DQZHAN技術(shù)訊：提高船舶微電網(wǎng)艏側(cè)推進器運行能效的控制策略
天津工業(yè)大學電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室、丹麥奧爾堡大學能源技術(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)學報》增刊2上撰文，考慮到船舶電力艏側(cè)推進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)推進器直流母線增加儲能裝置，為艏側(cè)推進器驅(qū)動裝置供電。
該方案可有效降低柴油發(fā)電機容量，提高燃油利用效率，降低艏側(cè)推進器起動突增功率對船舶電網(wǎng)電壓頻率擾動的影響。同時由于艏側(cè)推進器電機制動時可做發(fā)電機運行，儲能裝置可替代消耗電阻吸收快速制動電機產(chǎn)生的電能。
設計了一種三相交錯并聯(lián)運行的DC-DC變換器的電壓自適應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)推進器頻繁起動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年全球航運業(yè)的溫室氣體排放量已相當于全球總排放量的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年航運污染預計增加1倍，全球船舶業(yè)急需升級轉(zhuǎn)型。
我國是一個造船和航運大國，造船業(yè)與航運業(yè)已成為國民經(jīng)濟發(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)，其科學技術(shù)的進步將極大地促進我國造船與航運行業(yè)的發(fā)展。當前船舶電力系統(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)是一個獨立運行的微電網(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，例如獨立運行，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)可以擴展到船舶微電網(wǎng)。
但是，船舶微電網(wǎng)主要負荷為大功率推進裝置和各種泵類，同時船舶運行對電力系統(tǒng)可靠性的要求很高。因此，在船舶微電網(wǎng)的研究中，功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)設計與控制，電網(wǎng)層的協(xié)調(diào)控制與功率能量管理等更為復雜。
船舶電力推進是一種電機直接驅(qū)動螺旋槳的推進方式，相比傳統(tǒng)的機械式推進，具有節(jié)省空間、可操控性強等優(yōu)勢，成為發(fā)展的主流之一。船舶艏側(cè)推進是一種產(chǎn)生船舶橫向推力的特殊推進裝置，用來增強船舶在?？俊Ⅰ傠x港口的操縱性以及避碰過程中的靈活性，屬于船舶電網(wǎng)中的短時脈動負載，其作為船舶輔助操縱裝置，主要應用于港口內(nèi)船舶，例如近海支援船和平臺供應船。
艏側(cè)推進功率需求如圖1所示。由于功率推進電機的頻繁操控，船舶供電電源（例如柴油發(fā)電機組）很難快速跟蹤負荷功率變化，且艏側(cè)推進器的大功率脈動供電需求可能導致船舶微電網(wǎng)頻率和電壓的波動，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
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圖1 艏側(cè)推進器功率需求
當前科研人員針對船舶電力推進器的設計進行了大量研究。文獻[10]基于實驗平臺建立了船舶主推進器變頻調(diào)速矢量控制系統(tǒng)，優(yōu)化電力推進船舶的操縱性和穩(wěn)定性。文獻[11]利用轉(zhuǎn)子磁場定向控制策略對異步推進電機進行控制，通過實驗模擬各種工況下船舶電力推進系統(tǒng)的特性，并研究了推進電力在運行過程中對電網(wǎng)的影響。
文獻[12]對船舶艏側(cè)推和船舶?？肯到y(tǒng)進行研究，主推進器和側(cè)推進器相互協(xié)調(diào)，建立二階數(shù)學模型并通過實驗進行驗證。文獻[13]提出使用超級電容器減少艏側(cè)推進器對船舶微電網(wǎng)質(zhì)量的影響。
為了滿足大功率艏側(cè)推進電機的運行，文獻[14]提出將三相交錯并聯(lián)DC-DC變換器應用于電力儲能系統(tǒng)，該方案增加了變換器的容量，降低了輸出電流紋波。文獻[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，進而實現(xiàn)變換器的快速響應。
基于以上分析，本文采用異步電機作為艏側(cè)推進電機模型，選用轉(zhuǎn)子磁鏈定向矢量控制方法。為了減小艏側(cè)推進電機運行對船舶電網(wǎng)的影響，在推進電機的直流母線側(cè)增加儲能電池，提供短時頻繁起動艏側(cè)推進電機所需能量。此外，對三相交錯并聯(lián)DC-DC變換器提出自適應PI控制方法，并建立小信號模型對DC-DC變換器的參數(shù)進行分析，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)推進器驅(qū)動的供電方案。該方案有效地降低了大功率脈動負載對船舶電網(wǎng)電壓頻率波動的影響，提高了柴油發(fā)電機的燃油利用效率，增加了船舶微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
采用三相交錯并聯(lián)DC-DC變換器，可滿足推進器起動時的大功率需求，同時吸收推進器回饋電能，提高能源利用效率。設計的自適應PI電壓控制可有效抑制負載擾動，提升DC-DC變換器載容量和系統(tǒng)電能質(zhì)量。
