不同工況下船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)能量管理策略分析

蔣美娟 張燕琴 周嘉俊

摘 要：實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)行過(guò)程中的節(jié)能減排對(duì)于節(jié)約航運(yùn)成本具有重要意義，本文以能量管理系統(tǒng)為研究基礎(chǔ)，對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在低速和高速兩種不同工況下的能量管理策略進(jìn)行了研究，以期能夠?yàn)樘岣叽半娏ν七M(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行效率提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)系統(tǒng);節(jié)能減排;能量管理系統(tǒng);能量管理策略;運(yùn)行效率

中圖分類號(hào)：U664.14 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0074-03

艦船電力推進(jìn)技術(shù)是當(dāng)今船舶動(dòng)力新的發(fā)展方向，從最初的直流電動(dòng)機(jī)推進(jìn)方式發(fā)展至現(xiàn)如今的交流電機(jī)推進(jìn)方式，電力推進(jìn)已在造船工業(yè)中逐漸普及運(yùn)用。電力推進(jìn)系統(tǒng)具有“模塊化、集成化”的特點(diǎn)，相比傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)，其機(jī)動(dòng)性能更好、結(jié)構(gòu)布局更優(yōu)化，具有振動(dòng)噪音小、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性好、安全性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是在運(yùn)行過(guò)程中，如啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)切換會(huì)對(duì)船舶的電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，電網(wǎng)中的電壓、電流、功率以及頻率等也會(huì)跟著產(chǎn)生波動(dòng)，這將嚴(yán)重影響推進(jìn)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定與經(jīng)濟(jì)性[1-3]。

為了改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行性能，提高運(yùn)行效率，達(dá)到航行與經(jīng)濟(jì)效益的靈活配置，需要對(duì)船舶進(jìn)行建模與能量管理，找到最佳的能量管理策略[4-5]。韓北川等[6]基于模糊控制理論對(duì)混合動(dòng)力船舶能量管理策略進(jìn)行了分析，丁峰等[7]針對(duì)船舶綜合電力系統(tǒng)的能量管理控制系統(tǒng)進(jìn)行了全數(shù)字仿真分析，莊緒州等[8]則提出了船舶全電力推進(jìn)系統(tǒng)恒功率負(fù)載有源阻尼控制策略，這些研究對(duì)于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)具有重要的指導(dǎo)意義。

本文根據(jù)船舶航速與推力以及推進(jìn)系統(tǒng)與功率之間的相關(guān)關(guān)系，結(jié)合船舶發(fā)電功率，提出船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在不同工況下的能量管理控制策略，可為實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排和運(yùn)行效率的提升提供參考和借鑒。

1 能量管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 功能需求

為了滿足船舶運(yùn)行過(guò)程中的負(fù)荷需求、穩(wěn)定性與安全性，能量管理系統(tǒng)需要具有機(jī)組調(diào)度與控制、頻率控制與負(fù)載分配、電壓控制與負(fù)載分配、推進(jìn)系統(tǒng)的功率限制、快速減載以及重載詢問(wèn)等六項(xiàng)功能。

1.2 能量管理策略制定流程

在船舶設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程中，需要根據(jù)性能需求，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的能量管理策略進(jìn)行制定和優(yōu)化。其過(guò)程為：首先根據(jù)電力系統(tǒng)的相關(guān)特點(diǎn)，分析電力推進(jìn)系統(tǒng)的流量流向，確定產(chǎn)能和耗能設(shè)備及裝置。其次，根據(jù)電機(jī)和船槳的相關(guān)匹配特性，計(jì)算不同航速（不同工況）下的負(fù)荷需求量。接著，確定不同工況下的發(fā)電工作模式。最后，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全與可靠性，得到不同工況下的能量管理策略（見圖1）。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)能量流向分析

2.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般包括原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、變頻設(shè)備、控制設(shè)備、螺旋槳以及推進(jìn)機(jī)等其他設(shè)備，其原理是發(fā)電機(jī)將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再通過(guò)配電裝置進(jìn)行變頻調(diào)速，驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)后帶動(dòng)螺旋槳運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)船舶的航行（見圖2）。

