基於在線可用功率的動力定位船推進器負載限制方法

2023-09-12 19:01:45

專利名稱：：基於在線可用功率的動力定位船推進器負載限制方法
技術領域：
：本發明涉及的是ー種動カ定位船推進器的控制方法，具體地說是ー種動カ定位船推進器的實時負載限制方法。
背景技術：
：當今社會能源日益緊缺，向浩瀚的海洋要石油、天然氣已經成為各個國家解決能源問題的重要途徑之一。配備了先進動カ定位系統的動力定位船是海上資源勘探和採集的主要裝置。動カ定位船係指僅用推進器的推力自動保持其自身船位(固定的位置或預先確定的航跡)和艏向的船舶。不同於陸地上的作業，動カ定位船的海上作業可能遭遇風、浪、流等惡劣的エ況。動カ定位系統通過測量子系統測得的環境信息反饋信號來控制推進器系統主動抵抗風、浪、流等環境因素對動カ定位船的作用力，使動カ定位船能夠保持在固定的位置或預設的軌跡上。動カ定位船經常作業在惡劣的工作環境下，為了能抵消惡劣エ況下環境力的影響，推進器負載安裝容量一般都較大，幾乎佔全船總電カ負荷的80%以上，同時推進負載的波動性很大。隨著遠海資源開發的深入，為了保障動カ定位作業安全和人民生命財產安全、動力定位船的安全供電以及推進器的正常工作，動カ定位控制器必須考慮推進器負載限制計算。由於惡劣エ況下推進器可能遭受到嚴重的推力和轉矩損失，同時全船電カ系統中其他負載的重大變化也會對整個電網造成較大的衝擊，因此動カ定位推力分配算法除了考慮推進器推力分配的諸多約束條件，如磨損、推力誤差、油耗、推進器的推力極限等，還應考慮推進器負載限制計算，從而保證推進器的平滑波動和電站系統安全正常工作。較高等級的動力定位船都裝有電站管理系統，全電推進船的電站管理系統能夠對全船的發電機組和負載進行集中管理，包括發電機組啟停、重載啟動詢問，過負荷分級卸載等功能，以使得電站的油耗最少、維護保養費用最低。但針對船舶動カ定位作業這ー特殊エ況應該在每個推進器的電機驅動就地控制器中考慮到對推進器的過載保護策略，且如果動力定位船正處於惡劣エ況下的動カ定位作業時，在功率管理系統啟動備用發電機期間內，電カ系統可用功率嚴重不足，推進負載快速變動容易造成電カ系統停電故障。因此，針對惡劣エ況下的動カ定位作業，必須對推進器負載實施過載限制保護。單純依賴電站管理系統將推進負載從配電板上切除來防止全船停電，那麼對動カ定位作業所造成的影響是極大的，更合理的策略是動カ定位系統暫時犧牲定位的準確度，對推進器負載進行整體均勻限制來給電カ系統提供緩衝時間，以整個電カ系統的在線可用功率為參照量對每個推進器的負載進行實時的動態限制是解決這ー問題必要的手段。
發明內容本發明的目的在於提供ー種以整個電カ系統的在線可用功率為參照量對每個推進器的負載進行實時的動態限制，以保護推進器不過載和防止整個電カ推進系統發生停電故障的基於在線可用功率的動カ定位船推進器負載限制方法。本發明的目的是這樣實現的(I)獲取動力定位船的參數，所述參數主要包括螺旋槳半徑尺寸、發電機額定功率、推進器額定功率；(2)測量信息包的拆解，由動カ定位控制器每隔固定時間經乙太網從發電機、匯流排、推進器驅動器的就地控制站收集推進負載限制所需的輸入信息，由於在採集動カ定位系統各種數據時是按照預先設定的數據格式定義測量數據包的，因此需要按照定義格式進行解包，得到以下主要信息量I)母線聯接斷路器(BusCurrentBreaker,BCB)的閉合斷開狀態(0/1開關量)；2)發電機聯接斷路器(GeneratorCurrentBreaker,GCB)處的實時線電壓和線電流以及發電機的功率因素；3)推進器聯接斷路器(ThrusterCurrentBreaker,TCB)的閉合斷開狀態(0/1開關量);4)推進器聯接斷路器處的實時線電壓和線電流以及功率因素；5)海浪傳感器需要採集到海浪波幅值與推力損失因素估計相關的參數；(3)獨立供電分區的確定，即由母線連接斷路器的狀態確定當前中壓配電板獨立配電的拓撲分區；如果所有母線聯接斷路器皆閉合，則為ー個整體分區；如果艙室間的母線聯接斷路器斷開，則是配電艙室間分別獨立供電；可用功率計算以及推進器負載限制算法的實施是對每個供電分區單獨進行的，因此分區是該算法實施的首要條件。