蔣美娟 張燕琴 周嘉俊

摘 要：實現(xiàn)船舶運行過程中的節(jié)能減排對于節(jié)約航運成本具有重要意義，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，以期能夠為提高船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)運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;運行效率

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

艦船電力推進(jìn)技術(shù)是當(dāng)今船舶動力新的發(fā)展方向，從最初的直流電動機(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)中逐漸普及運用。電力推進(jìn)系統(tǒng)具有“模塊化、集成化”的特點，相比傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)，其機(jī)動性能更好、結(jié)構(gòu)布局更優(yōu)化，具有振動噪音小、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性好、安全性好等諸多優(yōu)點。但是在運行過程中，如啟動、制動、正反轉(zhuǎn)切換會對船舶的電力系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動，電網(wǎng)中的電壓、電流、功率以及頻率等也會跟著產(chǎn)生波動，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)的運行性能，提高運行效率，達(dá)到航行與經(jīng)濟(jì)效益的靈活配置，需要對船舶進(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混合動力船舶能量管理策略進(jìn)行了分析，丁峰等[7]針對船舶綜合電力系統(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，可為實現(xiàn)船舶節(jié)能減排和運行效率的提升提供參考和借鑒。

1 能量管理系統(tǒng)簡介

1.1 功能需求

為了滿足船舶運行過程中的負(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等六項功能。

1.2 能量管理策略制定流程

在船舶設(shè)計的整個過程中，需要根據(jù)性能需求，對推進(jìn)系統(tǒng)的能量管理策略進(jìn)行制定和優(yōu)化。其過程為：首先根據(jù)電力系統(tǒng)的相關(guān)特點，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)將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，再通過配電裝置進(jìn)行變頻調(diào)速，驅(qū)動推進(jìn)電機(jī)后帶動螺旋槳運轉(zhuǎn)，實現(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)三個部分，其中發(fā)電系統(tǒng)主要由四臺柴油發(fā)電機(jī)組成，系統(tǒng)整體的能量流向為發(fā)電機(jī)組將原動機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電動機(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)動下提供推進(jìn)動力，在此過程中，會有一定比例的能量損耗，但占比僅為10%～20%。通過推進(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，以實現(xiàn)最高效的運行管理。在一臺發(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，對發(fā)電機(jī)組實行調(diào)度和控制管理，以期能夠?qū)崿F(xiàn)最佳的運行效率。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)一臺柴油發(fā)電機(jī)組的額定功率達(dá)到85%時，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，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時對系統(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，能量管理系統(tǒng)對推力系統(tǒng)發(fā)出增機(jī)指令，當(dāng)可用功率≤0.10 Pe時，能量管理系統(tǒng)對推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)出限制使用的指令，直到第二臺發(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，能量管理系統(tǒng)對船舶推力系統(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，螺旋槳處于高負(fù)載工作狀態(tài)，此時電網(wǎng)功率的波動較大，且與螺旋槳波動呈三次方正比，螺旋槳的微弱波動均會引起船舶電力系統(tǒng)功率的較大波動，故在此狀態(tài)下應(yīng)該盡量避免頻繁啟停發(fā)電機(jī)組。高速運行狀況時，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，能量管理系統(tǒng)需要對推力系統(tǒng)發(fā)出增機(jī)指令，在第三臺機(jī)組并網(wǎng)成功后，再均分負(fù)載，以此類推，第四臺機(jī)組并網(wǎng)也是如此，最終實現(xiàn)四臺發(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一致，此處不再贅述。

4 結(jié)論

基于能量管理系統(tǒng)理論，對船舶推力系統(tǒng)在不同工況下的能量管理策略進(jìn)行了研究，提出：當(dāng)船舶處于低速運行工況時，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)船舶處于高速運行工況時，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)運行效率提供參考。

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