DQZHAN技術(shù)訊：提高船舶微電網(wǎng)艏側(cè)推進(jìn)器運(yùn)行能效的控制策略
天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、丹麥奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)系、國網(wǎng)天津市電力公司電纜分公司的研究人員肖朝霞、李懷民等，在2018年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊2上撰文，考慮到船舶電力艏側(cè)推進(jìn)器頻繁快速起停對船舶電力系統(tǒng)（船舶微電網(wǎng)）燃油利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出在艏側(cè)推進(jìn)器直流母線增加儲(chǔ)能裝置，為艏側(cè)推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)裝置供電。
該方案可有效降低柴油發(fā)電機(jī)容量，提高燃油利用效率，降低艏側(cè)推進(jìn)器起動(dòng)突增功率對船舶電網(wǎng)電壓頻率擾動(dòng)的影響。同時(shí)由于艏側(cè)推進(jìn)器電機(jī)制動(dòng)時(shí)可做發(fā)電機(jī)運(yùn)行，儲(chǔ)能裝置可替代消耗電阻吸收快速制動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生的電能。
設(shè)計(jì)了一種三相交錯(cuò)并聯(lián)運(yùn)行的DC-DC變換器的電壓自適應(yīng)PI控制器，該方案增加變換器的帶載能力，并分析了控制器參數(shù)的選擇范圍。仿真結(jié)果表明，該控制器在艏側(cè)推進(jìn)器頻繁起動(dòng)過程中可有效抑制直流母線電壓的暫升和暫降，且增加直流變換器的帶載能力。
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隨著全球能源**與環(huán)境惡化等問題的日益凸顯，航運(yùn)業(yè)對節(jié)能減排的呼聲越來越高。根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）的測算，2012年全球航運(yùn)業(yè)的溫室氣體排放量已相當(dāng)于全球總排放量的2.6%，氮氧化物占總排放量的15%，硫氧化物占總排放量的13%，并且到2050年航運(yùn)污染預(yù)計(jì)增加1倍，全球船舶業(yè)急需升級轉(zhuǎn)型。
我國是一個(gè)造船和航運(yùn)大國，造船業(yè)與航運(yùn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)之一。船舶電力系統(tǒng)是船舶賴以生存的基礎(chǔ)，其科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步將極大地促進(jìn)我國造船與航運(yùn)行業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)主要為交流供電，艦船主要采用直流供電。
從本質(zhì)上說，船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立運(yùn)行的微電網(wǎng)，即船舶微電網(wǎng)。船舶微電網(wǎng)和基于可再生能源的微電網(wǎng)之間有很多共同特征，例如獨(dú)立運(yùn)行，使用較多的電力電子變換器。因此，可再生微電網(wǎng)的相關(guān)協(xié)調(diào)控制與能量管理技術(shù)可以擴(kuò)展到船舶微電網(wǎng)。
但是，船舶微電網(wǎng)主要負(fù)荷為大功率推進(jìn)裝置和各種泵類，同時(shí)船舶運(yùn)行對電力系統(tǒng)可靠性的要求很高。因此，在船舶微電網(wǎng)的研究中，功率變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制，電網(wǎng)層的協(xié)調(diào)控制與功率能量管理等更為復(fù)雜。
船舶電力推進(jìn)是一種電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的推進(jìn)方式，相比傳統(tǒng)的機(jī)械式推進(jìn)，具有節(jié)省空間、可操控性強(qiáng)等優(yōu)勢，成為發(fā)展的主流之一。船舶艏側(cè)推進(jìn)是一種產(chǎn)生船舶橫向推力的特殊推進(jìn)裝置，用來增強(qiáng)船舶在?？?、駛離港口的操縱性以及避碰過程中的靈活性，屬于船舶電網(wǎng)中的短時(shí)脈動(dòng)負(fù)載，其作為船舶輔助操縱裝置，主要應(yīng)用于港口內(nèi)船舶，例如近海支援船和平臺供應(yīng)船。
艏側(cè)推進(jìn)功率需求如圖1所示。由于功率推進(jìn)電機(jī)的頻繁操控，船舶供電電源（例如柴油發(fā)電機(jī)組）很難快速跟蹤負(fù)荷功率變化，且艏側(cè)推進(jìn)器的大功率脈動(dòng)供電需求可能導(dǎo)致船舶微電網(wǎng)頻率和電壓的波動(dòng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。
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圖1 艏側(cè)推進(jìn)器功率需求
當(dāng)前科研人員針對船舶電力推進(jìn)器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[10]基于實(shí)驗(yàn)平臺建立了船舶主推進(jìn)器變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，優(yōu)化電力推進(jìn)船舶的操縱性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]利用轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略對異步推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M各種工況下船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的特性，并研究了推進(jìn)電力在運(yùn)行過程中對電網(wǎng)的影響。
文獻(xiàn)[12]對船舶艏側(cè)推和船舶停靠系統(tǒng)進(jìn)行研究，主推進(jìn)器和側(cè)推進(jìn)器相互協(xié)調(diào)，建立二階數(shù)學(xué)模型并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)[13]提出使用超級電容器減少艏側(cè)推進(jìn)器對船舶微電網(wǎng)質(zhì)量的影響。
為了滿足大功率艏側(cè)推進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，文獻(xiàn)[14]提出將三相交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器應(yīng)用于電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，該方案增加了變換器的容量，降低了輸出電流紋波。文獻(xiàn)[15]提出DC-DC變換器電流前饋控制策略，通過電流比例環(huán)節(jié)修正模型誤差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變換器的快速響應(yīng)。
基于以上分析，本文采用異步電機(jī)作為艏側(cè)推進(jìn)電機(jī)模型，選用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制方法。為了減小艏側(cè)推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行對船舶電網(wǎng)的影響，在推進(jìn)電機(jī)的直流母線側(cè)增加儲(chǔ)能電池，提供短時(shí)頻繁起動(dòng)艏側(cè)推進(jìn)電機(jī)所需能量。此外，對三相交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器提出自適應(yīng)PI控制方法，并建立小信號模型對DC-DC變換器的參數(shù)進(jìn)行分析，提高DC-DC變換器的帶載能力。*后給出了系統(tǒng)參數(shù)和仿真結(jié)果及分析。
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圖2 船舶微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)
結(jié)論
本文根據(jù)船舶艏側(cè)推操縱狀態(tài)，提出了利用電池給船舶艏側(cè)推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)的供電方案。該方案有效地降低了大功率脈動(dòng)負(fù)載對船舶電網(wǎng)電壓頻率波動(dòng)的影響，提高了柴油發(fā)電機(jī)的燃油利用效率，增加了船舶微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
采用三相交錯(cuò)并聯(lián)DC-DC變換器，可滿足推進(jìn)器起動(dòng)時(shí)的大功率需求，同時(shí)吸收推進(jìn)器回饋電能，提高能源利用效率。設(shè)計(jì)的自適應(yīng)PI電壓控制可有效抑制負(fù)載擾動(dòng)，提升DC-DC變換器載容量和系統(tǒng)電能質(zhì)量。
