CN107658908A - 通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法。该方法为：在与船舶电网连接的变频器的输入电源上增设一频率检测器；当频率检测器检测到电网频率低于报警值后，将电网频率波动信号瞬时发送给变频器；变频器接收到电网频率波动信号后，瞬间将自身的输出功率降为设定值，由此实现对负载功率的快速限制。该方法将以往从电站发送到PMS再到RCS的功率限制命令转发到变频器的开关量信号，直接简化为从电站到变频器，这样就省去了从电站到变频器的中间转换、采集、扫描和逻辑计算的过程，大大减少了信号发生到设备动作的时间，在发电机过载动作前，变频器接收到电网频率波动的信号，且快速降低了运行负载，保证了电站的稳定运行。

Description

通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法

技术领域

本发明属于船舶电力技术领域，涉及一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法。

背景技术

船舶电网是船舶电力系统的一个重要的组成部分。电能从船舶主电网及应急、停泊船舶电网，通过电缆的传输，经过中间的分配电装置，包括区域船舶电网、分配电箱等，送往船舶上各种电气装置，形成的电力网络即为船舶电网。船舶电网，由发电机通过主船舶电网直接供电，供给船舶各种重要设备(如驱动推进器的电动机即推进电机)和各种辅助设备用于驱动设备的电机。船舶主电网是船舶电网中的一个重要环节，电能从船舶主电网通过电缆，经过中间分配电装置(区域船舶电网、分配电箱等)，送往各用电设备。这就要求电网在发生故障或局部破损等情况下，电网仍能保证对负载(尤其是大功率负载推进电机和推进变频器)的连续供电，保证船舶航行的安全，并限制故障的进展和将故障的影响限于最小范围之内。

随着电力电子技术和变频调速技术的发展，带大功率推进电机和推进变频器的大功率负载的船舶已成为未来船舶发展的重点方向。由于船舶较大的功率负载，以及新型大功率用电负载的增加，对船舶能量的管理提出了更高的要求。功率限制是对大功率负载的船舶进行能量管理最重要的关键技术之一。

现有的限制负载功率的方法主要有四种：一、负载变化时，将负载的功率限制在设定值以下，如负载运行功率限制在不大于50％的额定功率；二、按给定功率的设定百分比来限制负载功率，如给定功率为100KW，设定限制系数为70％，那么负载的运行功率只能是70KW；三、设定负载功率小于电站的可用功率，如电站可用功率为100KW，负载的功率必须小于100KW；四、是通过开关量和模拟量来限制负载功率。以上四种方法，逻辑简单，实施方便，但功率限制的能力有限，在实际应用中均达不到功率限制的效果。

目前常用的限制负载功率的方法是第三种和第四种方案。第四种方案是在第三种方案的基础上做了优化补充，增加了一个开关量信号。第四种方案限制功率的做法如下(信号的流程如图1所示)。

开关量限制功率的做法如下(信号的流程如图1所示)：

开关量限制功率由推进控制系统完成；电站管理系统PMS将电网可用功率(模拟量)和开关量功率限制信号发送给推进控制系统(也叫远程控制系统RCS，或遥控系统)；当电网可用功率小于等于100kW，开关量功率限制功能激活，系统进入维持状态(可减速不可加速)；如发生电网可用功率小于0kW时，系统自动会对负载进行减速，降低电站负荷；如推进控制系统接收到功率限制信号命令，开关量限制功率功能激活，系统进入维持状态(可减速不可加速)。

模拟量限制功率的做法如下(信号的流程如图1所示)：

模拟量功率限制由变频器自身来完成；PMS将电网可用功率(模拟量)和功率限制(开关量)信号发送给变频器；当电网可用功率小于等于-50％的变频器功率，模拟量功率限制功能激活，变频器进入快速减速至额定转速的1/3，并维持1-2分钟，稳定电站功率，之后再根据变频器的给定值进行自动加速或减速。

上述方法中，开关量限制的依据来源于电站可用功率的模拟量，理论上是可以实现的，而在实际应用中，系统在发出信号前需要对电站的剩余功率进行采集、判断、逻辑运算后才可以发出一个开关量功率限制命令给推进控制系统，电站管理系统从采集到发出信号所用时间至少需要5000毫秒；推进控制系统收到开关量信号后要重复以上的换算才开始降负载功率，这两个过程所需要的时间已经远远超过了发电机过载能力所要求的时间。此时，发电机可能因为过载或超载已经跳闸，同时导致全船失电。从现场的案例来验证，也是如此，当船舶电站所有负荷同时满功率运行，由于外部环境的不确定性及负载的异常出现，可能会造成在网发电机组的瞬时超负荷运行，在这种状态的反复出现可能会引起整个船舶电站的振荡甚至崩溃。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种可实现快速功率限制，确保船舶电站供电的连续性，避免船舶动力丧失的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法。

