CN109830953A - 基于直流组网发电系统的柴油发电机组的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了直流组网发电系统柴油发电机组的功率分配方法，步骤如下：(a)对柴油发电机组进行优先级设置，把各个柴油发电机组的功率参数输入主控制模块；(b)发电系统工作，设置整流功率模块的整流参数使整流后的电压值保持在V_min～V_max内；主控制模块按设置优先级i启动柴油发电机组D_i；(c)柴油发电机组D_i产生的交流电I_ACi及整流后的直流电压值V_DCi发送至子控制模块以计算当前柴油发电机的使用功率p_i；(d)主控制模块通过使用功率p_i与额定功率P_i的比值对柴油发电机组的加减速及启停状态进行控制；(e)每条电路上的子控制模块对柴油发电机组的使用功率p_i进行调整使每路使用功率p_i'相差a_粗以内；(f)主控制模块进行功率精调直至每条电路的功率相差在a_精以内。

Description

基于直流组网发电系统的柴油发电机组的功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种船舶发电系统的功率分配方法，具体是一种基于直流组网发电系统的柴油发电机组的功率分配方法。

背景技术

在船舶发电系统工作的过程中，当负载发生较大变化时，负载分配不满足要求，有的柴油发电机组过载，有的柴油发电机组没有承担功率；柴油发电机组在个别工况特别是轻载工况下无法实现经济地运行。这些情况导致柴油发电机组不能迅速跟随负载变化产生足够的功率满足需求；导致功率分配响应速度慢，造成柴油机运行工况差，耗油量高等缺陷。为了提高功率分配的效率减少油耗等目标，因此船舶发电系统的功率分配方法有着重要的理论和实现意义。

对现有的文献进行检索后研究发现，中国专利申请号为103887826的专利公开了“多台常规发电机组系统消耗燃料最少的有功功率分配方法”，该方法通过算出柴油机组最小的运行功率再经过筛选得到最适合的柴油发电机组，从而达到节约燃料的效果；杨照宇、焦侬发表在《船舶工程》(2018年第2期)上的论文“新型科考船发电系统控制策略研究”也介绍了一种功率分配方法。但是该方法主要在交流组网的电能传输下进行功率分配，通过改变柴油发电机组的频率从而改变转速，进行功率分配。但是该方法需要采样更多关于柴油发电机组发电的电压与电流参数等参数，故控制结构相对比较复杂，并且改变频率对电机的调速要求比较高，故柴油发电机组的成本较高。专利中的方法虽然能有效地节约油耗，但是负载突然增大或减小时系统反应速度较慢，需要一定的时间才能达到功率分配的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种提高功率分配的效率以减少油耗基于直流组网发电系统的柴油发电机组的功率分配方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于直流组网发电系统的柴油发电机组的功率分配方法，其中，基于直流组网发电系统的柴油发电机组包括主控制模块和并列设置的至少两路分别与主控制模块相连接的发电电路，所有发电电路都与直流母线相连接，每路发电电路包括柴油发电机组，发电机组与用于检测柴油发电机组产生的交流电的电流传感器相连接，电流传感器与整流功率模块相连接，整流功率模块通过铜排与所述直流母线相连接，铜排上设有对所述直流母线进行过载保护的熔断器；整流功率模块与A/D采样模块相连接；A/D采样模块通过总线与子控制模块相互通信；铜排上外接设有用于检测整流后的直流电的直流电压传感器，直流电压传感器与A/D采样模块相连接；主控制模块与子控制模块也通过总线相互通信；其功率分配方法步骤如下：

(a)首先对柴油发电机组进行优先级设置，并且把各个柴油发电机组的功率参数输入进所述主控制模块；

柴油机组D₁的优先级和功率为{1，P_1,L，P_1,H}，D₂的优先级和功率为{2，P_2,L，P_2,H}，…，D_i的优先级和功率为{i，P_i,L，P_i,H}；上述P_i,L为柴油发电机组的低速时的额定功率，P_i,H为柴油发电机组高速时的额定功率，发电机组所设定的优先级系数关系为1>2>...>i；

