不同工况下船舶电力推进系统能量管理策略分析

蒋美娟 张燕琴 周嘉俊

摘 要：实现船舶运行过程中的节能减排对于节约航运成本具有重要意义，本文以能量管理系统为研究基础，对船舶电力推进系统在低速和高速两种不同工况下的能量管理策略进行了研究，以期能够为提高船舶电力推进系统运行效率提供参考和借鉴。

关键词：电力推进系统;节能减排;能量管理系统;能量管理策略;运行效率

中图分类号：U664.14              文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）07-0074-03

舰船电力推进技术是当今船舶动力新的发展方向，从最初的直流电动机推进方式发展至现如今的交流电机推进方式，电力推进已在造船工业中逐渐普及运用。电力推进系统具有“模块化、集成化”的特点，相比传统推进系统，其机动性能更好、结构布局更优化，具有振动噪音小、节能环保、经济性好、安全性好等诸多优点。但是在运行过程中，如启动、制动、正反转切换会对船舶的电力系统产生较大的扰动，电网中的电压、电流、功率以及频率等也会跟着产生波动，这将严重影响推进系统的可靠、稳定与经济性[1-3]。

为了改善电力系统的运行性能，提高运行效率，达到航行与经济效益的灵活配置，需要对船舶进行建模与能量管理，找到最佳的能量管理策略[4-5]。韩北川等[6]基于模糊控制理论对混合动力船舶能量管理策略进行了分析，丁峰等[7]针对船舶综合电力系统的能量管理控制系统进行了全数字仿真分析，庄绪州等[8]则提出了船舶全电力推进系统恒功率负载有源阻尼控制策略，这些研究对于船舶电力推进系统的改进具有重要的指导意义。

本文根据船舶航速与推力以及推进系统与功率之间的相关关系，结合船舶发电功率，提出船舶电力推进系统在不同工况下的能量管理控制策略，可为实现船舶节能减排和运行效率的提升提供参考和借鉴。

1 能量管理系统简介

1.1 功能需求

为了满足船舶运行过程中的负荷需求、稳定性与安全性，能量管理系统需要具有机组调度与控制、频率控制与负载分配、电压控制与负载分配、推进系统的功率限制、快速减载以及重载询问等六项功能。

1.2 能量管理策略制定流程

在船舶设计的整个过程中，需要根据性能需求，对推进系统的能量管理策略进行制定和优化。其过程为：首先根据电力系统的相关特点，分析电力推进系统的流量流向，确定产能和耗能设备及装置。其次，根据电机和船桨的相关匹配特性，计算不同航速（不同工况）下的负荷需求量。接着，确定不同工况下的发电工作模式。最后，综合考虑经济、安全与可靠性，得到不同工况下的能量管理策略（见图1）。

2 电力推进系统能量流向分析

2.1 电力推进系统结构

船舶电力推进系统一般包括原动机、发电机、变频设备、控制设备、螺旋桨以及推进机等其他设备，其原理是发电机将原动机的机械能转化为电能，再通过配电装置进行变频调速，驱动推进电机后带动螺旋桨运转，实现船舶的航行（见图2）。

2.2 能量流向分析

根据船舶推力系统的结构和功能特征，将其分为发电系统、配电输电系统以及负载系统三个部分，其中发电系统主要由四台柴油发电机组成，系统整体的能量流向为发电机组将原动机产生的机械能转化为电能，电动机再将发电机组提供的电能转化为旋转机械能，螺旋桨在旋转机械能的驱动下提供推进动力，在此过程中，会有一定比例的能量损耗，但占比仅为10%～20%。通过推进系统整体的配合关系，可以得到不同工况下的门限阈值，据此可以确定得到船舶发电机组的工作模式。船舶推进系统能量流向示意见图3。

3 不同工况能量管理策略

不同的船舶航速下，需要调度和启用不同数量的发电机组，以实现最高效的运行管理。在一台发电机组下（假设容量为Pe），其发电输出和推进电机输出功率分别为0.864Pe和0.74Pe，能获得的最大航速是7节，在两台发电机组下，其发电输出和推进电机输出功率分别为1.728Pe和1.44Pe，能获得的最大航速是10节，在三台发电机组下其发电输出和推进电机输出功率分别为2.592Pe和2.24Pe，能获得的最大航速是14节，在四台发电机组下，其发电输出和推进电机输出功率分别为3.456Pe和3.04Pe，能获得的最大航速是20节。根据航行任务需要，对发电机组实行调度和控制管理，以期能够实现最佳的运行效率。文中将0～10节作为低速工况，将10～20节作为高速工况分别进行能量管理策略的分析。

