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考虑电动机起动的正弦波逆变电源舰船直流区域配电系统预防控制方法

根据舰船综合电力系统(IPS)采用直流区域配电的新特点,针对电动机起动带来的舰船用正弦波逆变电源过载问题,在电动机安全起动的前提下,以最小化开关操作代价为目标,分别建立负荷一次转供模型和负荷二次转供模型。 
然后,通过比较不同工况下直流区域配电系统(DC-ZEDS)的负荷量与负荷转供最大供电能力(TSC)模型给出的安全边界之间的大小关系,同时,考虑负荷优先级的不同,给出了DC-ZEDS的重载询问流程。最后,针对不同工况下的负荷分布情况,提出相应的预防控制策略,解决了因电动机起动可能造成的舰船用正弦波逆变电源过载问题,并最大限度地避免了切负荷操作。 
舰船综合电力系统(Integrated Power System, IPS)是运用大功率电能变换、电力集成、智能控制等高新技术,实现全舰能源综合利用的一种新型动力系统[1]。相对陆地电力系统而言,综合电力系统具有有限的发电量和惯性,包含大比例的动态负荷和非线性负荷,故需要对综合电力系统进行有效的能量管理[2]。 
作为独立微电网系统的典型结构形式,陆用微电网的能量管理研究较为普遍[3-10],而舰船IPS的能量管理研究相对较少,已有的IPS能量管理研究主要包括以性能优化为目标的预防性能量管理和以故障恢复为目标的恢复性能量管理[2,11]。
基于不同的目标函数和控制变量,IPS预防性能量管理研究主要集中在发电量调度[12]、电压/无功控制[13,14]和负荷管理[15-19]等方面。文献[12]将船舶电力系统的最优发电调度问题表示为一个离散时间马尔可夫决策过程,以减少长期平均油耗为目标,通过动态规划算法获取最优调度解。
文献[13]研究出一种使用交流发电机的新型控制系统,通过控制AC-DC整流器接口连接发电机和综合电力系统,来改进中压直流稳态电压控制。文献[14]提出了一种新的基于人工免疫系统的自适应控制策略在全电船配电静止同步补偿器中的应用,该策略在Matlab/Simulink平台得到证明,并通过实时数字仿真系统中舰船电力系统的实时操作,对数字信号处理器的控制算法进行了验证。 
文献[15]基于简化的IPS模型提出了考虑系统约束的动态负荷管理方法,将问题描述为最大化电力负荷的动态优化问题,按负荷优先级进行投切控制。文献[16]采用多代理系统协同控制协议来解决实时负荷管理问题,通过动态代理建模将IPS划分为较小的子系统模型,提出了三种划分代理方案,比较了其优缺点。 
文献[17]提出了一种高/中压IPS的多代理系统方法,通过协调一组代理来实现实时负荷管理目标,其中,发电机代理层和负荷代理层集成了一群发电机、推进负荷和直流区域负荷,协调控制协议基于人工势能函数来实时实现群目标。 
文献[18]通过多代理系统实时负荷管理技术对直流区域负荷开关状态进行优化,协调控制协议的开发基于降阶代理模型和多代理系统的人工势能函数,并以最大化电力负荷为目标,通过PSCAD/EMTDC验证了其可行性。 
文献[19]考虑系统运行约束和负荷优先级,将多代理系统协调控制器用来平衡全电船中压交流系统的负荷与发电量,并协调脉冲负荷和推进负荷以减小脉冲负荷变化对电能质量的影响,通过PSCAD软件进行了性能评估。
 上述研究均围绕系统性能优化,而并未考虑电动机负载或脉冲负载等特殊负载投入带来的安全隐患。随着舰船综合电力系统的迅猛发展,为舰船日用负载提供高效可靠电能的直流区域配电系统(Direct CurrentZonal Electric Distribution System, DC-ZEDS)[20]成为配电方式的首选,其新结构、新装置、新模式对系统运行安全与控制提出了新课题。 
根据某系统DC-ZEDS中舰船用正弦波逆变电源全压起动电动机的实验结果可知,电动机的起动电流瞬间达到额定电流的8倍左右,而公共连接点电压跌落幅值相对较小,即瞬时电流过大造成的压降问题不再是主要问题,而需要考虑的是电动机起动可能带来的舰船用正弦波逆变电源过载问题。 
若不采取任何措施直接进行电动机硬起动,对舰船用正弦波逆变电源的使用寿命将会造成难以预计的损失,在工程应用中是不可行的;若依靠保护系统进行管控,可能会造成舰船用正弦波逆变电源退出运行,而导致电动机起动失败和舰船用正弦波逆变电源所带负荷全部失电;若采取切负荷措施,将造成区域内部分负荷失电,严重情况下可能会影响舰船的正常运行。
根据某系统的研制要求,在不超过25%额定负载情况下,DC-ZEDS中舰船用正弦波逆变电源具有全压起动容量不超过100kW三相异步电动机的能力,然而,在实际运行中,舰船用正弦波逆变电源负荷率很可能超过额定容量的25%,为了避免舰船用正弦波逆变电源因过载导致保护动作而退出运行,需对超出比例的负荷进行相应的转移,保证电动机起动时舰船用正弦波逆变电源的安全运行。
图1  舰船直流区域配电系统模型
考虑电动机起动的正弦波逆变电源舰船直流区域配电系统预防控制方法
 
结论
本文围绕舰船综合电力系统DC-ZEDS的预防性能量管理研究,针对电动机起动带来的舰船用正弦波逆变电源过载问题,在舰船用正弦波逆变电源正常运行和电动机安全起动的前提下,以最小化开关操作代价为目的,根据基于舰船用正弦波逆变电源负荷率的DC-ZEDS负荷一次转供TSC模型和负荷二次转供TSC模型分别建立了相应的负荷转供模型。
由于不同工况下DC-ZEDS的负荷量不同,而电动机起动时所需转带的负荷量亦随之变化,故需要分别比较不同工况与一次转供和二次转供TSC模型提供的安全边界之间的大小关系,并进一步考虑负荷优先级的不同,给出了DC-ZEDS的重载询问流程,最后,针对算例中四种工况下的负荷分布情况,给出了相应的开关动作策略,以最小的开关操作代价,实现了电动机的安全起动和舰船用正弦波逆变电源的正常运行,并最大限度地避免了切负荷操作。
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