船舶永磁同步電機(jī)的嵌入式節(jié)能調(diào)度方法研究

劉桂濤，李志敏，郭海如（湖北工程學(xué)院 計算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000）

船舶永磁同步電機(jī)的嵌入式節(jié)能調(diào)度方法研究

劉桂濤，李志敏，郭海如
（湖北工程學(xué)院 計算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 孝感 432000）

嵌入式調(diào)度方法因船舶永磁同步電機(jī)存在電壓波動性，導(dǎo)致總能耗較高。為此。提出一種基于分階段的船舶永磁同步電機(jī)節(jié)能調(diào)度方法。該方法先對嵌入式船舶永磁同步電機(jī)的耗量特征進(jìn)行排序并構(gòu)建等微增率基準(zhǔn)，將微增率基準(zhǔn)與最優(yōu)潮流相結(jié)合，對約束條件進(jìn)行有效處理并降低系統(tǒng)電機(jī)能耗，在滿足限制基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行船舶永磁同步電機(jī)的嵌入式節(jié)能調(diào)度的全局最優(yōu)解。實驗結(jié)果表明，該算法最大限度地減少了發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)量，保障了艦船機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

船舶永磁同步電機(jī)；嵌入式；節(jié)能調(diào)度

0　引 言

隨著全球范圍內(nèi)的能源緊缺，油價每年不斷的大幅上揚(yáng)［1］。船舶作為交通運(yùn)輸中運(yùn)量相對較大的運(yùn)輸工具，其能耗問題也越來越突出［2］。其節(jié)能的優(yōu)劣對整個船舶經(jīng)營收入的整體影響巨大［3］。各個航運(yùn)巨頭為減少能耗，提高營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性，對船舶進(jìn)行改造升級，節(jié)能成為當(dāng)務(wù)之急［4］。因此，船舶節(jié)能方法現(xiàn)已成為船舶領(lǐng)域研究的重點問題，受到了眾多專家學(xué)者們的高度關(guān)注［5］。

目前，船舶永磁同步電機(jī)的主要節(jié)能調(diào)度方法有：文獻(xiàn)［6］提出的利用任務(wù)排序的不同計劃、不同任務(wù)分配的調(diào)度算法對船舶電機(jī)實現(xiàn)節(jié)能調(diào)度；文獻(xiàn)［7］通過船舶永磁同步電機(jī)工況構(gòu)建電機(jī)最小電出力和抽氣量之間對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，由此建立船舶永磁同步電機(jī)節(jié)能調(diào)度模型；文獻(xiàn)［8］提出一種基于遺傳算法的多差異嵌入式船舶永磁同步電機(jī)的節(jié)能調(diào)度任務(wù)模型，通過功耗最低化理念，利用遺傳算法將電機(jī)任務(wù)以設(shè)定的頻率分配至不同的嵌入式船舶永磁同步電機(jī)中實現(xiàn)處理，實現(xiàn)節(jié)能任務(wù)調(diào)度。上述嵌入式調(diào)度方法因船舶永磁同步電機(jī)擁有不同的電壓可變性，導(dǎo)致調(diào)度總能耗較高。

針對上述問題，提出一種基于分階段的船舶永磁同步電機(jī)節(jié)點調(diào)度方法。實驗結(jié)果表明，本文算法可最大化限度地減少發(fā)電機(jī)機(jī)組的調(diào)控量，從而保障船舶電機(jī)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

1　最優(yōu)船舶永磁同步電機(jī)機(jī)組數(shù)目

節(jié)能調(diào)度的要求是既要滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求，又要滿足船舶電機(jī)機(jī)組運(yùn)行限制，在滿足以上方面的基礎(chǔ)上，將其一時域的系統(tǒng)負(fù)荷適當(dāng)?shù)胤峙浣o指定的船舶電機(jī)機(jī)組，使船舶電機(jī)機(jī)組總耗能量最小。具體過程如下：

