馬吳涵，陳 穎，馬天宇，徐銘陽

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011；2.海裝上海局駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011）

0 引言

船舶電力系統(tǒng)在船舶工程中扮演著至關重要的角色。電力推進技術已經(jīng)成為多種船型中最有效的推進方式之一，為船舶領域帶來了新的變革。破冰船是最早采用電力推進技術的船舶之一。由于極端的工作環(huán)境，對推進系統(tǒng)的性能和可靠性要求極高。電力推進系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其對低溫環(huán)境的適應性和更好的操控性能，以及電動機低轉速大扭矩的特點，有利于應對不同的冰況和航行需求[1]。因此，許多破冰船采用電力推進系統(tǒng)來驅動螺旋槳，以增強其在冰層中的機動性。

本文旨在深入探討破冰船的電力推進系統(tǒng)，特別關注在特殊工況下所面臨的挑戰(zhàn)以及解決方案。本研究將探討如何克服由環(huán)境復雜性引起的船舶負荷變化對電力推進系統(tǒng)性能的影響[3]，以確保破冰船在極端條件下的可靠性和安全性。

1 破冰船破冰工作模式分析

破冰船是在極寒水域執(zhí)行任務的特殊船型，其主要技術挑戰(zhàn)之一是應對不斷變化的推進負載扭矩，以及在破冰操作期間對螺旋槳葉片施加的扭矩變化[4]。為了應對這些挑戰(zhàn)，需要細化考慮不同工作模式下的扭矩變化特點，主要包括針對整船性能的破冰工況與倒車工況，以及針對螺旋槳的“冰堵”模式與“冰切削”模式。

①破冰工況

破冰模式是破冰船的主要工作模式之一。在這個模式下，船舶以高功率前進，船首的特殊設計和強大的推進力用來破碎和分離冰塊。

②倒車工況（螺旋槳反轉模式）

倒車工況是在遇到極端情況或需要迅速擺脫危險時采用的工作模式。在該工況下，破冰船停止前進，然后通過反向旋轉螺旋槳以高功率進行倒車，以擺脫冰堵或危險的情況。反轉模式通常用作應急措施，因為它可能對船體和設備造成一定程度的應力和損耗。

③冰堵模式

冰堵模式是指當破冰船的螺旋槳遇到堅硬的固體冰塊時，螺旋槳卡死的情況。這種情況下，船舶可能會停滯不前或移動受阻。解決這一問題的方法是通過改變螺旋槳的旋轉方向或使用其他設備來解除冰塊冰堵。

④冰切削模式

冰切削模式是指破冰船的螺旋槳遇到浮冰或浮冰片時，需要將其切割或分解為更小的塊以便船舶可以通過。在這種情況下，螺旋槳葉片必須施加適量的扭矩來削減或分裂冰塊，以降低阻力并推動船舶前進。

因此，破冰船的電力推進系統(tǒng)扮演著至關重要的角色[5]。系統(tǒng)必須提供足夠的功率和扭矩，以克服水面冰層帶來的巨大阻力，同時保持船舶的良好機動性。破冰過程中頻繁的急停和倒退操作對電力推進系統(tǒng)的設計提出了極高的要求，要求其具備出色的動態(tài)響應能力和可靠性，以確保破冰任務的成功完成。深入研究和不斷改進破冰船的電力推進系統(tǒng)對于提高極地航運的效率和安全性具有重要意義，也是當前研究領域的一個重要課題。

2 亞馬爾型液化天然氣（LNG）船

2.1 電力推進系統(tǒng)架構

亞馬爾型LNG船舶符合俄羅斯船級社最高規(guī)格的ARC-7破冰設計，能夠破開2.1 m厚的北極冰[6]。

如圖1所示為該船的電力推進系統(tǒng)接線圖，該系統(tǒng)由三個額定功率為15 MW的推進器組成。推進變頻器是三臺ACS 6000，它們由對稱的兩個配電板供電。設計的關鍵優(yōu)勢在于冗余的電網(wǎng)架構提高了系統(tǒng)的可靠性，無論哪個部分發(fā)生故障，都有兩個吊艙可以繼續(xù)使用。

圖1 亞馬爾型船舶電力推進系統(tǒng)接線示意圖

2.2 電力推進系統(tǒng)控制方案

為了應對ARC-7規(guī)格破冰任務中的特殊挑戰(zhàn)，該項目采用了推進控制單元（PCU）來執(zhí)行推進控制功能。

當電力推進的螺旋槳速度下降時，會導致輸出負載減少。即在破冰船破冰時，螺旋槳組件通常會受到不規(guī)則的、強烈的扭矩干擾。解決方案是通過建立“過扭矩”模式從而穩(wěn)定推進系統(tǒng)負載。ABB設計的ACS 6000驅動器可使扭矩達到額定的180%。由于螺旋槳與冰磨削等情況導致轉速下降，而突破冰層并保持連續(xù)的轉速運行時扭矩仍能不斷增加，可以實現(xiàn)在螺旋槳速度下降的情況下，機械功率保持不變。

