111KW,P_STM1＝4661KW,P_STM2＝5330KW,P_MPM2＝4388KW。由于该实例说明只有一组数据，因此用实际值代替滤波后的值

(4)估算推进器螺旋桨推力损失因素β_loss,p

h_P＝h₀-r_pa=3.373，β_loss,p=032+0.523*3.37/2.8=0.948,同样由于实例说明只有一组数据，实际值代替滤波后的值

(5)推进器限载系数L_s,th计算

P_s，th(P_th,P_av)＝P_th+w_thP_av＝18490-1*1482＝17008KW；

设此时工作推进器在推力分配时抵御环境力的重要性一致，则L_s，th，i＝L_s，th＝0.9198,i＝1,2,3,4。

所以， $\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th},i}}=L_{s,\mathrm{th},i}*P_{\mathrm{th},i};$

$\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th},1}}=0.9198*4111=3781.3;$ $\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th},2}}=0.9198*4661=\mathrm{4287,2};$

$\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th},3}}=0.9198*5330=4902.5;$ $\stackrel{\&OverBar;}{P_{s,\mathrm{th},4}}=0.9198*4388=4036.1$

(6)根据推力转矩损失因素和驱动电机和螺旋桨的传递效率，对推进器限载系数L_s,th进行修正：

因此，设推进电机型号一致，额定传动效率η_dp＝0.889

$P_{0,\max ,p,1}=\frac{3781.3*0.889}{0.948}=3546.1$ $P_{0,\max ,p,2}=\frac{4287.2*0.889}{0.948}=4020.5$

$P_{0,\max ,p,3}=\frac{4902.5*0.889}{0.948}=4597.6$ $P_{0,\max ,p,4}=\frac{4036.1*0.889}{0.948}=3785.1$

(7)推进器转速和转矩给定值折算

$n_{0,\max ,p,i}=\frac{{\left(P_{0,\max ,p,i}\right)}^{1/3}}{{\left({2\mathrm{\&pi;K}}_Q{\mathrm{\&rho;D}}^5\right)}^{1/3}}$

$T_{0,\max ,p,i}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}^{1/3}{D}^{2/3}{K}_T}{{\left({2\mathrm{\&pi;K}}_Q\right)}^{2/3}}{\left(P_{0,\max ,p,i}\right)}^{2/3}$

此步骤在动力定位控制器内作为推力分配的上限约束条件即可，可不做单独计算。

图5、图6是未采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法时出现推进器过载，造成发电机组过载运行的状况，从图中可以看出推进器和发电机产生不同程度的红色过载报警；图7、图8是在采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法后的推进器负荷状况和发电机负荷状况图，可以看出发电机组和推进器的负荷都得到了有效的限制，限制的快速性和有效性比较理想，可以保障在下一台备用发电机启动期间整个电力推进系统的供电安全。

Claims (5)

1.基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法，其特征是：

（1）获取动力定位船的参数，所述参数主要包括：螺旋桨半径尺寸、发电机额定功率、推进器额定功率；

（2）测量信息包的拆解，由动力定位控制器每隔固定时间经以太网从发电机、汇流排、推进器驱动器的就地控制站收集推进负载限制所需的输入信息，按照定义格式进行解包，得到以下主要信息量：

1)母线联接断路器的闭合断开状态；

2)发电机联接断路器处的实时线电压和线电流以及发电机的功率因素；

3)推进器联接断路器的闭合断开状态；

4)推进器联接断路器处的实时线电压和线电流以及功率因素；

5)海浪传感器需要采集到海浪波幅值与推力损失因素估计相关的参数；

（3）独立供电分区的确定，即由母线连接断路器的状态确定当前中压配电板独立配电的拓扑分区；如果所有母线联接断路器皆闭合，则为一个整体分区；如果舱室间的母线联接断路器断开，则是配电舱室间分别独立供电；

（4）对每个独立分区进行在线可用功率的计算，首先由确定分区内的发电机是否在线以及是否已经分配负载，然后计算该分区的在线可用功率；

（5）计算每个推进器的实时负载，并由数字滤波算法对计算后的推进器实时负荷功率进行滤波处理，最后计算出整个分区内所有推进负载的总负荷功率；

（6）根据(1)和(2)中获得的螺旋桨推力损失因素相关参数计算，同样对螺旋桨推力损失因素由数字滤波器进行滤波处理；

（7）推进器负载限制权重的选取；

（8）计算分区内推进器整体限载系数，并依照推力分配时每个推进器抵御环境力的重要性对每个推进器的限载系数进行优化，并由此计算出每个推进器负荷的限制值；

（9）根据推力损失因素对每个推进器负荷的限制值进行修正，计算修正后的推进器负荷的限制值；

（10）计算经过负荷限制后的每个推进器的转速和转矩给定值，并交给动力定位控制器组装成控制指令数据包，经工业以太网发送至就地控制站，产生对推进器负载的限制作用。

2.根据权利要求1所述的基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法，其特征是所述对每个独立分区进行在线可用功率的计算的方法为：