設(shè)定實際運(yùn)行的船舶電機(jī)機(jī)組數(shù)目為 N 時船舶永磁電機(jī)系統(tǒng)總耗能量

假設(shè)共有 N+1臺船舶電機(jī)機(jī)組數(shù)時，前N臺船舶電機(jī)機(jī)組的出力將變?yōu)椋?/p>

此時域內(nèi)，船舶電機(jī)系統(tǒng)的總能耗表示為：

最小比耗量可利用以下公式計算求解。根據(jù)消耗量特殊屬性曲線視為切線，切線交于點 B（P0，F(xiàn)0），B（P0，F(xiàn)0）的比耗量就是最小比耗量，且與此點的耗量微增率相等。設(shè)定直線 OB的方程是 F=kP，那么對于耗量特殊屬性曲線進(jìn)行求解可獲得如式（4）所示的最小比耗量：

求解方程組：

依據(jù)上述船舶電機(jī)機(jī)組融入準(zhǔn)則，即可確定船舶永磁同步電機(jī)系統(tǒng)負(fù)荷變化時融入計算的最優(yōu)船舶永磁同步電機(jī)機(jī)組數(shù)目。

2　船舶永磁同步電機(jī)節(jié)能調(diào)度方法的設(shè)計

在最優(yōu)船舶永磁同步電機(jī)機(jī)組數(shù)量確定的前提下，對嵌入式船舶永磁同步電機(jī)的耗量特征進(jìn)行排序并構(gòu)建等微增率基準(zhǔn)，將微增率基準(zhǔn)與最優(yōu)潮流相結(jié)合，有效處理限制條件并降低系統(tǒng)電機(jī)能耗，在滿足限制基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行船舶永磁同步電機(jī)的嵌入式節(jié)能調(diào)度的全局最優(yōu)解。

2.1船舶永磁同步電機(jī)各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點的計算

將等微增率原理應(yīng)用于船舶永磁同步電機(jī)節(jié)能調(diào)度的第1階段：將 NG個發(fā)電模塊的輸入/輸出特征分別表示為將電機(jī)系統(tǒng)總負(fù)荷表示為 PD。此問題可表述為發(fā)電量同總負(fù)荷在同種限制條件下的發(fā)電機(jī)組總能耗最小，表示為：

利用拉格朗日乘數(shù)法計算獲取式（7）及限制條件的最優(yōu)問題式（8），可得擁有最小微增率的擁有多層發(fā)電模塊的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點如下式：

通過式（9）和式（10）進(jìn)行求解即可得到第一階段船舶永磁同步電機(jī)各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點 PGi0。

2.2嵌入式節(jié)能調(diào)度的全局最優(yōu)解的實現(xiàn)

第2階段實質(zhì)是將微增率基準(zhǔn)與最優(yōu)潮流相結(jié)合，有效處理限制條件并降低系統(tǒng)電機(jī)能耗，在滿足限制基準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行船舶永磁同步電機(jī)的嵌入式節(jié)能調(diào)度的全局最優(yōu)解。

基于船舶永磁同步機(jī)組綜合能耗微增率的單個時域內(nèi)ESGD目標(biāo)函數(shù)為此時域內(nèi)系統(tǒng)機(jī)組發(fā)電能耗最低。具體過程如下：

通過式（11）分析網(wǎng)絡(luò)損失因素，

式中：G為船舶永磁同步電機(jī)機(jī)組數(shù)目；N為節(jié)點數(shù)目；L為船舶永磁同步電機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)損。將構(gòu)建此優(yōu)化問題的拉格朗日函數(shù)表示為：