(b)发电系统工作，柴油发电机组开始工作；产生的交流电通过所述整流功率模块，设置整流功率模块的整流参数使整流后的电压值保持在V_min～V_max内；

主控制模块按已设置的优先级i启动柴油发电机组D_i，D_i开始运行；柴油发电机组产生交流电通过所述断路器；

(c)电流传感器读取由柴油发电机组D_i产生的交流电I_ACi，电压传感器检测整流后的直流电压值V_DCi，I_ACi与V_DCi通过A/D采样模块发送至子控制模块，所述子控制模块根据I_ACi与V_DCi计算出V_ACi,所述子控制模块再计算当前柴油发电机D_i的使用功率

(d)子控制模块把计算得到的p_i发送至主控制模块，主控制模块通过使用功率p_i与额定功率P_i的比值对柴油发电机组的加减速及启停状态进行控制；

主控制模块根据当前额定功率与使用功率的比值下式计算出功率系数μ：

P_i为柴油发电机当前产生的额定功率，且当柴油发电机组以设定低速运行时额定功率为P_i,L，当以设定高速运行时额定功率为P_i,H，

当μ_min≤μ<μ_max时，柴油发电机组D_i保持当前运行状态，即柴油发电机组D_i可以满足当前的使用功率；

当船舶负载发生改变时，主控制模块会根据(1)式进行计算得到新的功率系数μ；

当μ>μ_max时，主控制模块判断D_i是否是高速运行，如果不是，主控制模块将控制柴油发电机组D_i高速运行；当D_i高速运行后，主控制模块根据(1)式再次计算得到功率系数μ；若μ_min≤μ<μ_max则柴油发电机组不再进行任何动作；如果仍然μ>μ_max，主控制模块按优先级启动下一台优先级最高的柴油发电机组D_i+1并且保持D_i+1低速运行；主控制模块会按照上述工作顺序控制柴油发电机组运行，直到满足μ_min≤μ<μ_max后停止柴油发电机组的加速或者启动；

当μ<μ_min时，如果D_i高速运行则所述主控制模块按照优先级顺序将D_i低速运行，D_i降速后主控制模块继续进行功率系数的计算，若μ_min≤μ<μ_max则柴油发电机组不进行任何动作；如果减速后的功率系数仍然为μ<μ_min，主控制模块控制柴油发电机组D_i，使D_i停机。D_i停机后主控制模块根据式(1)计算功率系数μ；并根据μ数值判断来控制柴油发电机组按上述减速和停机方式动作，直到满足μ_min≤μ<μ_max；

(e)当功率系数满足μ_min≤μ_i<μ_max后，每条电路上的子控制模块会对该条电路上的柴油发电机组的使用功率p_i进行粗调功率，功率粗调后每路柴油发电机组的使用功率p_i'相差5％以内；

每条电路中的子控制模块在读取电流值I_iAC后，根据计算当前柴油发电机组的使用功率p_i；每条电路中的子控制模块读取整流后的直流电压V_iDC；

所述子控制模块根据下式计算目标电压V'_iDC：

上式(2)中，P_i为当前柴油发电机组的额定功率，V_min为直流电压的最小值，V_max直流电压的最大值，且满足V_min<V'_iDC<V_max时,根据V_i差＝V'_iDC-V_iDC计算出待调电压值；

所述子控制模块对所述A/D采样模块发送控制信号，所述A/D采样模块接收所述子控制模块的信号后向所述整流功率模块发送PWM波；所述PWM波将改变整流功率模块中IGBT晶体管的占空比，通过改变占空比调节整流的直流电压值，从而调节使用功率；

A/D采样模块每隔0.4ms对I_iAC与V_iDC进行采样，发送至子控制模块，当使用功率发生变化时，不断进行上述步骤。直至每路柴油发电机组的功率相差在a_粗以内；

(f)每条电路在完成功率粗调以后把粗调后的功率值p_i'通过总线发送至主控制模块，主控制模块对每条电路的p_i'值进行比较；如果相差大于a_精，则主控制模块会进行功率精调；主控制模块控制子控制模块对该电路的直流电压在公式(2)的基础上进行微小升压或者降压。调整后的电压再由电压传感器测得，子控制模块再进行功率计算并且把功率传输至主控制模，直至每条电路的功率相差范围在a_精以内。