3.1 低速工况

低速工况为航速0～10节，假设一台柴油发电机组的额定功率达到85%时，需要进行增机（即临界增机条件），那么剩余的可用功率阈值即为15%（0.15Pe），由于每臺发电机组容量相同，因此，可以按照固定可用功率增机模式进行船舶推力系统能量管理控制;但是，当柴油机的额定功率低于30%时，容易在燃烧室和排气管处积累大量的烟灰从而经常导致点火失败，故当额定功率小于一定值后也需要发出减机指令，关闭多余的不需要的发电机组，保守起见，约定可用功率低于1.35 Pe时对系统开始发出减机指令。

综上所述，船舶推力系统在低速工况下的能量管理策略为：当可用功率≤0.15 Pe时，能量管理系统对推力系统发出增机指令，当可用功率≤0.10 Pe时，能量管理系统对推进系统发出限制使用的指令，直到第二台发电机组并网成功后才解除其限制指令，当可用功率大于1.35 Pe时，能量管理系统对船舶推力系统发出减机指令。另外，能量管理系统还设置了故障预警指令，即当其中一台发电机发生故障后，为了保证推力系统可用功率仍然在0.15 Pe之上，对推力系统发出快速减负载指令，确保推力系统始终处于可靠安全的运行状态，见图4。

3.2 高速工况

当船舶航速为10～20节时，螺旋桨处于高负载工作状态，此时电网功率的波动较大，且与螺旋桨波动呈三次方正比，螺旋桨的微弱波动均会引起船舶电力系统功率的较大波动，故在此状态下应该尽量避免频繁启停发电机组。高速运行状况时，将增机功率阈值设置为0.9Pe，当可用功率小于0.1 Pe后，对其余发电机组发出均分指令，减机阈值仍设置为可用功率大于1.35 Pe，其减机过程与低速工况下的能量管理一致。

综上所述，可将船舶推力系统在高速工况下的能量管理策略总结为：当实际功率达到并网机组容量的90%后（可用功率≤0.10 Pe），而负载功率在继续增大时，能量管理系统需要对推力系统发出增机指令，在第三台机组并网成功后，再均分负载，以此类推，第四台机组并网也是如此，最终实现四台发电机组共同发电，减机程序和快速减机程序原理与低速状况时一致，此处不再赘述。

4 结论

基于能量管理系统理论，对船舶推力系统在不同工况下的能量管理策略进行了研究，提出：当船舶处于低速运行工况时，增机指令发出阈值为0.15Pe，限制指令发出阈值为0.1Pe，减机指令发出阈值为1.35Pe;当船舶处于高速运行工况时，增机指令发出阈值为0.9Pe，减机指令发出阈值为1.35Pe。相关研究成果可为提高船舶电力推进系统运行效率提供参考。

参考文献：

[1]张文保，施伟锋，兰莹，顾思宇，卓金宝.基于层次分析—模糊综合评估法的电力推进船舶电能质量实时评估系统[J].中国舰船研究，2019，14（06）：48-57.

[2]侯淑芳，钱威岳.内河船舶电力推进系统的节能与环境效益评估[J].南通航运职业技术学院学报，2019，18（02）：42-46.

[3]郭欣.船舶电力推进系统在波浪中的功率节能与转速控制研究[J].舰船科学技术，2018，40（24）：79-81.

[4]张逸峰，王锡淮.混合动力船舶的建模与能量管理[J].船电技术，2018，38（07）：32-37.

[5]吴文传，张伯明，孙宏斌，王彬，杨越，刘昊天，蔺晨晖，王思远.主动配电网能量管理与分布式资源集群控制[J/OL].电力系统自动化：1-10[2020-04-15].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20200205.1807.004.html.

[6]韓北川.基于模糊控制的混合动力船舶能量管理策略研究[J].机电工程技术，2019，48（07）：84-87.

[7]丁峰，肖杨婷，张少华.船舶综合电力系统的能量管理控制系统与全数字仿真研究[J].船舶工程，2018，40（05）：46-51.

[8]庄绪州，张勤进，刘彦呈，郭洪智，张博.船舶全电力推进系统恒功率负载有源阻尼控制策略[J].电工技术学报，2020，35（S1）：101-109.