通過該方式，船舶能夠在面對冰塊等高阻力情況下，繼續(xù)高效運行。這一方法確保了在極端環(huán)境下維持操作的穩(wěn)定性和可靠性。

如圖2所示，在功率一定的情況下，如果螺旋槳的轉速降低到臨界值（相應功率曲線與180%水平線相交），運行模式改變，PCU把扭矩限制在180%額定值。

圖2 亞馬爾型船舶超扭矩工作模式

與船用柴油相比，LNG船舶通常使用液化天然氣作為主要燃料。該氣體能量密度較低，會影響電機在急停時所能承受的降速速率。為了避免電機控制單元（ECU）切換到船用柴油或其他情況導致電氣保護裝置觸發(fā)跳閘，項目采取了以下策略：

①當發(fā)電量超過需求時，首先要降低原動機功率，盡可能減少產生多余的氣體。

②如果有剩余發(fā)電量，利用推進器的能力盡可能地消耗多余電力。

③如果還有剩余發(fā)電量，啟用電阻器把多余的電力轉化為熱能。這個針對破冰模式的功能叫做“負載銀行”（Load Bank）功能[7]。

通過這些策略的協(xié)同作用，系統(tǒng)的可用性得到提高，確保了在各種工作情況下，電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。這一方案相對于現(xiàn)有的解決方案在性能方面表現(xiàn)出色。

3 USCGC Healy破冰船

3.1 電力推進系統(tǒng)架構

破冰船USCGC Healy是柴油電力推進系統(tǒng)，包括電壓調節(jié)、整流器、直流母線/濾波器、逆變器、PWM 驅動控制器、永磁同步電機型推進電機、軸和螺旋槳。

USCGC Healy破冰船具有AC / AC環(huán)形轉換器驅動器，其數(shù)據(jù)可用于與由PWM驅動系統(tǒng)供電的PMSM進行比較。PMSM 模型參數(shù)包括永磁體的磁通量、參考電流、轉矩常數(shù)和電機繞組阻抗。搭載兩個15000馬力的雙繞組推進電機。發(fā)電機組模型為柴油驅動的四臺7.2 MW、6.6 kV、三相、514 rpm同步電機。選擇12脈沖型整流器電路作為PWM電機驅動應用的AC/DC轉換技術。直流母線配有一個0.005 F電容器。使用絕緣柵雙極晶體管 （IGBT）逆變器，由直流母線供電。

3.2 電力推進系統(tǒng)控制方案

針對破冰特殊工作狀態(tài)，該船使用基于速度控制的矢量控制方法，該算法的核心思想是將推進系統(tǒng)的控制從實際的三相電壓和電流轉換為虛擬模擬值，這些值在一個旋轉的二相坐標系A、q中計算，其中q軸指向轉子磁通矢量方向。

在這個二相坐標系中，我們認為電機的電壓和電流是恒定的，類似于直流電機控制原理。該類型的電機系統(tǒng)具有最佳動態(tài)性能，能夠在外部擾動作用下維持輸出參數(shù)的穩(wěn)定性。

為了驗證控制系統(tǒng)在冰船遇到的各種操作場景中的穩(wěn)定性，文獻[8]識別和量化PWM驅動器對電能質量的潛在影響，對航行破冰工況、緊急倒車工況以及螺旋槳冰切削模式進行仿真。

3.2.1 破冰工況

當船只遇到冰時，敞水阻力曲線失效。所需速度增加到143 rpm，時間延長到65 s，使推進系統(tǒng)能產生足夠的推力以抵消冰施加給船體的阻力。

從圖3可以看出，PMSM電機電流在達到速度設定點之前達到最大值。

圖3 破冰情況下的系統(tǒng)響應

3.2.2 倒車工況（緊急倒車）

在緊急倒車測試中，前進方向上以8m/s的初始船體速度初始化，上層控制器給出一個控制指令，將轉速設定為143 rpm（15 rad/s）。在t =10s時，控制器發(fā)出了一個-143rpm（全倒車）的指令，測試運行的結果如圖4所示。

圖4 緊急剎車模式下系統(tǒng)響應

USCGC Healy的設計規(guī)格要求在25 s內實現(xiàn)全功率反轉?？梢钥闯觯谕耆管嚸罱o出后的15 s后，電流出現(xiàn)了預期的反轉，導致電機軸的旋轉方向發(fā)生了變化。最終實現(xiàn)了要求的-143 rpm的軸速度。

這項研究的結果初步顯示，采用PWM的控制系統(tǒng)作為破冰船電力推進系統(tǒng)的技術選擇是可行的。性能測試模擬了在整個負載范圍內實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

4 俄羅斯22220項目核動力破冰船

4.1 電力推進系統(tǒng)架構

俄羅斯22220項目破冰船的電力推進系統(tǒng)采用電動機組作為推進動力，每個電動機組由兩個轉子共軸的異步電機組成并連接螺旋槳。異步電機的定子繞組由單獨變頻器供電，變頻器又分別由多個變壓器供電。部分推進電路如圖5所示。