作为一种优选的方案，所述基于直流组网发电系统的柴油发电机组还包括设置在发电机组与电流传感器间的对柴油发电机组的发电电路进行保护的断路器。

本方法的有益效果是：该方法的功率分配效果明显、集成度高、设备占用的空间较小、控制结构连贯、对柴油发电机组的转速以及调速等要求较低、相对于传统船舶发电系统更加节省油耗。

附图说明

图1发电系统的电路结构示意图

图2船舶功率分配流程示意图

图1至图2中：发电机组1，断路器2，电流传感器3，整流功率模块4，直流电压传感器5，A/D采样模块6，子控制模块7，主控制模块8，熔断器9，直流母线10。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

如图1-2所示，基于直流组网发电系统的柴油发电机组，包括主控制模块和并列设置的至少两路分别与主控制模块相连接的发电电路，所有发电电路都与直流母线10相连接，每路发电电路包括柴油发电机组1，发电机组1与用于检测柴油发电机组产生的交流电的电流传感器3相连接，在发电机组1与电流传感器3间设有对柴油发电机组1的发电电路进行保护的断路器2。电流传感器3与整流功率模块4相连接，整流功率模块4通过两条电缆与所述直流母线10相连接，电缆上设有对所述直流母线10进行过载保护的熔断器9；整流功率模块4与A/D采样模块6相连接；A/D采样模块6通过总线与子控制模块7相互通信；电缆上外接设有用于检测整流后的直流电的直流电压传感器5，直流电压传感器5与A/D采样模块6相连接；主控制模块8与子控制模块7也通过总线相互通信。

如图2所示，以一路与主控制模块相连接的发电电路来进行说明，船舶发电系统的功率分配方法，其步骤如下：

(a)首先对柴油发电机组进行优先级设置，并且把各个柴油发电机组的功率参数输入进所述主控制模块8；

其中柴油机组D₁的优先级和功率为{1，P_1,L，P_1,H}，D₂的优先级和功率为{2，P_2,L，P_2,H}，…，D_i的优先级和功率为{i，P_i,L，P_i,H}；上述P_i,L为柴油发电机组的低速时的额定功率，P_i,H为柴油发电机组高速时的额定功率，发电机组所设定的优先级系数关系为1>2>...>i；

(b)发电系统工作，柴油发电机组1开始工作；产生的交流电通过所述整流功率模块4，设置整流功率模块4的整流参数使整流后的电压值保持在V_min～V_max内；V_min＝1050V，V_max＝1100V；主控制模块8按已设置的优先级1启动柴油发电机组D₁，D₁开始运行；柴油发电机组1产生交流电通过断路器2；

(c)电流传感器3读取由柴油发电机组D₁产生的交流电I_AC1，所述电压传感器5检测整流后的直流电压值V_DC1，I_AC1与V_DC1通过A/D采样模块6通过总线发送至子控制模块7，所述子控制模块7根据I_ACi与V_DCi计算出V_ACi,所述子控制模块再计算当前柴油发电机D_i的使用功率p_i：

(d)所述子控制模块7把计算得到的p₁发送至主控制模块8，主控制模块8通过使用功率p₁与额定功率P₁的比值对柴油发电机组的加减速及启停状态进行控制；

首先，主控制模块根据当前额定功率P_i与使用功率p_i的比值按下式计算出功率系数μ：

P_i为柴油发电机当前产生的额定功率，且当柴油发电机组以设定低速1200rpm低速运行时额定功率为P_i,L，当以设定高速1500rpm高速运行时额定功率为P_i,H，(柴油发电机低速值和高速值也可为其他设定数值)

当0.6≤μ<0.9时，柴油发电机组D₁保持当前运行状态，即柴油发电机组D₁可以满足当前的使用功率；

当船舶负载发生改变时，主控制模块会根据(1)式进行计算得到新的功率系数μ；

当μ>0.9时，主控制模块8判断D₁是否是高速运行，如果不是，则主控制模块8将控制柴油发电机组D₁高速运行；当D₁高速运行后，主控制模块8根据(1)式再次计算得到功率系数μ；若0.6≤μ<0.9则柴油发电机不再进行任何动作；如果任然μ>0.9，主控制模块8优先级启动下一台优先级最高的柴油发电机组D₂并且保持D₂低速运行；主控制模块8按照上述工作顺序控制柴油发电机组运行，直到满足0.6≤μ<0.9后停止柴油发电机组的加速或者启动；

