CN114336712B - Dp3船舶储能闭环电力系统及其储能电池组控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DP3船舶储能闭环电力系统及其储能电池组控制方法，数组大容量储能电池组分别通过DC/AC模块与变压器连接于不相邻的主配电板上，大容量储能电池组控制系统集成在船舶中控系统中，大容量储能电池组电力系统中进行电站功率削峰填谷以及吸收大功率负荷能量回馈。使大容量储能电池组在备用发电机组启动过程中进行高倍率放电以补充动力定位系统所需功率，防止动力定位失效；可在全船失电后系统快速重启过程中使大容量储能电池组为主要辅助设备供电，以缩短系统失电到恢复动力定位能力所需时间；利用大容量储能电池组对电站功率进行削峰填谷，动态地补充负荷所需功率及减少电站输出功率波动，多种工况下优化在网发电机数量。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制技术，特别涉及一种DP3船舶储能闭环电力系统及其储能电池组控制方法。
背景技术
动力定位系统包括动力系统、推进系统、动力定位控制系统以及独立的联合操纵杆系统。动力定位系统通过控制推进器的推力大小和方向使船舶在风、浪、流的影响下维持位置和艏向。
各主要船级社根据系统可靠性与设备冗余度的不同，授予具有动力定位系统的船舶不同的附加符号，对取得DP3符号的船舶的一般要求为，在任何单点故障下都不会发生位置丢失(Loss of Position，LOP)事故，包括由于失火或浸水而损失单个舱室。
取得DP3入级符号的船舶，其电力系统设计思路是构造一个由多个冗余组组成的分段式电力系统，每个冗余组包含1套主配电板、至少1套发电机组和推进器。各冗余组通过母联断路器相连。
DP3级动力定位船舶在进行动力定位作业时，电力系统一般在分段模式下运行，即将所有母联断路器分开，使各个冗余组互不影响。这样做的好处是，系统中出现单点故障时，至多导致一个冗余组退出运行，船舶将仍然具有足够的动力定位能力。更加节能环保的做法是使系统在闭环模式下运行，即闭合所有母联断路器，使电力系统形成环形网络，这样电力系统将可以根据负荷情况动态地调整在网发电机数量，以减少燃油消耗，降低碳排放。对于取得DP3入级符号的船舶，若其电力系统满足相关规范要求，可在动力定位工况下进入闭环模式运行，这样的电力系统称为DP3闭环电力系统。DP3闭环电力系统要求继电保护装置将短路故障准确、快速隔离，并设置冗余后备保护，以使得系统在短路故障情况下至多有一个冗余组退出运行。
目前越来越多的DP3级动力定位船舶采用闭环电力系统，虽然合理配置的系统保护可以将短路故障限制在故障冗余组内，而使其他非故障冗余组不受影响，但在切除故障可能造成短时间内的电站功率不足，在备用发电机组启动过程中，船舶的动力定位能力将会受到影响；另一方面，虽然DP3闭环电力系统均配置了发电机保护装置或其他相似功能的设备，一些隐藏故障仍然可能造成多个发电机组脱扣，甚至全船失电，在机组重新启动的过程中，船舶动力定位能力的暂时丢失可能带来严重的经济损失甚至人员伤害。
发明内容
针对DP3船舶闭环电力系统故障处理时动力定位能力长时间受影响的问题，提出了一种DP3船舶储能闭环电力系统及其储能电池组控制方法，解决现有DP3闭环电力系统可能出现的故障切除导致动力定位能力短时不足或全船失电导致动力定位能力短时丢失的问题。
本发明的技术方案为：一种DP3船舶储能闭环电力系统，数组大容量储能电池组分别通过DC/AC模块与变压器连接于不相邻的主配电板上，大容量储能电池组控制系统集成在船舶中控系统中，大容量储能电池组电力系统中进行电站功率削峰填谷以及吸收大功率负荷能量回馈。
所述DP3船舶储能闭环电力系统的储能电池组控制方法，动力定位工况下，大容量储能电池组在网进行削峰填谷及大功率负载能量吸收的具体控制步骤如下：
1)根据电力系统负荷计算，确定大容量储能电池组在系统动力定位工况下的充电、放电功率上限；
2)计算需由大容量储能电池组吸收的大功率负载最大能量回馈；
3)根据系统故障到恢复过程中需由大容量储能电池组经高倍率放电所提供的能量最大值；
4)通过步骤2)、3)得到电池组在系统稳态工作状态下的SOC区间；
