林云峰，付立軍，夏 立，肖雄波

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033)

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸配電、變配電、推進(jìn)、儲(chǔ)能、能量管理6個(gè)分系統(tǒng)組成[1]，電力推進(jìn)負(fù)載的引入是綜合電力系統(tǒng)的一個(gè)顯著特征，從目前已經(jīng)服役的國(guó)內(nèi)外綜合電力系統(tǒng)艦船可知，電力推進(jìn)負(fù)載功率占發(fā)電機(jī)組容量比重均較高[2-3]，如表1所示。

推進(jìn)負(fù)載的異常功率變動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組過(guò)載、電能質(zhì)量下降等問(wèn)題，同時(shí)，推進(jìn)負(fù)載管理也是能量管理系統(tǒng)的重要組成部分，如圖1所示。因此需要對(duì)推進(jìn)負(fù)載進(jìn)行有效管理[4]，其管理水平關(guān)系到艦船的快速性、操縱性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、生命力等性能指標(biāo)。

1 推進(jìn)負(fù)載管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 電力推進(jìn)負(fù)載模擬技術(shù)

負(fù)載模擬系統(tǒng)一般由推進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、傳感器、負(fù)載電機(jī)組成，如圖2所示。負(fù)載模擬系統(tǒng)的目的是通過(guò)控制軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩模擬真實(shí)螺旋槳負(fù)載，作為負(fù)載管理技術(shù)的模擬應(yīng)用平臺(tái)。目前對(duì)螺旋槳負(fù)載模擬的設(shè)備主要有水力測(cè)功機(jī)、電渦流測(cè)功機(jī)、電力測(cè)功機(jī)和交直流電機(jī)等。異步電動(dòng)機(jī)由于其經(jīng)濟(jì)性和優(yōu)異的轉(zhuǎn)矩動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力并可以將能量回饋電網(wǎng)，近年來(lái)被廣泛采用[5]。

在負(fù)載電機(jī)控制方式上，一般采用轉(zhuǎn)矩閉環(huán)和前饋式間接矢量控制方式，由于模擬系統(tǒng)中存在聯(lián)軸器等裝置，存在模擬系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償問(wèn)題，采用負(fù)載轉(zhuǎn)矩控制外環(huán)間接控制負(fù)載電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，可以解決直接控制電磁轉(zhuǎn)矩所帶來(lái)的計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題[6]。由于電機(jī)負(fù)載高階非線性，而且負(fù)載模擬需要在較大范圍內(nèi)變化，傳統(tǒng)PID控制適應(yīng)性差，模糊PI控制能夠提高異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制的精確性、跟隨性、穩(wěn)定性[7]。

現(xiàn)階段對(duì)于螺旋槳特性和船槳運(yùn)動(dòng)模型的研究較多，除了考慮到螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式外，還考慮到船對(duì)螺旋槳的伴流以及螺旋槳對(duì)船造成推力減額、三大附加阻力等因素。武漢理工大學(xué)還開(kāi)展了對(duì)瓦格寧實(shí)驗(yàn)圖譜擬合和推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)修正的研究[8]。

在負(fù)載模擬平臺(tái)技術(shù)上，模擬平臺(tái)分為軟件仿真平臺(tái)、半實(shí)物仿真平臺(tái)和縮比的實(shí)物平臺(tái)3種[9-10]。

表1 各國(guó)主要綜合電力艦船推進(jìn)負(fù)載占比Tab.1 The proportion of major integrated power ship propulsion loads in various countries

圖1 能量管理系統(tǒng)框架Fig.1 Energy management system framework

圖2 負(fù)載模擬系統(tǒng)軸系結(jié)構(gòu)Fig.2 Propulsion load simulation system structure

1.2 對(duì)推進(jìn)負(fù)載控制策略改進(jìn)的研究

艦船推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、減速器、螺旋槳等。

圖3 艦船推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ship propulsion system

推進(jìn)負(fù)載具有恒功率特性，對(duì)綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響，國(guó)外普遍采用加輔助控制環(huán)節(jié)來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)阻尼，避免發(fā)電機(jī)帶推進(jìn)負(fù)載時(shí)振蕩失穩(wěn)的問(wèn)題。但該方法存在推進(jìn)變頻器控制復(fù)雜、控制特性易受影響等缺點(diǎn)。海軍工程大學(xué)采用時(shí)域仿真和基于狀態(tài)方程的特征值分析方法，計(jì)算中壓直流綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改進(jìn)了發(fā)電機(jī)、推進(jìn)變頻器等參數(shù)，解決了交流整流發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)帶恒功率負(fù)載時(shí)的穩(wěn)定性問(wèn)題[1]。