当μ<0.6时，如果D_i高速运行，则所述主控制模块8按照优先级顺序将D_i低速运行；D_i降速后，主控制模块继续进行功率系数的计算，若满足0.6≤μ<0.9则柴油发电机组不进行任何动作；如果减速后的功率系数仍然为μ<0.6，主控制模块8控制柴油发电机组D_i停机；

D_i停机后，主控制模块8根据式(1)再次计算功率系数μ；并根据μ数值判断来控制柴油发电机组按上述减速和停机方式动作，直到满足0.6≤μ<0.9；

(e)当功率系数满足0.6≤μ_i<0.9后，每条电路上的子控制模块7对每组柴油发电机组的使用功率p进行粗调功率，使每路柴油发电机组的使用功率p'相差5％以内；

根据P-V下垂定理，整流后的直流电压范围在1050V～1100V内时电压与功率成线性关系，即直流电压为1050V时柴油发电机组满载，直流电压为1100V时柴油发电机组空载；

每条电路中的子控制模块7在读取电流值I_iAC后，根据计算当前柴油发电机组的使用功率p_i；每条电路中的子控制模块7读取整流后的直流电压V_iDC；

子控制模块7根据下式计算目标电压V'_iDC：

上式(2)中P_i为当前柴油发电机组的额定功率，V_min为直流电压的最小值，V_max直流电压的最大值，

当满足1050<V'_iDC<1100时，接着计算出待调电压值：V_i差＝V'_iDC-V_iDC；

子控制模块7对A/D采样模块6发送控制信号，A/D采样模块6接收信号后向整流功率模块发送PWM波；PWM波改变整流功率模块中IGBT晶体管的占空比以调节整流的直流电压值，从而调节使用功率；

A/D采样模块6每隔0.4ms对I_iAC与V_iDC进行采样，发送至子控制模块7，当使用功率发生变化时，不断进行上述调整，直至每路柴油发电机组的使用功率相差在5％以内；

(f)每条电路在完成功率粗调以后把粗调后的功率值p_i'通过总线发送至主控制模块8，主控制模块8对每条电路的p_i'值进行比较；如果相差大于2％，则主控制模块8进行功率精调，主控制模块8控制子控制模块7对该电路的直流电压在公式(2)的基础上进行微小升压或者降压，调整后的电压再由电压传感器5测得，子控制模块7再进行功率计算并且把功率传输至主控制模块8，直至每条电路的功率相差范围在2％以内。

上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种直流组网发电系统的柴油发电机组的功率分配方法，其中基于直流组网发电系统的柴油发电机组，包括主控制模块和并列设置的至少两路分别与主控制模块相连接的发电电路，所有发电电路都与直流母线相连接，每路发电电路包括柴油发电机组，发电机组与用于检测柴油发电机组产生的交流电的电流传感器相连接，电流传感器与整流功率模块相连接，整流功率模块通过铜排与所述直流母线相连接，铜排上设有对所述直流母线进行过载保护的熔断器；整流功率模块与A/D采样模块相连接；A/D采样模块通过总线与子控制模块相互通信；铜排上外接设有用于检测整流后的直流电的直流电压传感器，直流电压传感器与A/D采样模块相连接；主控制模块与子控制模块也通过总线相互通信；其功率分配方法步骤如下：

(a)首先对柴油发电机组进行优先级设置，并且把各个柴油发电机组的功率参数输入进所述主控制模块；

柴油机组D₁的优先级和功率为{1，P_1,L，P_1,H}，D₂的优先级和功率为{2，P_2,L，P_2,H}，…，D_i的优先级和功率为{i，P_i,L，P_i,H}；上述P_i,L为柴油发电机组的低速时的额定功率，P_i,H为柴油发电机组高速时的额定功率，发电机组所设定的优先级系数关系为1>2>...>i；