通過式（12）可獲得最小值的條件，將兩類條件分別通過式（13）和式（14）所示：

等式的限制條件如式（13）所示，式（13）可表示為式（15）：

設(shè)定船舶電機(jī)機(jī)組集合不改變且無需分析網(wǎng)絡(luò)限制的前提下，第1 時段出力分配的ESGD 最優(yōu)條件如下：

充分不必要基準(zhǔn)：船舶電機(jī)機(jī)組擁有一致地綜合能耗微增率；

必要不充分基準(zhǔn)：沒有出力約束船舶電機(jī)機(jī)組擁有一致的綜合能耗微增率；

充分必要基準(zhǔn)：

式中：M為將出力的且沒有受到上下限限制的船舶電機(jī)機(jī)組數(shù)目；i為船舶電機(jī)機(jī)組序位為與其相應(yīng)的綜合能耗微增率 ；S-M為出力滿足上限船舶電機(jī)機(jī)組數(shù)量；u為相應(yīng)的船舶電機(jī)機(jī)組序位為相應(yīng)的船舶電機(jī)機(jī)組的綜合能耗微增率 ，K-S為出力滿足下限船舶電機(jī)機(jī)組數(shù)量；S-M為出力滿足下限船舶電機(jī)機(jī)組數(shù)量；d為相應(yīng)的船舶電機(jī)機(jī)組序位為相應(yīng)的船舶電機(jī)機(jī)組的綜合能耗微增率。

式（17）表示在船舶永磁同步電機(jī)系統(tǒng)設(shè)定負(fù)荷情況下，船舶電機(jī)各機(jī)組出力分配需要遵從綜合能耗微增率的基本準(zhǔn)則。依據(jù)此準(zhǔn)則實現(xiàn)分配船舶電機(jī)機(jī)組出力時，將綜合能耗微增率小的船舶電機(jī)機(jī)組增加出力，使得系統(tǒng)能耗上升空間很小，因此應(yīng)該增大出力，直至可滿足船舶電機(jī)下限；沒有受船舶電機(jī)機(jī)組出力上下限限制的機(jī)組應(yīng)該擁有一致的綜合能耗微增率。

在實際對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行邊策發(fā)電計劃時，為實現(xiàn)多個時段優(yōu)化問題，對目標(biāo)函數(shù)實質(zhì)為船舶永磁同步電機(jī)運(yùn)行時域內(nèi)綜合能耗率最低，此時域的限制條件需融入船舶電機(jī)機(jī)組爬（下）坡限制。設(shè)定船舶電機(jī)系統(tǒng)出力分配策略為將出力分配時域數(shù)表示為 T，時域 t 內(nèi)的出力分配解表示為對船舶永磁同步電機(jī)機(jī)組集合的改變及網(wǎng)絡(luò)限制不做考慮的前提下，ESGD最優(yōu)性條件如下：

充分不必要基準(zhǔn)：

基準(zhǔn) 2：獨立時域 t 內(nèi)出力分配解如果沒有滿足ESGD 最優(yōu)性基準(zhǔn)時（Xt-1同 Xt+1都滿足單一時域ESGD 最優(yōu)性基準(zhǔn)），對船舶電機(jī)機(jī)組爬坡限制的前提條件不做考慮的情況下，對時域 t 實現(xiàn)出力分配，獲得如果 Xt（1）同Xt-1之間船舶電機(jī)各個機(jī)組都可滿足爬坡限制，那么此時域的S 并不是全部時域 ESGD 最優(yōu)解。

基準(zhǔn) 3：獨立時域 t處理分配解 Xt不能夠滿足單一時段 ESGD 最優(yōu)性基準(zhǔn)，如果 Xt（1）同 Xt-1之間有一個船舶機(jī)組不滿足爬坡限制，則將此類船舶機(jī)組序位放置于集合內(nèi)。

3　實驗結(jié)果與分析

利用 IEEE118節(jié)點系統(tǒng)表述利用本文算法調(diào)整船舶永磁同步機(jī)組的合理性。該系統(tǒng)中船舶電機(jī)機(jī)電組50臺，設(shè)定裝機(jī)容量為 1 800 MW，占全部裝機(jī)總量的80％。單個船舶電機(jī)供電標(biāo)準(zhǔn)能耗在［300～450］g/（kw·h）范圍內(nèi)。將本文提出的節(jié)能算法與節(jié)能排序方法進(jìn)行負(fù)荷分配，如圖1所示為 50 點日負(fù)荷趨勢圖，部分船舶電機(jī)機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)通過表1所示。

