电力推进系统直流储能方法研究

李 勇

中海船研科技股份有限公司研究开发部，上海200135

0 引 言

当前，电力推进系统以其机动性好、低污染、低能耗等特点成为国内外舰船动力装置发展的主要方向之一，在军用、民用方面都受到了广泛关注，并有许多成功应用。根据国内设计院的统计信息，目前有大量的海工项目和船东开始要求使用电力推进，订单数量在持续快速增长。可预见，未来新型舰船采用电力推进必将成为主流趋势。

电力推进的工作原理是：变频器依照推进指令，通过一定的控制算法对推进电机进行控制，推进电机带动推进器按船舶航行需要工作。在舰船的航行过程中，推进电机并不总是恒速运行，其运行状态还包括升速、减速、倒车、停车，这些运行状态都会引起电能需求的改变；同时，海况变化导致推进负载改变，也会引起推进电能需求的变化。因此，对于船舶电网，电力推进负载是一个变化频率较高、变化幅度较大的特殊负载。

推进负载的快速、大幅度变化对船舶电网的供电性能和推进驱动系统的工作性能存在较大影响。电机升速过程中或海况恶劣时，推进负载会随之增加，推进功率需求增大，如果此时船舶电网热备余量不足，或由于负载增加过快使发电设备无法及时响应，就会造成推进电机推进功率不足、驱动变频器的直流母线电压降低和船舶电网波动，影响推进机动性。而在电动机减速过程中，由螺旋桨的工作特性和电动机工作原理可知［1］，电机通常会进入发电状态，向变频器直流母线回馈一部分电能，这部分能量会引起直流母线电压升高［2］，如果超过一定值，就会对设备元件造成损害，甚至导致安全事故。

目前，对于解决电力推进过程中推进功率需求快速增加的问题，通常采用加大电网热备功率或备用发电设备投入的方法来保证船舶推进的机动性。然而，增加热备功率势必会降低发电设备运行效率。同时，由于发电机组原动机的工作特性，当推进功率增加过快时，即使存在一定的热备功率，常规发电机组也无法及时响应，快速增加输出。而投入备用发电机组虽然可以保证设备的工作效率，但在热备功率不足时，其响应速度更是难以满足推进机动性的要求。

在解决推进功率快速减少的问题时，通常采用两种处理方法，一是通过直流母线连接制动单元和制动电阻的方法，将超过允许值的回馈能量直接消耗掉。另一种是针对交流主干电网，通过有源前端技术［3］，将这部分能量回馈到电网进行再利用。前者不利于能量的回收利用，而后者将回馈的直流能量转换为交流电能供给电网，也在一定程度上降低了回馈能量的利用率。

针对上述问题，同时为应对不断提高的应用要求，电力推进技术领先的ABB公司和国内海军工程大学等几家研究机构均开始着手研究如何通过在推进供电端增加储能环节来减小推进负载变化对电网的影响，如静态储能技术、飞轮储能技术［4］等。目前这些技术在储能控制策略上还不够完善均处在试验验证阶段，尚无实际产品和成型技术公开。

设计提出采用基于静态储能装置的直流储能技术对推进变频器直流母线进行能量协调，设计了优化调度控制器，可实现推进负载增减过程中的推进功率补偿和电能调节，同时保证了推进性能、母线电压的稳定和能量的优化利用。

图1 储能及调度控制结构

1 直流储能及调度控制

储能技术是转移高峰电力、开发低谷用电、优化资源配置的一项重要技术措施，可以实现电力调峰，提高系统运行稳定性和电能质量。运用该技术设计了电能调度控制器，配合静态储能装置，实现直流母线的电能存储、释放的合理控制（结果见图1）。实现原理如下：

1.放电过程中，通过直流电压传感器实时获取直流母线电压，将采集的母线电压与储能装置端电压相比较，当母线电压低于储能装置电压，且母线电压已低于设定的放电阀值时，控制放电绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）导通，储能装置向母线放电，补偿推进功率至储能装置电压等于母线电压，关断IGBT，停止放电。为防止在母线电压建立的初始阶段误放电，放电控制回路中加入了延时判断环节，保证放电补偿只在母线电压建立后有效。

2.充电过程中，当母线电压高于储能装置电压和正常工作电压，且储能装置未处于电能饱和状态时，控制充电IGBT导通，母线向储能装置充电，当储能装置电压与母线相同，或已充电至饱和时，IGBT关断，停止充电。充电所需能量可来自船舶电网，也可来自推进电机的回馈，这与具体工况有关。