2.2 能量流向分析

根據(jù)船舶推力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特征，將其分為發(fā)電系統(tǒng)、配電輸電系統(tǒng)以及負(fù)載系統(tǒng)三個(gè)部分，其中發(fā)電系統(tǒng)主要由四臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組成，系統(tǒng)整體的能量流向?yàn)榘l(fā)電機(jī)組將原動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電動(dòng)機(jī)再將發(fā)電機(jī)組提供的電能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，螺旋槳在旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的驅(qū)動(dòng)下提供推進(jìn)動(dòng)力，在此過(guò)程中，會(huì)有一定比例的能量損耗，但占比僅為10%～20%。通過(guò)推進(jìn)系統(tǒng)整體的配合關(guān)系，可以得到不同工況下的門限閾值，據(jù)此可以確定得到船舶發(fā)電機(jī)組的工作模式。船舶推進(jìn)系統(tǒng)能量流向示意見圖3。

3 不同工況能量管理策略

不同的船舶航速下，需要調(diào)度和啟用不同數(shù)量的發(fā)電機(jī)組，以實(shí)現(xiàn)最高效的運(yùn)行管理。在一臺(tái)發(fā)電機(jī)組下（假設(shè)容量為Pe），其發(fā)電輸出和推進(jìn)電機(jī)輸出功率分別為0.864Pe和0.74Pe，能獲得的最大航速是7節(jié)，在兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組下，其發(fā)電輸出和推進(jìn)電機(jī)輸出功率分別為1.728Pe和1.44Pe，能獲得的最大航速是10節(jié)，在三臺(tái)發(fā)電機(jī)組下其發(fā)電輸出和推進(jìn)電機(jī)輸出功率分別為2.592Pe和2.24Pe，能獲得的最大航速是14節(jié)，在四臺(tái)發(fā)電機(jī)組下，其發(fā)電輸出和推進(jìn)電機(jī)輸出功率分別為3.456Pe和3.04Pe，能獲得的最大航速是20節(jié)。根據(jù)航行任務(wù)需要，對(duì)發(fā)電機(jī)組實(shí)行調(diào)度和控制管理，以期能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的運(yùn)行效率。文中將0～10節(jié)作為低速工況，將10～20節(jié)作為高速工況分別進(jìn)行能量管理策略的分析。

3.1 低速工況

低速工況為航速0～10節(jié)，假設(shè)一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率達(dá)到85%時(shí)，需要進(jìn)行增機(jī)（即臨界增機(jī)條件），那么剩余的可用功率閾值即為15%（0.15Pe），由于每臺(tái)發(fā)電機(jī)組容量相同，因此，可以按照固定可用功率增機(jī)模式進(jìn)行船舶推力系統(tǒng)能量管理控制;但是，當(dāng)柴油機(jī)的額定功率低于30%時(shí)，容易在燃燒室和排氣管處積累大量的煙灰從而經(jīng)常導(dǎo)致點(diǎn)火失敗，故當(dāng)額定功率小于一定值后也需要發(fā)出減機(jī)指令，關(guān)閉多余的不需要的發(fā)電機(jī)組，保守起見，約定可用功率低于1.35 Pe時(shí)對(duì)系統(tǒng)開始發(fā)出減機(jī)指令。

綜上所述，船舶推力系統(tǒng)在低速工況下的能量管理策略為：當(dāng)可用功率≤0.15 Pe時(shí)，能量管理系統(tǒng)對(duì)推力系統(tǒng)發(fā)出增機(jī)指令，當(dāng)可用功率≤0.10 Pe時(shí)，能量管理系統(tǒng)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)出限制使用的指令，直到第二臺(tái)發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)成功后才解除其限制指令，當(dāng)可用功率大于1.35 Pe時(shí)，能量管理系統(tǒng)對(duì)船舶推力系統(tǒng)發(fā)出減機(jī)指令。另外，能量管理系統(tǒng)還設(shè)置了故障預(yù)警指令，即當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生故障后，為了保證推力系統(tǒng)可用功率仍然在0.15 Pe之上，對(duì)推力系統(tǒng)發(fā)出快速減負(fù)載指令，確保推力系統(tǒng)始終處于可靠安全的運(yùn)行狀態(tài)，見圖4。