圖5 22220項目破冰船推進系統(tǒng)簡化示意圖

該推進系統(tǒng)架構旨在提供足夠強大的動力以應對極端的北極環(huán)境條件，確保這些破冰船能夠有效地開展任務。

4.2 電力推進系統(tǒng)控制方案

4.2.1 控制模式

該類型破冰船的電力推進系統(tǒng)具有兩種控制模式，分別為轉速控制模式與功率控制模式。這兩種模式的轉速和功率變化如圖6所示。

圖6 控制模式與螺旋槳的轉速功率變化曲線

兩種控制模式的目的是適應不同工作需求，特別是對于特殊工況，如“冰切削”和“冰堵”情況下的電機工作要求。由于電磁體的制造差異，定子和轉子相互感應的不同，導致兩個電機在同樣的控制信號下產生不同大小的電流。

為了解決兩臺異步電機之間的電流不平衡問題，需要對矢量控制算法進行調整。根據(jù)參考文獻[9]，調整方案的核心是在電磁矩控制器中引入電流差異校正信號，以確保兩臺電機在各種工作模式下都能夠平衡地分擔負載。優(yōu)化后的算法考慮了不同工作模式下的電流差異，在特殊工作模式下，算法會自動根據(jù)實際情況進行調整，以確保電機在不同負載條件下都能正常運行，降低過載風險。

4.2.3 螺旋槳冰切削模式與“冰堵”模式

圖7展示了電動推進系統(tǒng)的槳葉轉速、總電磁矩以及在啟動和加速到5.23r/s（50 rpm）后，切換到“冰切削”模式和“冰堵”模式期間，每個電機單獨產生的電磁矩的曲線圖。

在模擬過程中，使用了參考文獻[10]中的電力推進系統(tǒng)的計算機模型。在圖8中，呈現(xiàn)了在相同工作模式下兩臺電機同名定子繞組流經(jīng)的電流差異曲線圖。

圖8 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（啟動并加速至5.23 r/s并過渡到冰切削）

由圖7和圖8分析可知，兩臺異步電機之間相同相電流的實際值差異分別為150 A（“冰切削”模式）和190 A（“冰堵”模式）。對于變頻器來說，它需要承受超過額定值約兩倍的輸出電流，即其中一臺電機將承受額外負載，導致故障，引發(fā)緊急情況。

圖9與圖10是基于優(yōu)化算法的電機特性變化曲線。經(jīng)過對比可知實現(xiàn)了同名繞組電流的平衡，電機從逆變器中消耗的電流在最嚴重的“冰堵”模式下的差值不超過4 A。如果不進行校正，“冰堵”模式下電流的差值將達到190 A（圖8）。

圖9 機組的總轉速、電磁轉矩和每臺異步電機的電磁力矩變化曲線（啟動并加速至5.23 r/s并過渡到冰切削）

圖10 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（啟動并加速至5.23 r/s并過渡到冰切削）

4.2.4 倒車工況

除了"冰切削"和"冰堵"模式外，對于逆變器而言，倒車工況也需要考慮電流超載的情況。

圖11和12是倒車工況（螺旋槳反轉運行）時，無電磁力矩矯正的內部電機特性變化曲線，顯示從5.23 r/s（50 rpm）到-5.23 r/s（-50 rpm）旋轉頻率的變化，該模式假設在敞水中進行。矩變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內變化）

圖11 機組的總轉速、電磁轉矩和每臺異步電機的電磁力矩變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內變化）

圖12 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內變化）

圖13和14顯示了在相同模式下，帶有電磁力矩校正的電機特性曲線。對比分析可知在倒車過程中，使用校正導致了兩個電機產生的電磁力矩的不平衡，從而實現(xiàn)了同名繞組電流的平衡（在沒有校正的情況下，電流的差值達到100 A，在有校正的情況下，差值減少到1 A）。

圖13 機組的總轉速、電磁轉矩和每臺異步電機的電磁力

圖14 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內變化）

通過優(yōu)化矢量控制算法，特別是在特殊工況下，可以提高電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，降低緊急情況的發(fā)生可能性。

5 結論

通過深入探討了亞馬爾型LNG船、USCGC Healy破冰船以及俄羅斯22220項目核動力破冰船的電力推進控制系統(tǒng)，包括其系統(tǒng)架構、控制方案和特殊工況下的性能，旨在總結其關鍵特點和控制策略，有助于加深對電力推進技術在破冰船領域的應用和性能特點的理解。本文突出了各種電力推進系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，針對特殊工況如破冰、倒車和冰切削等工況，在亞馬爾型LNG船的案例中，引入了"過扭矩"模式和一系列控制策略，以穩(wěn)定推進系統(tǒng)的負載，提高了在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性；USCGC Healy破冰船采用了柴油電力推進系統(tǒng)，探討了PWM變頻器在破冰船上應用的可行性；俄羅斯22220項目核動力破冰船采用了串軸電機組，通過引入電流差異校正信號，改善不同工作模式下的電流不平衡的問題，提高穩(wěn)定性。這些策略有助于為船舶設計者選擇適合其特定需求的電力推進系統(tǒng)提供一定的指導。

未來還可以進一步研究其他特殊工況下的電力推進系統(tǒng)控制方法，探討新的技術和創(chuàng)新，以不斷提高船舶電力推進系統(tǒng)的性能和可靠性。