设计中，控制器控制储能装置与制动单元或脉冲宽度调制（Pulse Widt h Modulation，PWM）整流装置配合工作，储能装置最大输出电压的整定充分考虑了其他单元的运行条件，保证了不会由于储能装置放电导致母线电压过高触发制动单元或影响整流端工作。为防止在母线电压建立的初始阶段误放电，放电控制回路中加入了延时判断环节，保证放电补偿只在母线电压建立后有效。储能装置充电过程分为两种：

1.由正常工作的直流母线对其进行充电，充电上限为母线标准电压，这部分电能来源于电网和（或）回馈能量，保证了即使没有回馈的能量，储能装置也可从电网补充相当的能量，以备补偿推进功率。

2.完全由回馈能量向其充电，只在由于电能回馈造成母线电压高于标准电压时进行，实现对回馈能量的充分利用。由于本设计采用模拟电路实现，主回路开关器件采用IGBT。因此，控制响应速度可达微秒级，充分保证了电能调度的实时性、快速性。

2 仿真实验

通过搭建电力拖动系统计算机仿真模型（见图2），对常规的交直交驱动系统以及带有直流侧储能和调度控制功能的交直交驱动系统进行了电机驱动性能的仿真实验。对电力推进直流储能技术和电能调度控制器的性能进行了试验验证。

图2 电力拖动系统

试验中，两种驱动系统的试验条件相同，均采用工频开环控制，给定频率60 Hz，交流电源460 V，推进电机型号配置相同，负载变化规律相同（见图3）。

常用的静态储能设备包括蓄电池、超级电容和超导线圈等，由于试验主要目的是验证能量调度控制策略，因此仿真中选用了MATLAB中自带的铅酸蓄电池模块作为储能设备模型。蓄电池储能具有响应快、成本低、易实现等特点。

试验结果见图4～图6。

图3 负载转矩给定

图4 常规交直交驱动结果（曲线由上至下分别为电机定子电流、转速、转矩、直流母线电压）

图5 带有储能控制功能的交直交驱动结果（曲线由上至下分别为电机定子电流、转速、转矩、直流母线电压）

图6 储能装置电量变化（曲线由上至下分别为储能装置电压、电流和饱和度）

由图4、图5可知，当负载转矩突增，尤其是上升到40 N·m时，使用常规驱动装置的电机驱动性能显著下降，定子电流大幅增加，直流母线电压跌落严重；而使用带有储能控制功能的驱动系统，驱动功率得到及时补偿，驱动性能良好，定子电流和母线电压变化平稳。由此可见，采用储能协调技术不仅可以保证推进设备的推进能力，还可以在一定程度上提高推进系统的抗过载能力。

由图5、图6可知，当电机处于发电状态运行，回馈能量使母线电压升高到充电阀值时，控制器可控制母线向储能装置充电，一定程度上抑制了母线电压进一步升高。

此外，由储能技术的特点和上述试验可见，由于通过控制器可以及时协调储能装置和推进设备之间的能量流动，因此在设计船舶电站容量时，可考虑适当降低推进功率冗余量，减小电站设备功率等级，节约成本、节省空间。同时，考虑到新能源将成为未来舰船电能应用的必然趋势，且舰船可利用的新能源发电多为直流模式，如太阳能、核能、生物能等。因此，设计采用的直流储能和调峰技术也为今后舰船利用新能源进行能量补偿奠定了基础。

4 结 语

提出将直流储能技术应用于船舶电力推进电机驱动中，设计了直流母线电能调度控制器，控制电能在直流母线与储能装置间流动，实现电力推进过程中的推进功率补偿和回馈能量利用。仿真试验结果证明，该设计合理有效，可较好的提高电机驱动性能，其控制性能可满足电力推进电机工作需求，能够保证船舶推进的机动性和电能的优化利用。

［1］ 徐筱欣.船舶动力系统［M］.上海：上海交通大学出版社，2007.

［2］ 张承慧，李珂，杜春水，等.基于幅相控制的变频器能量回馈控制系统［J］.电工技术学报，2005，20（2）：41－46.

［3］ 孙玉良.有源前端变频器在船舶电力推进中的应用［J］.上海造船，2009（2）：30－32.

［4］ 王瑞田，付立军，纪锋，等.飞轮储能抑制舰船综合电力系统直流母线电压波动的研究［J］.船电技术，2010，30（12）：5－10.