除了系統(tǒng)級(jí)的參數(shù)優(yōu)化計(jì)算以外，根據(jù)環(huán)境對(duì)推進(jìn)電機(jī)控制策略的改進(jìn)也能夠增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]在平靜海況下采取直接轉(zhuǎn)矩控制或者轉(zhuǎn)速控制，惡劣海況下采取抗過(guò)旋控制方法，實(shí)質(zhì)上是一種轉(zhuǎn)矩、功率結(jié)合的控制方法。

在推進(jìn)電機(jī)加載速率控制的研究方面，文獻(xiàn)[12]提出一種改進(jìn)計(jì)算推進(jìn)電機(jī)加載速率的方法，該方法根據(jù)船級(jí)社以及潛艇對(duì)電壓跌落時(shí)間和電壓跌落最大比率的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)犧牲部分安全性來(lái)提高電機(jī)加載速度，系統(tǒng)安全裕量較小且對(duì)加速過(guò)程做了較多簡(jiǎn)化。

1.3 對(duì)功率限制以及重載詢(xún)問(wèn)策略的研究

1）動(dòng)態(tài)功率限制和快速功率限制

由于推進(jìn)系統(tǒng)的容量占比大，推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成的推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到電網(wǎng)安全，主要分為2個(gè)方面。

①人為因素。如操縱人員非正常操作使得推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升，推進(jìn)負(fù)載快速增加，如果加載速度超過(guò)發(fā)電機(jī)響應(yīng)速度，推進(jìn)負(fù)載的功率需求將超過(guò)當(dāng)前發(fā)電機(jī)組容量，發(fā)電機(jī)容易過(guò)載。

②非人為因素。如不良海況下，受浪、流影響，螺旋槳負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，甚至可能因短時(shí)間內(nèi)進(jìn)出海面，導(dǎo)致100%負(fù)載突卸和突加，增加原動(dòng)機(jī)的機(jī)械和熱應(yīng)力，增加燃油消耗。電力推進(jìn)負(fù)載功率和推力與轉(zhuǎn)速之間存在如下關(guān)系[13]：

式中：ωnp為推進(jìn)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，r/s；ΔP為電力推進(jìn)系統(tǒng)瞬態(tài)負(fù)載變化量，W；k為在網(wǎng)機(jī)組數(shù)量；KT0為推力系數(shù)；P為海水密度，kg/m3；D為螺旋槳直徑，m；ωnp為轉(zhuǎn)矩減額系數(shù)；T為螺旋槳對(duì)船的推力,N。

圖4 動(dòng)態(tài)功率限制和快速功率限制Fig.4 Dynamic power limit and fast power limit

由上述公式可以得出結(jié)論：電網(wǎng)功率與螺旋槳的額定轉(zhuǎn)速成三次方正比，推力與額定轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。推進(jìn)負(fù)載管理系統(tǒng)必須響應(yīng)推進(jìn)功率波動(dòng)。

功率限制的方法一類(lèi)是基于剩余功率實(shí)時(shí)計(jì)算的功率限制，稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)功率限制”；另一類(lèi)是基于事件觸發(fā)的，稱(chēng)為“快速功率限制”[14]。如圖4所示。

傳統(tǒng)基于可用功率的方法在推進(jìn)負(fù)載的功率投放速度方面太慢，結(jié)合艦船機(jī)動(dòng)性和操縱性的需求，文獻(xiàn)[15]加入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速加速度監(jiān)測(cè)，并把它和傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目（發(fā)電機(jī)狀態(tài)、實(shí)際消耗功率）一起作為功率限制條件，通過(guò)模糊邏輯控制器計(jì)算可支配功率，增強(qiáng)了功率限制策略的靈活性。由于推進(jìn)功率隨環(huán)境變化比較頻繁，導(dǎo)致剩余功率信號(hào)變化大，若功率限制值隨此信號(hào)調(diào)節(jié)可能會(huì)引起船舶電站振蕩，可采用濾波的方法限制調(diào)節(jié)頻率。動(dòng)態(tài)功率限制解決了功率限制值動(dòng)態(tài)響應(yīng)的問(wèn)題，但是由于存在濾波和通信環(huán)節(jié)，在快速性上難以起到保護(hù)作用，結(jié)合快速性要求，需要快速功率限制實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速保護(hù)。