本发明的构思如下：为了确保船舶电站的稳定和安全，避免出现在恶劣海况下造成船舶颠覆等重大海难，必须要通过推进控制系统RCS、推进变频器(简称变频器)、电站管理系统PMS、船舶电网设备之间进行协调控制，其主要控制策略就是引入检测电网频率来实现快速功率限制的功能。该控制策略通过基于可用功率的推进功率限制技术，配合发电机机组异常跳闸等异常事件监测为基础，进行快速功率挟制的设计，可确保船舶电站供电的连续性，避免船舶动力丧失。

本发明的技术方案如下：

本发明一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法如下：在与船舶电网直接连接的重要设备变频器的输入电源线上增设一频率检测器；频率检测器与变频器之间可信号连接(频率检测器设置有频率波动信号发送功能，变频器设置有频率波动信号接收功能)；由于变频器的电源直接来自于船舶电网，当频率检测器检测到船舶电网频率低于报警值后，将船舶电网频率波动信号瞬时发送给变频器；变频器接收到船舶电网频率波动信号后，瞬间将自身的输出功率降为设定值(该设定值为负载正常运行功率的5-15％)(变频器自身具有功率限制功能)；由此，通过检测电网频率可实现对负载功率的快速限制。

本发明的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，具体工作流程如下：

(1)在与船舶电网直接连接的变频器的输入电源上增设一频率检测器；频率检测器的信号输入口与变频器的电源输入口连接，即与船舶电网连接，频率检测器的信号输出口与变频器的信号输入口连接；电站管理系统PMS、远程控制系统RCS均可与变频器信号连接；

(2)频率检测器检测到电网频率低于报警值后，直接发出限制功率的指令给变频器；变频器接收到限制功率的指令后，瞬间将自身的输出功率降为设定值，并将变频器内的功率限制状态发送给远程控制系统RCS；远程控制系统RCS接收到来自变频器内的功率限制状态后，进行显示和报警；

(3)电站管理系统PMS内置中央处理器CPU通过采集船舶电网和变频器的功率参数计算出船舶电网的可用功率，再转换成模拟量信号发送给变频器模块；

(4)船舶电网频率回复正常后，变频器模块通过来自电站管理系统PMS的可用功率和变频器的实际功率，计算出需要限制功率的范围，并发出限制功率的指令给变频器，变频器自身进行功率限制，确保变频器输出功率在限制功率的范围之内运行。

进一步地，上述步骤(3)中，电站管理系统PMS内置中央处理器CPU通过采集船舶电网和变频器的功率参数计算出船舶电网的可用功率，再转换成4～20MA的模拟量信号发送给变频器的变频器模块。变频器主要由整流器、滤波器、逆变器、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元组成；变频器的主电路(整流与逆变主电路、微处理单元)常采用模块形式封装的功率模块，即变频器模块。变频器自身具有功率限制、过流、过压保护和过载保护等功能。

进一步地，频率检测器设置在变频器旁或变频器柜内；频率检测器的信号输入口与变频器的电源输入口连接，频率检测器的信号输出口与变频器的信号输入口连接。

进一步地，当船舶电网有多台大功率负载时，需给每台大功率负载增配一个频率检测器。

本发明的有益效果：

本发明是一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，如信号流程图2(在信号流程图1的基础上作了改进)所示，将以往从电站到PMS再到RCS的功率限制命令转发到变频器的开关量信号，直接简化为从电站到变频器，这样直接省去了从电站到变频器的中间转换、采集、扫描和逻辑计算的过程，大大减少了信号发生到保护设备动作之间的时间，也就是说在发电机过载动作前，变频器不但接收到电网频率波动的信号，而且快速降低了运行负载，从而保证电站的稳定运行。

本发明的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，可实现快速功率限制，确保船舶电站供电的连续性，避免船舶动力丧失，由此可确保船舶电站的稳定和安全，避免出现在恶劣海况下造成船舶颠覆等重大海难。

功率限制是对大功率负载的船舶进行能量管理最重要的关键技术之一，国内对该领域的研究和应用较少。经实船使用验证，本发明的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法是目前最有效可行的方法，其应用范围广泛。

附图说明

图1是现有技术中的第四种限制功率方案的信号流程简图；

图2是本发明一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法的信号流程简图；

图3是现有技术中的第四种限制功率方案的工作流程详图；

图4是本发明一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法的工作流程详图；

图5是现有技术中的第四种限制功率方案的实例趋势图；

图6是本发明一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法的实例趋势图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1、图3所示，现有技术中的第四种限制功率的方案是通过开关量和模拟量来限制负载功率。具体做法如下。

