提高船舶微电网艏侧推进器运行能效的控制策略
发布日期：2019/2/27
天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室、丹麦奥尔堡大学能源技术系、国网天津市电力公司电缆分公司的研究人员肖朝霞、李怀民等，在2018年《电工技术学报》增刊2上撰文，考虑到船舶电力艏侧推进器频繁快速起停对船舶电力系统（船舶微电网）燃油利用效率和系统稳定性的影响，提出在艏侧推进器直流母线增加储能装置，为艏侧推进器驱动装置供电。
该方案可有效降低柴油发电机容量，提高燃油利用效率，降低艏侧推进器起动突增功率对船舶电网电压频率扰动的影响。同时由于艏侧推进器电机制动时可做发电机运行，储能装置可替代消耗电阻吸收快速制动电机产生的电能。
设计了一种三相交错并联运行的DC-DC变换器的电压自适应PI控制器，该方案增加变换器的带载能力，并分析了控制器参数的选择范围。仿真结果表明，该控制器在艏侧推进器频繁起动过程中可有效抑制直流母线电压的暂升和暂降，且增加直流变换器的带载能力。
随着全球能源安全与环境恶化等问题的日益凸显，航运业对节能减排的呼声越来越高。根据国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）的测算，2012年全球航运业的温室气体排放量已相当于全球总排放量的2.6%，氮氧化物占总排放量的15%，硫氧化物占总排放量的13%，并且到2050年航运污染预计增加1倍，全球船舶业急需升级转型。
我国是一个造船和航运大国，造船业与航运业已成为国民经济发展的支柱性产业之一。船舶电力系统是船舶赖以生存的基础，其科学技术的进步将极大地促进我国造船与航运行业的发展。当前船舶电力系统主要为交流供电，舰船主要采用直流供电。
从本质上说，船舶电力系统是一个独立运行的微电网，即船舶微电网。船舶微电网和基于可再生能源的微电网之间有很多共同特征，例如独立运行，使用较多的电力电子变换器。因此，可再生微电网的相关协调控制与能量管理技术可以扩展到船舶微电网。
但是，船舶微电网主要负荷为大功率推进装置和各种泵类，同时船舶运行对电力系统可靠性的要求很高。因此，在船舶微电网的研究中，功率变换器拓扑结构设计与控制，电网层的协调控制与功率能量管理等更为复杂。
船舶电力推进是一种电机直接驱动螺旋桨的推进方式，相比传统的机械式推进，具有节省空间、可操控性强等优势，成为发展的主流之一。船舶艏侧推进是一种产生船舶横向推力的特殊推进装置，用来增强船舶在停靠、驶离港口的操纵性以及避碰过程中的灵活性，属于船舶电网中的短时脉动负载，其作为船舶辅助操纵装置，主要应用于港口内船舶，例如近海支援船和平台供应船。
艏侧推进功率需求如图1所示。由于功率推进电机的频繁操控，船舶供电电源（例如柴油发电机组）很难快速跟踪负荷功率变化，且艏侧推进器的大功率脉动供电需求可能导致船舶微电网频率和电压的波动，影响系统稳定运行。
图1 艏侧推进器功率需求
当前科研人员针对船舶电力推进器的设计进行了大量研究。文献[10]基于实验平台建立了船舶主推进器变频调速矢量控制系统，优化电力推进船舶的操纵性和稳定性。文献[11]利用转子磁场定向控制策略对异步推进电机进行控制，通过实验模拟各种工况下船舶电力推进系统的特性，并研究了推进电力在运行过程中对电网的影响。
文献[12]对船舶艏侧推和船舶停靠系统进行研究，主推进器和侧推进器相互协调，建立二阶数学模型并通过实验进行验证。文献[13]提出使用超级电容器减少艏侧推进器对船舶微电网质量的影响。
为了满足大功率艏侧推进电机的运行，文献[14]提出将三相交错并联DC-DC变换器应用于电力储能系统，该方案增加了变换器的容量，降低了输出电流纹波。文献[15]提出DC-DC变换器电流前馈控制策略，通过电流比例环节修正模型误差，进而实现变换器的快速响应。
基于以上分析，本文采用异步电机作为艏侧推进电机模型，选用转子磁链定向矢量控制方法。为了减小艏侧推进电机运行对船舶电网的影响，在推进电机的直流母线侧增加储能电池，提供短时频繁起动艏侧推进电机所需能量。此外，对三相交错并联DC-DC变换器提出自适应PI控制方法，并建立小信号模型对DC-DC变换器的参数进行分析，提高DC-DC变换器的带载能力。最后给出了系统参数和仿真结果及分析。
图2 船舶微电网结构
结论
本文根据船舶艏侧推操纵状态，提出了利用电池给船舶艏侧推进器驱动的供电方案。该方案有效地降低了大功率脉动负载对船舶电网电压频率波动的影响，提高了柴油发电机的燃油利用效率，增加了船舶微电网的稳定性。
采用三相交错并联DC-DC变换器，可满足推进器起动时的大功率需求，同时吸收推进器回馈电能，提高能源利用效率。设计的自适应PI电压控制可有效抑制负载扰动，提升DC-DC变换器载容量和系统电能质量。
来源:电工技术学报