设在一个独立的配电分区内某时刻有k台发电机在线，其中N_f台突然故障，此时剩余的在线发电机的负荷波动总量为：

${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{tran}}(k,N_f)=\underset{f=1}{\overset{N_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{gf}}(k,N_f)$

其中P_gf是指故障发电机故障前所带的实际负荷；将每台故障发电机所带负荷量看成与所有在线发电机组中带最大负荷的发电机所带的负荷量相当，即取：

$P_{\mathrm{gf}}\left(k\right)=\underset{i}{\max }\left(P_{\mathrm{gi}}\left(k\right)\right),i=[1,k]$

每台在线发电机根据其转动惯性承担相应比例的负荷，设所有在线发电机组完全同步，且惯性时间常数为H_i，额定功率为P_r，gi，则发生故障时剩余的在线发电机每台所承受的负荷波动大小为：

${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}(k,N_f)=\frac{H_i{P}_{r,\mathrm{gi}}\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{k-N_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i{P}_{r,\mathrm{gi}}}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{tgran}}(k,N_f)$

因此，发生故障瞬间，剩余在线发电机的瞬时负荷功率为故障前的负荷功与功率波动量之和：

P_tran，gi(k,N_f)＝P_gi+ΔP_tran，gi(k,N_f)

将发电机组可能承受的最大负荷功率波动限制在允许范围内，防止停电故障的发生，因此有：

${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}(k,N_f)\&le;\min [{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}^{\max }(a_{\max ,g},t_{\mathrm{FLR},i}),{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{FLR},\mathrm{gi}}^{\max }]$

${\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{FLR},\mathrm{gi}}^{\max }=\frac{H_i{P}_{r,\mathrm{gi}}\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{k-N_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}{H}_i{P}_{r,\mathrm{gi}}}{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{FLR},g}^{\max }$

其中，

是指FLR系统可提供的最大卸载量，一般由全船在线工作的非重要负荷决定，通常比

大，因此可以忽略不计；a_max,g是指发电机组短时过负荷运行所允许的过负荷系数，一般a_max,g∈[1.1,1.15]；是指发电机所能承受的最大负荷功率波动，通常

t_FLR，i是FLR系统降载所需的响应时间；发电机组可安全连续运行的最大负荷量计算公式如下：

$P_{\mathrm{cont},\mathrm{gi}}^{\max }(k,N_f)=P_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}(k,N_f)-{\mathrm{\&Delta;P}}_{\mathrm{tran},\mathrm{gi}}^{\max }(a_{\max ,g},t_{\mathrm{FLR},i}).$

3.根据权利要求2所述的基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法，其特征是：

以发电机的额定功率来计算可用功率容量的，具体计算公式为：

$P_{r,\mathrm{av}}=P_{r,g}\left(k\right)-P_g\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{r,\mathrm{gi}}-P_g$

其中，P_r,g是总发电容量，即所有在线发电机组的额定功率之和；P_g是总的负载功率，包括推进负载和其他非推进负载；P_r，gi表示第i台发电机的额定功率；

每个独立分区发电机组的总功率容量是由发电机断路器的开关状态以及发电机组设备的额定功率共同决定的：

$P_{r,\mathrm{gi}}=\underset{i=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{r,\mathrm{gi}}{B}_{\mathrm{gi}}$

$k=\underset{i=1}{\overset{N_g}{\mathrm{\&Sigma;}}}{B}_{\mathrm{gi}}$

B_gi是对断路器状态和发电机是否已经进行负载分配的综合描述；考虑在发电机组发生故障时的最小在线可用功率，则：

$P_{\mathrm{cont},\mathrm{av}}^{\min }(k,N_f)=\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\min (P_{\mathrm{cont},\mathrm{gi}}^{\max }(k,N_f),P_{r,\mathrm{gi}})-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{gi}}.$

4.根据权利要求1、2或3所述的基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法，其特征是：将推进负载功率限制值由直接负载限制法分配到每一个推进器，即直接按照限载比例系数直接对推进器进行限载控制，即在分区内所有在线推进器控制器的给定端乘以限载系数：P_s,th＝L_s，thP_th，P_s,th是采用基于在线可用功率的推进器负载限制算法限制后的推进器负荷值；P_th是推进负载。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于在线可用功率的动力定位船推进器负载限制方法，其特征是：将推进负载功率限制值由间接限制法分配到每一个推进器，即通过动力定位控制器将限载系数根据动力定位需要进行合理优化后的限载系数， $\begin{array}{c}{P}_{s,\mathrm{th},i}=L_{s,\mathrm{th},i}^{*}{P}_{\mathrm{th},i}\\ \underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{L}_{s,\mathrm{th},i}^{*}{P}_{\mathrm{th},i}=P_{s,\mathrm{th}}\end{array}.$

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