开关量限制功率的做法如下(信号的流程如图1所示)：

开关量限制功率由推进控制系统完成；电站管理系统将电网可用功率(模拟量)和开关量功率限制信号发送给推进控制系统；当电网可用功率小于等于100kW，开关量功率限制功能激活，系统进入维持状态(可减速不可加速)；如发生电网可用功率小于0kW时，系统自动会对负载进行减速，降低电站负荷；如推进控制系统接收到功率限制信号命令，开关量限制功率功能激活，系统进入维持状态(可减速不可加速)。

模拟量限制功率的做法如下(信号的流程如图1所示)：

模拟量功率限制由变频器自身来完成；PMS将电网可用功率(模拟量)和功率限制(开关量)信号发送给变频器；当电网可用功率小于等于-50％的变频器功率，模拟量功率限制功能激活，变频器进入快速减速至额定转速的1/3，并维持1-2分钟，稳定电站功率，之后再根据变频器的给定值进行自动加速或减速。

如图3所示，该方案的具体工作流程如下：

1)电站管理系统PMS内置中央处理器CPU通过采集船舶电网和变频器的功率参数计算出船舶电网的可用功率，再转换成4～20MA的模拟量信号发送给RCS用于逻辑运算；

2)RCS通过来自PMS的可用功率和变频器的实际功率计算出需要限制功率的工况，并发出限制功率的指令给变频器；

3)变频器接收到来自RCS的功率限制指令后将自身输出功率降为设定值，并将变频器内的功率限制状态发送给RCS；

4)电网频率回复正常后，变频器模块通过来自RCS的可用功率和变频器的实际功率计算出变频器需要限制的输出功率范围，并发出限制功率的指令给变频器，变频器自身进行功率限制，确保变频器输出功率在限制功率的范围之内运行。

该方案的缺陷是：当船舶电站所有负荷同时满功率运行，由于外部环境的不确定性及负载的异常出现，可能会造成在网发电机组的瞬时超负荷运行或发电机长时间处于过载状态在这种状态的反复出现可能会引起整个船舶电站的振荡甚至崩溃。

表1中是按现有技术中的第四种限制功率的方案实施的一个实际案例的数据。该实施例中，船舶的电力推进系统包括船舶电网(含配电板设备)、电站管理系统PMS、推进控制系统RCS和推进变频器(简称变频器)，它包括两台发电机、两台推进器(大功率负载)，1750KW/台发电机，1500KW/台推进器；每台发电机配备一变频器。

表1(1750KW/台发电机，1500KW/台变频器)

表1所列的实际案例中的数据与图5的实例趋势图中的参数是一一对应的：在0秒时，船舶电网频率是额定频率60HZ，两台发电机和两台推进器都在稳定运行，此时可用功率为500KW；运行500ms后，1台发电机突然故障跳闸。用通常的方法是快速降负载，来保证在网运行的发电机不超载、不过载；而电站管理系统和推进控制系统通过采集、判断、运算逻辑所需的时间远远大于发电机过载承受的时间5000ms，即发电机在150％的过载下最大能运行的时间为5秒，此时的实际过载功率远大于发电机的过载能力，发电机在过载下运行5秒后将跳闸，因此导致整船失电。

实施例2

如图2所示，本发明一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其信号流程是在图1所示的信号流程的基础上作了改进，它将以往从电站到PMS再到RCS再到变频器的开关量信号，直接简化为从电站到变频器，这样直接省去了电站到变频器的中间转换、采集、扫描和逻辑计算的过程，大大减少了信号发生到设备动作之间的时间，也就是说在发电机过载动作前，变频器不但接收到船舶电网频率波动的信号，而且快速降低了运行负载，从而保证电站的稳定运行。

如图4所示，本发明一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，具体工作流程如下：

(1)在与船舶电网直接连接的变频器的输入电源上增设一频率检测器；频率检测器设置在变频器旁或变频器柜内；频率检测器的信号输入口与变频器的电源输入口连接，即与船舶电网连接，频率检测器的信号输出口与变频器的信号输入口连接。电站管理系统PMS、远程控制系统RCS均可与变频器信号连接。

(2)频率检测器检测到电网频率低于报警值后，直接发出限制功率的指令给变频器；变频器接收到限制功率的指令后，瞬间将自身的输出功率降为设定值(该设定值为负载正常运行功率的5-15％)，并将变频器内的功率限制状态发送给远程控制系统RCS；远程控制系统RCS接收到来自变频器内的功率限制状态后，进行显示和报警。

(3)电站管理系统PMS内置的中央处理器CPU通过采集船舶电网和变频器的功率参数计算出船舶电网的可用功率，再转换成4～20MA的模拟量信号发送给变频器的变频器模块。

变频器主要由整流器、滤波器、逆变器、制动单元、驱动单元、检测单元、微处理单元组成；变频器的主电路(整流与逆变主电路、微处理单元)，常采用模块形式封装的功率模块，即变频器模块。变频器自身具有功率限制、过流、过压保护和过载保护等功能。