5)大功率负载进行能量回馈时，控制系统对回馈功率进行预测并确认大容量储能电池组具备条件后，中止削峰填谷操作，使电池组进行能量吸收；
6)能量回馈结束后，若大容量储能电池组SOC超过削峰填谷工作区间上限，此时电池组将不再充电，仅放电操作，直到电池组SOC进入削峰填谷工作区间。
进一步，在电力系统重新启动的过程中，中控系统判断全船失电；中控系统确认大容量储能电池组状态就绪后，使电池组进入高倍率放电状态，依次通过电池组、压主配电板、低压配电板、辅助系统电能传输路径为辅助系统供电，中控系统开始控制整个电力系统的重新启动；发电机组并网运行后，大容量储能电池组逐步退出高倍率放电状态；大容量储能电池组不会自动进入削峰填谷工作状态，系统稳定运行后由操作人员进行手动切换大容量储能电池组工作状态。
进一步，系统故障引起一台发电机或一段母排被切除，在备用机组启动过程中，大容量储能电池组将根据动力定位系统功率需求进行高倍率放电以补充动力定位系统所需功率，具体控制步骤：中控系统接收到配电板综保装置反馈的“保护动作于发电机断路器跳闸”或“保护动作于母联开关跳闸”信号；中控系统计算此时的电站功率缺口，在确认大容量储能电池组状态就绪后，使电池组由“削峰填谷”状态进入“高倍率放电”状态，动态地补充负荷所需功率；中控系统发出“备用机组启动”命令，备用发电机组启动；启动完成、建立电压后，使备用发电机组并网，大容量储能电池组逐步减小输出功率；大容量储能电池组热备用功能完成后，若电池组SOC低于削峰填谷工作区间下限，此时电池组将不再进行放电操作，直到电池组SOC进入削峰填谷工作区间。
本发明的有益效果在于：本发明DP3船舶储能闭环电力系统及其储能电池组控制方法，使大容量储能电池组在备用发电机组启动过程中进行高倍率放电以补充动力定位系统所需功率，防止动力定位失效；可在全船失电后系统快速重启过程中使大容量储能电池组为主要辅助设备供电，维持辅助设备运行状态，以缩短系统失电到恢复动力定位能力所需时间；利用大容量储能电池组对电站功率进行削峰填谷，动态地补充负荷所需功率及减少电站输出功率波动，可在多种工况下优化在网发电机数量；利用大容量储能电池组对大功率负载(如钻井设备)进行能量回馈吸收，在有助于提高船舶运行经济效益，减少碳排放的同时，可免于为一些船用大功率负载安装大功率制动电阻；本发明技术方案适用于690V、6.6kV、11kV等电压等级的船舶电力系统，具有通用性。
附图说明
图1为本发明DP3储能闭环电力系统的一个实施例图；
图2为本发明大容量储能电池组削峰填谷与能量回馈吸收控制方法流程图；
图3为本发明大容量储能电池组动力定位工况充放电功率上限计算方法示意图；
图4为本发明全船失电后的动力定位能力快速恢复功能及此时的大容量电池组控制方法流程图；
图5为本发明大容量储能电池组热备用控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示DP3储能闭环电力系统的一个实施例图。电力系统由4个冗余组构成，各冗余组之间通过主从母联断路器相连接。每个冗余组包含2套6MW柴油发电机组G、1套11kV主配电板、2台5.3MVA移相变压器、2套4.4MW变频驱动系统、1台3.9MVA日用变压器。2组1900kWh大容量储能电池组分别通过DC/AC模块与变压器连接于两套不相邻的主配电板。
每组1900kWh大容量储能电池组由8簇电池簇并联组成。每组电池组最大放电倍率3C，最大放电功率4.8MW。大容量储能电池组控制系统集成在船舶中控系统中。DP3储能闭环电力系统低压侧含4MW液压钻井系统，此钻井系统不配置大功率制动电阻，其产生的能量回馈由大容量储能电池组吸收。
动力定位工况下，母联开关闭合，电力系统形成环网。4台发电机组在网运行，并可根据负荷需求进行在网机组数量调整，其余发电机组作为备用。大容量电池组在网进行电站功率削峰填谷以及吸收大功率负荷能量回馈。
下面结合附图2对大容量储能电池组削峰填谷与能量回馈吸收功能及控制方法进行说明。
动力定位工况下，大容量储能电池组在网进行削峰填谷及大功率负载能量吸收，此时的大容量储能电池组控制策略为：