(b)发电系统工作，柴油发电机组开始工作；产生的交流电通过所述整流功率模块，设置整流功率模块的整流参数使整流后的电压值保持在V_min～V_max内；

主控制模块按已设置的优先级i启动柴油发电机组D_i，D_i开始运行；柴油发电机组产生交流电通过所述断路器；

(c)电流传感器读取由柴油发电机组D_i产生的交流电I_ACi，电压传感器检测整流后的直流电压值V_DCi，I_ACi与V_DCi通过A/D采样模块发送至子控制模块，所述子控制模块根据I_ACi与V_DCi计算出V_ACi,所述子控制模块再计算当前柴油发电机D_i的使用功率

(d)子控制模块把计算得到的p_i发送至主控制模块，主控制模块通过使用功率p_i与额定功率P_i的比值对柴油发电机组的加减速及启停状态进行控制；

主控制模块根据当前额定功率与使用功率的比值下式计算出功率系数μ：

P_i为柴油发电机当前产生的额定功率，且当柴油发电机组以设定低速运行时额定功率为P_i,L，当以设定高速运行时额定功率为P_i,H，

当μ_min≤μ<μ_max时，柴油发电机组D_i保持当前运行状态，即柴油发电机组D_i可以满足当前的使用功率；

当船舶负载发生改变时，主控制模块会根据(1)式进行计算得到新的功率系数μ；

当μ>μ_max时，主控制模块判断D_i是否是高速运行，如果不是，主控制模块将控制柴油发电机组D_i高速运行；当D_i高速运行后，主控制模块根据(1)式再次计算得到功率系数μ；若μ_min≤μ<μ_max则柴油发电机组不再进行任何动作；如果仍然μ>μ_max，主控制模块按优先级启动下一台优先级最高的柴油发电机组D_i+1并且保持D_i+1低速运行；主控制模块会按照上述工作顺序控制柴油发电机组运行，直到满足μ_min≤μ<μ_max后停止柴油发电机组的加速或者启动；

当μ<μ_min时，如果D_i高速运行则所述主控制模块按照优先级顺序将D_i低速运行，D_i降速后主控制模块继续进行功率系数的计算，若μ_min≤μ<μ_max则柴油发电机组不进行任何动作；如果减速后的功率系数μ<μ_min，主控制模块控制柴油发电机组D_i，使D_i停机；D_i停机后主控制模块根据式(1)计算功率系数μ；并根据μ数值判断来控制柴油发电机组按上述减速和停机方式动作，直到满足μ_min≤μ<μ_max；

(e)当功率系数满足μ_min≤μ_i<μ_max后，每条电路上的子控制对每条柴油发电机组的使用功率p_i进行粗调功率，功率粗调后每路柴油发电机组的使用功率p_i'相差a_粗以内；

每条电路中的子控制模块在读取电流值I_iAC后，根据计算当前柴油发电机组的使用功率p_i；每条电路中的子控制模块读取整流后的直流电压V_iDC；

所述子控制模块根据下式计算目标电压V'_iDC：

上式(2)中，P_i为当前柴油发电机组的额定功率，V_min为直流电压的最小值，V_max直流电压的最大值，且满足V_min<V'_iDC<V_max时,根据V_i差＝V'_iDC-V_iDC计算出待调电压值；

所述子控制模块对所述A/D采样模块发送控制信号，所述A/D采样模块接收所述子控制模块的信号后向所述整流功率模块发送PWM波；所述PWM波将改变整流功率模块中IGBT晶体管的占空比，通过改变占空比调节整流的直流电压值，从而调节使用功率；

A/D采样模块每隔0.4ms对I_iAC与V_iDC进行采样，发送至子控制模块，当使用功率发生变化时，不断进行上述步骤，直至每路柴油发电机组的功率相差在a_粗以内；

(f)每条电路在完成功率粗调以后把粗调后的功率值p_i'通过总线发送至主控制模块，主控制模块对每条电路的p_i'值进行比较；如果相差大于a_精，则主控制模块会进行功率精调；主控制模块控制子控制模块对该电路的直流电压在公式(2)的基础上进行微小升压或者降压，调整后的电压再由电压传感器测得，子控制模块再进行功率计算并且把功率传输至主控制模，直至每条电路的功率相差范围在a_精以内。

2.如权利要求1所述的基于直流组网发电系统的柴油发电机组的功率分配方法，其特征在于：所述基于直流组网发电系统的柴油发电机组还包括设置在发电机组与电流传感器间的对柴油发电机组的发电电路进行保护的断路器。