因節(jié)能排序法利用基礎(chǔ)必備的船舶電機(jī)機(jī)組臺數(shù)確定機(jī)組集合，依據(jù)機(jī)組各個時段的最大爬、降坡能力分配負(fù)荷。如圖1所示 IEEE118節(jié)點系統(tǒng)負(fù)荷在時段內(nèi)時一個持續(xù)降坡階段，因序位靠后的部分船舶電機(jī)機(jī)組已經(jīng)在出力下限實行，此時系統(tǒng)負(fù)荷的降幅通過序位靠前的電機(jī)機(jī)組來平衡。

圖1　系統(tǒng)日負(fù)荷曲線Fig.1　Daily load curve of electric power system

依據(jù)先驗知識，設(shè)置機(jī)組持續(xù)時段數(shù)目為 5，如圖2～圖4所示為利用 2 種節(jié)能算法分配的結(jié)果對比。

圖2　機(jī)電組 A（發(fā)電序號 1）Fig.2　Mechanical and electrical group A （generating sequence number 1）

圖3　機(jī)電組 B（發(fā)電序號 12）Fig.3　Mechanical and electrical group B （power generation number 12）

圖4　機(jī)電組 C（發(fā)電序號 28）Fig.4　Mechanical and electrical group C （power generation number 28）

通過圖2～圖4可看出，節(jié)能排序法使序位靠前的船舶電機(jī)機(jī)組快速降至最低，因夜間的低谷要維持一段時間，因此降低了高序位的發(fā)電負(fù)荷率；同時在5：00-11：00 時域內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷迅速增加，綜合爬坡可達(dá)5 236 MW，致使高序位的電機(jī)機(jī)組運(yùn)用最大的爬坡能力調(diào)整峰值后，相應(yīng)的負(fù)荷仍然降不下來，增加了低序位機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷率。而本文方法通過對嵌入式船舶永磁同步電機(jī)的耗量特征進(jìn)行排序并構(gòu)建等微增率準(zhǔn)則，將微增率原則與最優(yōu)潮流結(jié)合，由此增加了低序位機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷率。

將本文方法與節(jié)能排序法計算的對比結(jié)果通過表2所示，與節(jié)能排序法相比可知，本文方法總能耗量由43 033 降至 42 025，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤 1 008 t，具有相當(dāng)不錯的節(jié)能效果。

表2　兩種節(jié)能方法計算結(jié)果對比表Tab.2 Two methods of energy saving calculation results contrast table

表1　火電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)Tab.1 Thermal power unit operation parameters

4　結(jié) 語

本文通過分析嵌入式調(diào)度方法應(yīng)用于船舶永磁同步電機(jī)形成的缺陷，提出一種基于兩階段的船舶永磁同步電機(jī)節(jié)點調(diào)度方法。該方法先對嵌入式船舶永磁同步電機(jī)的耗量特征進(jìn)行排序并構(gòu)建等微增率準(zhǔn)則，將微增率原則與最優(yōu)潮流結(jié)合，實驗結(jié)果表明，該算法最大限度地減少發(fā)電機(jī)組的調(diào)節(jié)量，有助于維持機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

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Embedded energy-efficient scheduling method of permanent magnet synchronous motor ship

LIU Gui-tao，LI Zhi-min，GUO Hai-ru
（School of Computer and Information，Science Hubei Engineering University，Xiaogan 432000，China）

The current scheduling method for embedded permanent magnet synchronous motor because the ship has a different voltage variability，resulting in higher total energy scheduling.to this end.Paper proposes a two-phase permanent magnet synchronous motor ship node scheduling method.The first method of consumption characteristic embedded ship PMSM sort and build equal incremental rate benchmark，the benchmark rate will increase slightly with the combination of optimal power flow，to deal effectively with the constraints and reduce the energy consumption of the motor system，meet benchmarks limiting based on permanent magnet synchronous motor ship globally embedded energy-efficient scheduling optimal solution.Experimental results show that the algorithm minimizes the amount of adjustment generator sets，thereby safeguarding the stable operation of the unit.

ship permanent magnet synchronous motor；the embedded；embedded energy-efficient scheduling

TM341+

A

1672-7619（2016）07-0128-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.029

2016-05-03

劉桂濤（1972-），男，副教授，研究方向為電氣節(jié)能及電氣設(shè)計。