(1)根据电力系统负荷计算，确定大容量储能电池组在系统动力定位工况下的充电、放电功率上限；下面结合附图3对储能电池组在动力定位工况下的充、放电功率上限确定方法：
图3所示柱状图为各动力定位工况下的系统总功率与电站经济运行功率的关系，柱状图纵坐标为负荷，横坐标为各动力定位工况。电力系统负荷计算提供的各动力定位工况下的系统总功率与在网运行发电机组数量在图中以实线柱形表示，各工况对应的电站经济运行功率在图中以虚线柱形表示，本实施例中以发电机组经济运行效率为80％进行说明。
各工况实际负荷功率与对应电站经济运行功率之间存在一定差距，对于工况1、2、4，实际负荷功率高于对应电站经济运行功率，此时储能电池可补充电站运行功率，使各机组运行在更高效的功率下，储能电池在系统动力定位工况下的放电功率应能尽量达到ΔP1，ΔP2，ΔP4中的最大值，设为Pd；对于工况3，实际负荷功率低于对应电站经济运行功率，此时储能电池可进行充电操作，提高各机组运行效率，储能电池在系统动力定位工况下的充电功率应能尽量达到ΔP3，设为Pc。
同时，考虑储能电池寿命需满足要求，储能电池放电功率不应高于电芯供应商提供的放电功率最大值Pd'，充电功率不应高于电芯供应商提供的充电功率最大值Pc'。因此，若Pd<Pd'，可取介于两者之间的功率作为储能电池放电功率上限，否则取Pd'为放电功率上限；充电功率上限确认方法同理。
(2)计算需由大容量储能电池组吸收的大功率负载最大能量回馈PLM。设电芯供应商提供的储能电池推荐SOC范围为20％—80％，储能电池在网运行时，其SOC应满足
PLM<(0.8-SOC)×E×3.6×106
其中，E为在网运行的储能电池组额定电量，单位为kWh；以此确定大容量储能电池组在网运行时的SOC上限；
(3)根据系统故障——恢复过程中需由大容量储能电池组经高倍率放电所提供的能量最大值PFM(同时考虑单机组故障与全船失电重新启动两种故障情况所需的最大能量)，确定大容量储能电池组在网运行时的SOC下限，计算方法为：PFM<(SOC-0.2)×E×3.6×106；
(4)通过步骤(2)、(3)得到电池组在系统稳态工作状态下的SOC区间。
(5)当大功率负载进行能量回馈时，控制系统对回馈功率进行预测并确认大容量储能电池组具备条件后，中止削峰填谷操作，使电池组进行能量吸收。若此时电池组不满足能量吸收条件，则使能量向系统回馈，此时在网发电机组需具备吸收回馈能量的能力。
在网发电机组需具备吸收回馈能量的能力指机组转动惯量的设计与PMS控制逻辑的设计需考虑短时能量回馈的情况，确保此过程中频率稳定。
(6)能量回馈结束后，若大容量储能电池组SOC超过削峰填谷工作区间上限，此时电池组将不再充电，仅放电操作，直到电池组SOC进入削峰填谷工作区间。
下面结合本实施例对全船失电后的动力定位能力快速恢复功能及此时的大容量电池组控制方法进行说明，图3所示为本实施例全船失电后的动力定位能力快速恢复功能及大容量电池组控制方法流程图。
当DP3闭环电力系统发生严重故障或一些突发事故时，可能出现全船失电的情况。现有DP3闭环电力系统在全船失电后将在中控系统的控制下逐步从发电机至推进系统恢复供电，并最终恢复动力定位能力。
本实施例中，在全船失电后，大容量储能电池组将首先进行高倍率放电以使动力定位辅助系统(包括燃油系统、滑油系统、冷却系统、通风系统等)在全船失电后维持或快速恢复运行状态，从而减少主要动力定位系统设备启动时间，加快船舶动力定位能力恢复。一些极端故障可能导致两组连接于不同配电板的大容量储能电池组都无法正常工作，这种情况不在本发明讨论范围内。
在电力系统重新启动的过程中，大容量储能电池组的控制策略为：
(1)中控系统(此时由UPS供电)判断全船失电；
(2)中控系统确认大容量储能电池组状态就绪后，使电池组进入“高倍率放电”状态，通过电池组——中压主配电板——低压配电板——辅助系统这一电能传输路径为辅助系统供电，最高放电倍率为3C。同时，中控系统开始控制整个电力系统的重新启动。
(3)发电机组并网运行后，大容量储能电池组逐步退出高倍率放电状态。
(4)电池组不会自动进入削峰填谷工作状态，需要系统稳定运行后由操作人员进行手动切换大容量储能电池组工作状态。
