PMS能量管理系統及其在電力推進型船舶中的應用

隨著我國船舶行業逐漸向現代化和大型化方向發展，電力推進系統被大力推廣，傳統的電站系統已經不能滿足時代發展的需求。PMS能量管理系統能夠實現發電自動化、用電設備管理、系統檢測報警等功能，提高了大型船舶電力系統的穩定性和安全性。本文主要分析PMS能量管理系統在電力推進型船舶中的應用。

【關鍵詞】PMS系統 電力推進型船舶

PMS系統是船舶自動化系統的重要組成部分，應用于大型船舶中能降低燃油消耗、防止失電，同時能夠保護電力設備安全運行，提高船舶性能。PMS系統應用于電力推進型船舶中必須要分析電力推進的優點和系統配置，并分析其控制層次結構、具體功能，從而最大限度的滿足使用工況。

1 PMS系統概述

PMS系統是一個集監測、控制、管理與保護為一體的綜合性船舶管理系統。該系統涉及的技術比較多，比如網絡通信技術、信息處理技術、系統決策技術、傳感技術以及計算機技術等。其運行的目標是根據船舶的實際工況來確定功率應用。PMS系統主要由5個部分構成，其系統功能框架見圖1。

1.1 PMS控制原理

電力推進型船舶自動化系統主要包含發電機控制系統、推進系統、配電板以及PMS功率管理系統，其中PMS系統一般利用配電板集中分配船舶的電能，可以直接控制發電機的轉速，并調節電網的工作頻率，合理分配船舶電站負荷，限制船舶大功率負荷，保障電站供電質量和安全。

1.2 PMS系統的重要器件選擇

1.2.1 電子調配器

PMS系統對調速器性能要求比較高，因為船舶環境比較復雜，通常模擬量調節信號容易受到電磁信號的干擾，所以必須實施速度調控處理，PMS系統在利用數字量信號實施調控時要盡量選擇性能較高的數字量調速器，提高電能調控的準確性。

1.2.2 控制系統

PMS系統一般選擇德國西門子SIMATICH冗余處理器400H系列CPU412H型號，實現數據的備份處理。在系統運行的過程中對整數和浮點數的運算量要求比較大，所以在這之前必須對系統運算實施預估計算分析，412H處理器運算速度能夠達到預期效果。在此基礎上SIMATICH系統利用光纖電纜對雙處理器實施熱備份冗余，而后利用系統擴展設計實現I/O冗余，大大提高系統的可靠性。

1.2.3 負荷分配器

PMS系統中負荷分配器一般使用的是多機組并網控制，這類型的分配器具有很多應用功能，比如邏輯編程功能、保護電機功能和監測功能等。如果PMS系統在實際運行過程中的模式為roop或ISO，那么可以利用系統自帶的斷路器控制功能和發電機保護功能實現PMS系統的實時監控和保護來提高系統運行安全性。

1.2.4 變送器

PMS系統在運行過程中對發電機的控制參數要求比較高，所以在船舶運行過程中最好選擇一些相應時間比較少的變送器。變送器相應時間<50ms最為合適，這樣使系統的控制時間采樣周期可以縮短為>50ms，這個范圍符合PMS系統的信號采樣指標，可以提高變速器工作效率。

2 系統關鍵技術和解決方案

2.1 速度控制技術分析

在船舶運行過程中，PMS系統可以同時對多臺發電機進行速度調節，使各臺發電機的調速依據其自身調節量進行垂直移動，達到平衡。如果系統僅僅調節一臺發電機的速度，可能會影響并網發電機負荷分配情況，所以大電機速度調節的過程中應該同時調控多臺速度供給，以便達到修正系統總頻率的效果。PMS系統與調速系統的接口一般為兩個數字量開關信號，系統通過控制這兩個信號的通斷時間，調節速度給定值。同時系統運行過程中調速頻率的快慢可能會影響負荷調節效果，因為大電機本身存在固有的調速滯后性，所以系統調速并不是調速越快越好，應該根據當時系統運行的實際情況實施速度調節，一次調速結束后才能開始另一次調速，以免系統慣性和沖擊給調速帶來的影響。