(4)對每個獨立分區進行在線可用功率的計算，首先由確定分區內的發電機是否在線以及是否已經分配負載，然後計算該分區的在線可用功率；(5)計算每個推進器的實時負載，並由數字濾波算法對計算後的推進器實時負荷功率進行濾波處理，最後計算出整個分區內所有推進負載的總負荷功率；(6)根據(I)和(2)中獲得的螺旋槳推力損失因素相關參數計算，同樣對螺旋槳推力損失因素由數字濾波器進行濾波處理；(7)推進器負載限制權重的選取，推進器負載限制權重描述的是推進器負載限制時，推進器負載限制份額在可用功率補償中所佔的比重，為了安全起見一般取I;(8)計算分區內推進器整體限載係數，並依照推力分配時每個推進器抵禦環境カ的重要性對每個推進器的限載係數進行優化，並由此計算出每個推進器負荷的限制值；(9)根據推力損失因素對每個推進器負荷的限制值進行修正，計算修正後的推進器負荷的限制值；(10)計算經過負荷限制後的每個推進器的轉速和轉矩給定值，並交給動カ定位控制器組裝成控制指令數據包，經エ業乙太網發送至就地控制站，產生對推進器負載的限制作用。本發明通過對整個電カ推進系統的在線可用功率計算，以及對推進器的實時負載計算和濾波處理，實時限制推進器的推力給定，以達到保護推進器不過載和防止整個電カ推進系統發生停電故障的目的。本發明與動カ定位船電站功率管理系統技術相對比具有以下創新點I.將全船電站功率管理與動カ定位技術實際需要相結合，發現了電站功率管理系統與動力定位控制器，在可用功率不足時，兩者之間的配合存在著後者給定值過大而前者卻沒有足夠可用功率的問題。2.根據電站的可用功率與推進系統的實時功率，依照優化的限載係數對動カ定位控制器的輸出進行限制，可以有效的解決I所述的問題，且限載迅速，限載效果較好。本發明的優點主要體現在將全船電站功率管理與動カ定位技術實際需要相結合，將電站的可用功率與推進系統的實時功率依照優化的限載係數對動カ定位控制器的輸出進行限制，提高了動カ定位系統運行的安全性，減少了因為推進器過載而發電機啟動不及時造成的全船停電故障，彌補了電站管理系統針對動カ定位系統作業的不足。圖I基於在線可用功率的推進器負載限制算法流程圖。圖2動カ定位船中壓配電板單線圖。圖3螺旋槳推力損失因素計算相關幾何尺寸示意圖。圖4環境因素的設置。圖5未採用基於在線可用功率的推進器負載限制算法時過載監控界面圖。圖6未採用基於在線可用功率的推進器負載限制算法時分區負荷功率曲線。圖7採用基於在線可用功率的推進器負載限制算法後過載監控界面圖。圖8採用基於在線可用功率的推進器負載限制算法後分區負荷功率曲線。具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明作進ー步說明。推進器的實時負載進行限制保護的方法中配電板的分區是根據中壓配電板母線聯接斷路器的斷開/閉合狀態進行劃分的，在動カ定位船進行高安全等級要求的動カ定位作業時，通常要求所有配電母線聯接成環網整體供電，但實際可能由於突發狀況使得中壓配電板母線聯接斷路器的斷開/閉合狀態不同而將配電板劃分成多個不同的供電分區，在計算在線可用功率和限制推進器負載時應該按照每個實時的供電分區進行。如圖2為中壓配電板採用雙母線2分段環網供電方式的動カ定位船，圖中TCB1-TCB10分別作為主推進器電機MPM(MainPropellerMotor)、尾部槽道推進器電機STM(SternTunnelThrusterMotor)、全迴轉推進器電機RTM(RetractableThrusterMotor)艏部推進器電機BTM(BowTunnelThrusterMotor)的聯接斷路器。如果BCB1、BCB2、BCB3、BCB4、BCB5、BCB6皆閉合則為ー個整體分區；如果BCB1、BCB2閉合，其餘斷開，則是兩個配電艙室分別獨立供電，有兩個分區。還有很多其他組合狀況，計算在線可用功率的時候應該注意考慮其分區狀況。推進器的實時負載進行限制保護的方法中在進行在線可用功率計算前，先分析發電機組故障瞬態。假設在ー個獨立的配電分區內某時刻有k臺發電機在線，其中Nf臺突然故障，斷路器脫扣，此時剰餘的在線發電機的負荷波動總量為AP,an(k,Nf)=^Pgf(k,Nf)(I)其中Pgf是指故障發電機故障前所帯的實際負荷；為了增加安全性能，往往將每臺故障發電機所帶負荷量看成與所有在線發電機組中帶最大負荷的發電機所帶的負荷量相當，即取權利要求1.