下面结合附图对大容量储能电池组热备用功能及控制方法进行说明，图4所示为本实施例大容量储能电池组热备用控制方法。
现有DP3闭环电力系统中发生单点故障时，其保护系统将通过快速切除故障支路或切除故障母线(配电板)实现故障隔离。若故障引起一台发电机或一段母排被切除，在备用发电机组启动过程中，将可能出现动力定位系统功率不足的情况。
本实施例中，若系统故障引起一台发电机或一段母排被切除，在备用机组启动过程中，大容量储能电池组将根据动力定位系统功率需求进行高倍率放电以补充动力定位系统所需功率，此时的大容量储能电池组控制策略为：
(1)中控系统接收到配电板综保装置反馈的“保护动作于发电机断路器跳闸”或“保护动作于母联开关跳闸”信号；
(2)中控系统计算此时的电站功率缺口，在确认大容量储能电池组状态就绪后(此时至少应有一组电池组未被保护系统切除)，使电池组由“削峰填谷”状态进入“高倍率放电”状态，动态地补充负荷所需功率，最高放电倍率为3C；
(3)中控系统发出“备用机组启动”命令，备用发电机组启动。
(4)启动完成、建立电压后，使备用发电机组并网，大容量储能电池组逐步减小输出功率。
(5)大容量储能电池组热备用功能完成后，若电池组SOC低于削峰填谷工作区间下限，此时电池组将不再进行放电操作，直到电池组SOC进入削峰填谷工作区间。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种DP3船舶储能闭环电力系统的储能电池组控制方法，数组大容量储能电池组分别通过DC/AC模块与变压器连接于不相邻的主配电板上，大容量储能电池组控制系统集成在船舶中控系统中，大容量储能电池组电力系统中进行电站功率削峰填谷以及吸收大功率负荷能量回馈；其特征在于，动力定位工况下，大容量储能电池组在网进行削峰填谷及大功率负载能量吸收的具体控制步骤如下：
1)根据电力系统负荷计算，确定大容量储能电池组在系统动力定位工况下的充电、放电功率上限；
2)计算需由大容量储能电池组吸收的大功率负载最大能量回馈；
3)根据系统故障到恢复过程中需由大容量储能电池组经高倍率放电所提供的能量最大值；
4)通过步骤2)、3)得到电池组在系统稳态工作状态下的SOC区间；
5)大功率负载进行能量回馈时，控制系统对回馈功率进行预测并确认大容量储能电池组具备条件后，中止削峰填谷操作，使电池组进行能量吸收；
6)能量回馈结束后，若大容量储能电池组SOC超过削峰填谷工作区间上限，此时电池组将不再充电，仅放电操作，直到电池组SOC进入削峰填谷工作区间。
2.根据权利要求1所述DP3船舶储能闭环电力系统的储能电池组控制方法，其特征在于，在电力系统重新启动的过程中，中控系统判断全船失电；中控系统确认大容量储能电池组状态就绪后，使电池组进入高倍率放电状态，依次通过电池组、压主配电板、低压配电板、辅助系统电能传输路径为辅助系统供电，中控系统开始控制整个电力系统的重新启动；发电机组并网运行后，大容量储能电池组逐步退出高倍率放电状态；大容量储能电池组不会自动进入削峰填谷工作状态，系统稳定运行后由操作人员进行手动切换大容量储能电池组工作状态。
3.根据权利要求1所述DP3船舶储能闭环电力系统的储能电池组控制方法，其特征在于，系统故障引起一台发电机或一段母排被切除，在备用机组启动过程中，大容量储能电池组将根据动力定位系统功率需求进行高倍率放电以补充动力定位系统所需功率，具体控制步骤：中控系统接收到配电板综保装置反馈的“保护动作于发电机断路器跳闸”或“保护动作于母联开关跳闸”信号；中控系统计算此时的电站功率缺口，在确认大容量储能电池组状态就绪后，使电池组由“削峰填谷”状态进入“高倍率放电”状态，动态地补充负荷所需功率；
中控系统发出“备用机组启动”命令，备用发电机组启动；启动完成、建立电压后，使备用发电机组并网，大容量储能电池组逐步减小输出功率；大容量储能电池组热备用功能完成后，若电池组SOC低于削峰填谷工作区间下限，此时电池组将不再进行放电操作，直到电池组SOC进入削峰填谷工作区间。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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