(4)船舶电网频率回复正常后，变频器内的变频器模块通过来自电站管理系统的可用功率和变频器的实际功率，计算出需要限制功率的范围，并发出限制功率的指令给变频器，变频器自身进行功率限制，确保变频器输出功率在限制功率的范围之内运行，从而保证了负载的稳定运行，也确保了电网的可靠性。

表2中是按本发明中的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方案实施的一个实际案例的数据。该实施例中，船舶的电力推进系统包括船舶电网(含配电板设备)、电站管理系统PMS、推进控制系统RCS和推进变频器(简称变频器)，它包括两台发电机、两台推进器(大功率负载)，1750KW/台发电机，1500KW/台推进器；每台推进器配有一变频器；每台推进器配备一个频率检测器；频率检测器设置在变频器旁或变频器柜内；频率检测器的信号输入口与变频器的电源输入口连接，即与船舶电网连接，频率检测器的信号输出口与变频器的信号输入口连接。

表2(1750KW/台发电机，1500KW/台推进器)

表2所列的实际案例中的数据与图6的实例趋势图中的参数是一一对应的：在0秒时，船舶电网频率是额定频率60HZ，两台发电机和两台推进器都在稳定运行，此时可用功率为500KW；运行500ms后，1台发电机突然故障跳闸。用通常的方法是快速降负载，来保证在网运行的发电机不超载，不过载；而电站管理系统和推进控制系统通过采集、判断、运算逻辑所需的时间远远大于5000ms，但发电机在150％的过载下也只能运行5秒，此时的实际过载功率远大于发电机的过载能力，发电机在过载下运行5秒后跳闸导致整船失电。改良后，电站的频率波动信号瞬时发送给变频器，变频器可以在收到频率波动信号后瞬间降低负载功率到200KW，此时长在发电机过载要求的时间内，所以，保证了船舶电网的连续可靠性。此时，电站的可用功率为1500KW，变频器可维持在200KW功率下运行4000ms或更长时间，直到备用发电机顺利送电并车后，系统又恢复到正常的程序。

Claims (7)

1.一种通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其特征在于，在与船舶电网直接连接的重要设备变频器的输入电源线上增设一频率检测器；频率检测器与变频器之间信号连接；变频器的电源直接来自于船舶电网，当频率检测器检测到船舶电网频率低于报警值后，将船舶电网频率波动信号瞬时发送给变频器；变频器接收到船舶电网频率波动信号后，瞬间将自身的输出功率降为设定值，由此实现对负载功率的快速限制。

2.如权利要求1所述的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其特征在于，该方法具体工作流程如下：

(1)在与船舶电网直接连接的变频器的输入电源线上增设一频率检测器；频率检测器的信号输入口与变频器的电源输入口连接，即与船舶电网连接，频率检测器的信号输出口与变频器的信号输入口连接；电站管理系统PMS、远程控制系统RCS均与变频器信号连接；

(2)频率检测器检测到电网频率低于报警值后，直接发出限制功率的指令给变频器；变频器接收到限制功率的指令后，瞬间将自身的输出功率降为设定值，并将变频器内的功率限制状态发送给远程控制系统RCS；远程控制系统RCS接收到来自变频器内的功率限制状态后，进行显示和报警；

(3)电站管理系统PMS内置中央处理器CPU通过采集船舶电网和变频器的功率参数计算出船舶电网的可用功率，再转换成模拟量信号发送给变频器模块；

(4)船舶电网频率回复正常后，变频器模块通过来自电站管理系统PMS的船舶电网的可用功率和变频器的实际功率，计算出需要限制功率的范围，并发出限制功率的指令给变频器，变频器自身进行功率限制，确保变频器输出功率在限制功率的范围之内运行。

3.如权利要求2所述的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，变频器瞬间将自身的输出功率降为设定值，该设定值为负载正常运行功率的5-15％。

4.如权利要求2所述的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中，电站管理系统PMS内置的中央处理器CPU通过采集船舶电网和变频器的功率参数计算出船舶电网的可用功率，再转换成4～20MA的模拟量信号发送给变频器模块。

5.如权利要求1或2所述的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其特征在于，频率检测器设置在变频器旁；频率检测器的信号输入口与变频器的电源输入口连接，频率检测器的信号输出口与变频器的信号输入口连接。

6.如权利要求1或2所述的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其特征在于，频率检测器设置在变频器柜内；频率检测器的信号输入口与变频器的电源输入口连接，频率检测器的信号输出口与变频器的信号输入口连接。

7.如权利要求1或2所述的通过检测船舶电网频率快速限制负载功率的方法，其特征在于，有多台大功率负载的船舶电网，给每台大功率负载增配一个频率检测器。