快速功率限制是通過(guò)硬線直連方式連接電力推進(jìn)控制系統(tǒng)，主要是應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)緊急狀況，如發(fā)電機(jī)組異常跳閘，逆變器、變壓器等重要電力變換設(shè)備短路，安保裝置失效等。推進(jìn)變頻器一般能夠在50 ～100 ms的時(shí)間內(nèi)快速減少功率消耗[5]。針對(duì)推進(jìn)電機(jī)快速減載的過(guò)程，文獻(xiàn)[16]提出了2種功率限制方法，一是在原有雙環(huán)基礎(chǔ)上增加功率環(huán)形成三閉環(huán)，二是在功率限制模式時(shí)切換轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)為功率、電流雙閉環(huán)。

2）重載詢(xún)問(wèn)策略

重載詢(xún)問(wèn)機(jī)制主要考慮系統(tǒng)供電連續(xù)性和能量調(diào)度的經(jīng)濟(jì)性。電力推進(jìn)負(fù)載是綜合電力艦船的最大負(fù)載，推進(jìn)系統(tǒng)啟停和調(diào)速過(guò)程中觸發(fā)增減機(jī)組的一般流程是：首先，能量管理系統(tǒng)（EMS）計(jì)算可用功率并傳遞給變頻器控制單元，然后控制單元根據(jù)該信號(hào)監(jiān)測(cè)推進(jìn)器，在條件觸發(fā)時(shí)進(jìn)行功率限制并反饋功率需求給綜合電力系統(tǒng)，最后綜合電力系統(tǒng)據(jù)此進(jìn)行增減機(jī)組，給出啟動(dòng)、調(diào)速允許信號(hào)。機(jī)動(dòng)工況，系統(tǒng)可以設(shè)定較高的可用功率限制值，巡航工況時(shí)，則可以減少限制值。該方法稱(chēng)為恒定平均功率增減機(jī)管理原則，但是該原則存在系統(tǒng)功率需求響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，為了提高響應(yīng)速度，文獻(xiàn)[17]提出融入重載負(fù)荷的采用恒儲(chǔ)備功率增機(jī)、N-1 恒平均功率減機(jī)管理原則，將重載負(fù)荷的功率需求單獨(dú)提取出來(lái)指導(dǎo)機(jī)組增減，減少了等待時(shí)間，增強(qiáng)艦船的操縱性能。

1.4 對(duì)儲(chǔ)能單元和推進(jìn)負(fù)載協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究

美國(guó)國(guó)家電力艦船發(fā)展和研究機(jī)構(gòu)指出儲(chǔ)能單元在艦船綜合電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，鋰電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能裝置等逐步進(jìn)入上艦應(yīng)用階段[18-19]，這也是高能武器上艦的必由之路。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以彌補(bǔ)緊急工況下發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)之間的功率缺額，減少推進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速過(guò)程對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊[20]。推進(jìn)負(fù)載作為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械在運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)存的能量還可以通過(guò)自動(dòng)減載的方式用于高能武器系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元的充電過(guò)程中[21]。國(guó)外還展開(kāi)了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)用于推進(jìn)功率波動(dòng)抑制的研究[22]。

在帶有儲(chǔ)能系統(tǒng)的艦船電力系統(tǒng)中，從電力系統(tǒng)、儲(chǔ)能單元、推進(jìn)負(fù)載三者的關(guān)系上來(lái)看，系統(tǒng)的功率傳遞模式可以按照如下方式配置。系統(tǒng)過(guò)載時(shí)，儲(chǔ)能單元向電力系統(tǒng)放電提高系統(tǒng)帶載能力；負(fù)載回饋制動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能單元吸收能量，替代制動(dòng)電阻的作用并在反向推進(jìn)過(guò)程中釋放能量以減少發(fā)電機(jī)組的功率輸出[23]。

艦船電力系統(tǒng)儲(chǔ)能單元應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、容量設(shè)計(jì)、充放電控制策略等方面開(kāi)展了一些研究，但是針對(duì)推進(jìn)負(fù)載管理的機(jī)動(dòng)性需求和穩(wěn)定性需求所做的研究國(guó)外有研究[24-25]，國(guó)內(nèi)上海海事大學(xué)等開(kāi)展了部分研究[23]。上述研究大部分是針對(duì)民用電力推進(jìn)船舶，針對(duì)綜合電力艦船需求的研究較少。

2 今后的挑戰(zhàn)和發(fā)展展望

經(jīng)過(guò)幾十年的研究，國(guó)內(nèi)外對(duì)于艦船推進(jìn)負(fù)載管理的研究已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，有些已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際艦船系統(tǒng)。結(jié)合現(xiàn)代艦船對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)高機(jī)動(dòng)性、高可靠性、高自動(dòng)化的需求，推進(jìn)負(fù)載的管理技術(shù)，未來(lái)將呈現(xiàn)數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化、協(xié)同化的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理技術(shù)