基於在線可用功率的動カ定位船推進器負載限制方法，其特徵是(1)獲取動力定位船的參數，所述參數主要包括螺旋槳半徑尺寸、發電機額定功率、推進器額定功率；(2)測量信息包的拆解，由動カ定位控制器每隔固定時間經乙太網從發電機、匯流排、推進器驅動器的就地控制站收集推進負載限制所需的輸入信息，按照定義格式進行解包，得到以下主要信息量.1)母線聯接斷路器的閉合斷開狀態；.2)發電機聯接斷路器處的實時線電壓和線電流以及發電機的功率因素；.3)推進器聯接斷路器的閉合斷開狀態；.4)推進器聯接斷路器處的實時線電壓和線電流以及功率因素；.5)海浪傳感器需要採集到海浪波幅值與推力損失因素估計相關的參數；(3)獨立供電分區的確定，即由母線連接斷路器的狀態確定當前中壓配電板獨立配電的拓撲分區；如果所有母線聯接斷路器皆閉合，則為ー個整體分區；如果艙室間的母線聯接斷路器斷開，則是配電艙室間分別獨立供電；(4)對每個獨立分區進行在線可用功率的計算，首先由確定分區內的發電機是否在線以及是否已經分配負載，然後計算該分區的在線可用功率；(5)計算每個推進器的實時負載，並由數字濾波算法對計算後的推進器實時負荷功率進行濾波處理，最後計算出整個分區內所有推進負載的總負荷功率；(6)根據(I)和(2)中獲得的螺旋槳推力損失因素相關參數計算，同樣對螺旋槳推力損失因素由數字濾波器進行濾波處理；(7)推進器負載限制權重的選取；(8)計算分區內推進器整體限載係數，並依照推力分配時每個推進器抵禦環境カ的重要性對每個推進器的限載係數進行優化，並由此計算出每個推進器負荷的限制值；(9)根據推力損失因素對每個推進器負荷的限制值進行修正，計算修正後的推進器負荷的限制值；(10)計算經過負荷限制後的每個推進器的轉速和轉矩給定值，並交給動カ定位控制器組裝成控制指令數據包，經エ業乙太網發送至就地控制站，產生對推進器負載的限制作用。2.根據權利要求I所述的基於在線可用功率的動カ定位船推進器負載限制方法，其特徵是所述對每個獨立分區進行在線可用功率的計算的方法為設在ー個獨立的配電分區內某時刻有k臺發電機在線，其中Nf臺突然故障，此時剩餘的在線發電機的負荷波動總量為HNハニYPスk，Nハ其中Pgf是指故障發電機故障前所帯的實際負荷；將每臺故障發電機所帶負荷量看成與所有在線發電機組中帶最大負荷的發電機所帶的負荷量相當，即取P(ん)=max(/；,(/)),/=[1，k]每臺在線發電機根據其轉動慣性承擔相應比例的負荷，設所有在線發電機組完全同步，且慣性時間常數為Hi,額定功率為Pngi，則發生故障時剩餘的在線發電機每臺所承受的負荷波動大小為3.根據權利要求2所述的基於在線可用功率的動カ定位船推進器負載限制方法，其特徵是以發電機的額定功率來計算可用功率容量的，具體計算公式為4.根據權利要求1、2或3所述的基於在線可用功率的動カ定位船推進器負載限制方法，其特徵是將推進負載功率限制值由直接負載限制法分配到每ー個推進器，即直接按照限載比例係數直接對推進器進行限載控制，即在分區內所有在線推進器控制器的給定端乘以限載係數{ーニし「ム^ー是採用基於在線可用功率的推進器負載限制算法限制後的推進器負荷值；Pth是推進負載。5.根據權利要求1、2或3所述的基於在線可用功率的動カ定位船推進器負載限制方法，其特徵是將推進負載功率限制值由間接限制法分配到每ー個推進器，即通過動カ定位控制器將限載係數根據動カ定位需要進行合理優化後的限載係數，上，全文摘要本發明提供的是一種基於在線可用功率的動力定位船推進器負載限制方法。通過實時考察動力定位船電力推進系統配電板的分區狀況，計算分區內在線發電機組的可用功率和推進器的實時負荷功率，並設計數字濾波器進行濾波，由此計算每個推進器的限載因子，以及在下一控制周期內每個推進器給定推力必須滿足的功率上限值，最後將功率上限值折算到推進器的給定轉速和轉矩上限值，以達到防止推進器過載和電力推進系統過載造成全船停電故障的目的。本發明將電站的可用功率與推進系統的實時功率依照優化的限載係數對動力定位控制器的輸出進行限制，提高了運行的安全性，減少了因為推進器過載而發電機啟動不及時造成的全船停電故障，彌補了電站管理系統的不足。文檔編號H02J3/14GK102689685SQ201210177458公開日2012年9月26日申請日期2012年6月1日優先權日2012年6月1日發明者付明玉,劉建旭,夏俊明,寧繼鵬,林孝工申請人:哈爾濱工程大學