2.2 負荷、頻率控制

PMS系統運行過程中如果是單臺機組的運行，系統發電機的頻率會自動調節并設定頻率，這個過程中發電機的頻率是保持不變的。在droop模式下發電機一般會依據機組情況實現實際功率的變化，當改變調速機構時系統會自動設定速度，并根據調速特點實施上下平行移動，系統頻率會根據移動特點做出相應的改變。在系統中如果是多臺發電機進行負荷分配，這時必須將各機組的調差率進行統一設置，如果不進行統一設置，可能會影響機組分配功率不均，影響系統功能的提高。

3 PMS系統在電力推進型船舶中的應用

3.1 速度調節方法

比較常用的船舶電力推進系統的調速方法是交流調速系統，這種調速方法主要利用的是晶閘管整流橋反并聯方式而實施的一種調控系統。常規循環變流器系統一般會選擇異步電動機作為其驅動電機。但在船舶電力推動系統中一般選擇同步電機作為驅動電機，因為同步電動機氣隙比較大，具有較高的性能，比較適合應用于大功率的場合。

3.2 供電方式

目前，我國很多電力推動型船舶的電源仍然以柴油發電機組為主，但是隨著全球石油資源的枯竭，未來電力推進船舶極可能會占主導地位。PMS系統首先要保障供電的平衡性，分區供電時主要設備要根據所有電能配置狀態實施，并自動選擇其他供電帶的電力能源，做到電能的合理分配。在供電過程中要注意人機界面的使用，主要包括報警功能、人機界面的動態顯示功能，其中報警功能主要對發電機組的動態進行監測故障報警，并對故障實施相應的處理；人機界面的顯示能夠實現界面的動態監測，分析發電機組的運行狀態、電能分配情況及PMS的參數修改。

3.3 PRS參數分析

電力系統推進器工作在低負荷或低速時，推進器不會對頻率產生大的波動。因此，該增益就取決于期望的推進器加載，如下：

（1）

式中：kc表示比例增益，Qnp表示每個螺旋槳期望的額定轉矩或期望的轉矩參考值：

每個螺旋槳的轉矩參考值能夠直接從推進器的參考值進行計算：

（2）

式中：KQ0和ωnp表示推力和轉矩系數

使用設計的PRS，能直接限制柴油機的負載率。這與現存的負載率限制預先就確定推進器數量和在網發電機數量等方式相反，在成功設定柴油機負載率限制后，不需要測量單獨發電機的負載、速度以及螺旋槳的加載。估計總的機械轉矩后，所有在網發電機的柴油機將有相同的負載率限制。

3.4 動態仿真及結果分析

該仿真使用Matlab/SIMULINK。發電機組工作在同步模式，轉速恒定ωnp和HNon=2s。發電機建模使用PID調速器對頻率進行控制，油門執行器模型。電網電壓假設為恒定，因此在該模型中只考慮有功，同時只考慮柴油機的響應影響。推進器建模只考慮有功功率消耗。在仿真中，HNon的參數誤差也被考慮，并且與推進器加載和損失有關。信號在被送入推進器速度控制器之前先通過低通濾波器，kgp/ （0.01s+1）。表1展示了典型的海洋工程支持船舶的參數。

仿真中過程中計算兩分段主匯流排的一邊。兩個推進器在工作，即2.3MW尾推進器和1MW艏側推進器及其它輔助負載。兩臺發電機組在網，每臺1.5MW，所有系統的發電能力為3.0MW。

4 結語

PMS能量管理系統實際上是一個綜合控制系統，是未來船舶綜合電力推進系統的一個關鍵子系統。在實際發展中必須深入分析PMS能量管理系統的工作原理和關鍵技術，才能更好的實現船舶電站控制，保障船舶安全、穩定運行。

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作者簡介

劉鶯（1981-），女，福建省人。大學本科學歷。現為阿法拉伐（上海）技術有限公司項目工程師，主要研究方向為船舶電氣設計，供油單元、分油機項目管理等。

作者單位

阿法拉伐（上海）技術有限公司 上海市 200021