數(shù)據(jù)的獲取和處理是進(jìn)行推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估等高級(jí)功能的基礎(chǔ)和前提[26]。針對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)中的大量實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，引入數(shù)據(jù)質(zhì)量管理技術(shù)（Data Quality Management）能夠提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和推進(jìn)負(fù)載的管理水平。在數(shù)據(jù)采集層面上，時(shí)間同步和信號(hào)快速采集技術(shù)需要深入研究。在數(shù)據(jù)處理層面上，全艦平臺(tái)需要及時(shí)處理實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，采用更高效的數(shù)據(jù)分發(fā)方式如DDS等，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等先進(jìn)的計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，為實(shí)時(shí)能量調(diào)度提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 推進(jìn)負(fù)載管理的平臺(tái)技術(shù)

在綜合平臺(tái)方面，美國(guó)海軍提出的全艦計(jì)算環(huán)境（TSCE）能夠整合全艦計(jì)算資源，是未來(lái)艦船提高綜合作戰(zhàn)能力和信息化的有效手段[27]。推進(jìn)負(fù)載管理的功能作為綜合電力系統(tǒng)控制的子功能，需要將獨(dú)立開(kāi)發(fā)的功能進(jìn)行平臺(tái)遷移，同時(shí)根據(jù)任務(wù)性質(zhì)要將任務(wù)劃分為實(shí)時(shí)子任務(wù)和非實(shí)時(shí)子任務(wù)運(yùn)行在不同的兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)上。在充分高效利用共享信息資源，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制機(jī)制方面需要深入研究。

2.3 對(duì)復(fù)雜海況的研究和模式自動(dòng)切換技術(shù)

受海浪、風(fēng)、水流、尾場(chǎng)、螺旋槳進(jìn)出水等影響，螺旋槳受到的機(jī)械力會(huì)通過(guò)機(jī)-槳耦合到電力系統(tǒng)，造成電力系統(tǒng)功率波動(dòng)，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。推進(jìn)負(fù)載管理系統(tǒng)需要根據(jù)推進(jìn)負(fù)載的波動(dòng)分析海況并自動(dòng)切換控制模式。對(duì)于海況環(huán)境的判斷可以通過(guò)對(duì)給定控制模式下軸轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速反饋得到，若超出該控制模式下的調(diào)控范圍則自動(dòng)切換到對(duì)應(yīng)海況下的控制模式，提高自動(dòng)化水平。

2.4 考慮儲(chǔ)能的推進(jìn)負(fù)載協(xié)同管理技術(shù)

受控的儲(chǔ)能單元可以改進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，比如緊急加速、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、以及快速制動(dòng)過(guò)程中，提高艦船電網(wǎng)的安全以及改善艦船機(jī)動(dòng)性?？梢钥紤]的研究方向是有限儲(chǔ)能容量下對(duì)于提高艦船機(jī)動(dòng)性的效果；另一方面，推進(jìn)負(fù)載作為一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械，其中蘊(yùn)含著大量能量，而艦船具有慣性大的特點(diǎn)，其航行狀態(tài)在功率短時(shí)間降低時(shí)不會(huì)發(fā)生較大改變。因此，在脈沖負(fù)載的儲(chǔ)能單元充電時(shí)，可以短時(shí)間內(nèi)降低推進(jìn)負(fù)載的功率供給脈沖負(fù)載使用，保持發(fā)電機(jī)功率基本不變?？梢葬槍?duì)脈沖負(fù)載的功率需求對(duì)推進(jìn)負(fù)載自動(dòng)降功率運(yùn)行方面展開(kāi)聯(lián)合控制方法研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外推進(jìn)負(fù)載管理現(xiàn)有研究成果進(jìn)行總結(jié)概括，從技術(shù)發(fā)展角度探討了數(shù)據(jù)質(zhì)量管理技術(shù)、平臺(tái)技術(shù)、模式自動(dòng)切換技術(shù)、推進(jìn)負(fù)載協(xié)調(diào)管理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)在艦船推進(jìn)負(fù)載管理中的應(yīng)用。艦船推進(jìn)負(fù)載的管理涉及電機(jī)學(xué)、電力電子、流體力學(xué)、電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制、數(shù)學(xué)、通信等研究領(lǐng)域，多種物理場(chǎng)相互耦合，信息流和能量流相互作用。本文探討的內(nèi)容期望能夠?qū)ν七M(jìn)負(fù)載管理技術(shù)的發(fā)展提供思路和借鑒，讓有限能量更高效利用，發(fā)揮最大作戰(zhàn)效能，提高艦船生命力和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。