3.2 高速工況

當(dāng)船舶航速為10～20節(jié)時(shí)，螺旋槳處于高負(fù)載工作狀態(tài)，此時(shí)電網(wǎng)功率的波動(dòng)較大，且與螺旋槳波動(dòng)呈三次方正比，螺旋槳的微弱波動(dòng)均會(huì)引起船舶電力系統(tǒng)功率的較大波動(dòng)，故在此狀態(tài)下應(yīng)該盡量避免頻繁啟停發(fā)電機(jī)組。高速運(yùn)行狀況時(shí)，將增機(jī)功率閾值設(shè)置為0.9Pe，當(dāng)可用功率小于0.1 Pe后，對(duì)其余發(fā)電機(jī)組發(fā)出均分指令，減機(jī)閾值仍設(shè)置為可用功率大于1.35 Pe，其減機(jī)過(guò)程與低速工況下的能量管理一致。

綜上所述，可將船舶推力系統(tǒng)在高速工況下的能量管理策略總結(jié)為：當(dāng)實(shí)際功率達(dá)到并網(wǎng)機(jī)組容量的90%后（可用功率≤0.10 Pe），而負(fù)載功率在繼續(xù)增大時(shí)，能量管理系統(tǒng)需要對(duì)推力系統(tǒng)發(fā)出增機(jī)指令，在第三臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)成功后，再均分負(fù)載，以此類推，第四臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)也是如此，最終實(shí)現(xiàn)四臺(tái)發(fā)電機(jī)組共同發(fā)電，減機(jī)程序和快速減機(jī)程序原理與低速狀況時(shí)一致，此處不再贅述。

4 結(jié)論

基于能量管理系統(tǒng)理論，對(duì)船舶推力系統(tǒng)在不同工況下的能量管理策略進(jìn)行了研究，提出：當(dāng)船舶處于低速運(yùn)行工況時(shí)，增機(jī)指令發(fā)出閾值為0.15Pe，限制指令發(fā)出閾值為0.1Pe，減機(jī)指令發(fā)出閾值為1.35Pe;當(dāng)船舶處于高速運(yùn)行工況時(shí)，增機(jī)指令發(fā)出閾值為0.9Pe，減機(jī)指令發(fā)出閾值為1.35Pe。相關(guān)研究成果可為提高船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行效率提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]張文保，施偉鋒，蘭瑩，顧思宇，卓金寶.基于層次分析—模糊綜合評(píng)估法的電力推進(jìn)船舶電能質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)[J].中國(guó)艦船研究，2019，14（06）：48-57.

[2]侯淑芳，錢威岳.內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境效益評(píng)估[J].南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，18（02）：42-46.

[3]郭欣.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在波浪中的功率節(jié)能與轉(zhuǎn)速控制研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2018，40（24）：79-81.

[4]張逸峰，王錫淮.混合動(dòng)力船舶的建模與能量管理[J].船電技術(shù)，2018，38（07）：32-37.

[5]吳文傳，張伯明，孫宏斌，王彬，楊越，劉昊天，藺晨暉，王思遠(yuǎn).主動(dòng)配電網(wǎng)能量管理與分布式資源集群控制[J/OL].電力系統(tǒng)自動(dòng)化：1-10[2020-04-15].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20200205.1807.004.html.

[6]韓北川.基于模糊控制的混合動(dòng)力船舶能量管理策略研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019，48（07）：84-87.

[7]丁峰，肖楊婷，張少華.船舶綜合電力系統(tǒng)的能量管理控制系統(tǒng)與全數(shù)字仿真研究[J].船舶工程，2018，40（05）：46-51.

[8]莊緒州，張勤進(jìn)，劉彥呈，郭洪智，張博.船舶全電力推進(jìn)系統(tǒng)恒功率負(fù)載有源阻尼控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，35（S1）：101-109.