艦船推進負載管理技術研究現狀和發展趨勢

林云峰，付立軍，夏 立，肖雄波

(海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033)

0 引 言

艦船綜合電力系統由發電、輸配電、變配電、推進、儲能、能量管理6個分系統組成[1]，電力推進負載的引入是綜合電力系統的一個顯著特征，從目前已經服役的國內外綜合電力系統艦船可知，電力推進負載功率占發電機組容量比重均較高[2-3]，如表1所示。

推進負載的異常功率變動可能會導致發電機組過載、電能質量下降等問題，同時，推進負載管理也是能量管理系統的重要組成部分，如圖1所示。因此需要對推進負載進行有效管理[4]，其管理水平關系到艦船的快速性、操縱性、可靠性、經濟性、生命力等性能指標。

1 推進負載管理技術的研究現狀

1.1 電力推進負載模擬技術

負載模擬系統一般由推進電機、聯軸器、傳感器、負載電機組成，如圖2所示。負載模擬系統的目的是通過控制軸上的負載轉矩模擬真實螺旋槳負載，作為負載管理技術的模擬應用平臺。目前對螺旋槳負載模擬的設備主要有水力測功機、電渦流測功機、電力測功機和交直流電機等。異步電動機由于其經濟性和優異的轉矩動態響應能力并可以將能量回饋電網，近年來被廣泛采用[5]。

在負載電機控制方式上，一般采用轉矩閉環和前饋式間接矢量控制方式，由于模擬系統中存在聯軸器等裝置，存在模擬系統轉動慣量補償問題，采用負載轉矩控制外環間接控制負載電動機電磁轉矩，可以解決直接控制電磁轉矩所帶來的計算轉動慣量補償的問題[6]。由于電機負載高階非線性，而且負載模擬需要在較大范圍內變化，傳統PID控制適應性差，模糊PI控制能夠提高異步電機轉矩控制的精確性、跟隨性、穩定性[7]。

現階段對于螺旋槳特性和船槳運動模型的研究較多，除了考慮到螺旋槳推力和轉矩的計算公式外，還考慮到船對螺旋槳的伴流以及螺旋槳對船造成推力減額、三大附加阻力等因素。武漢理工大學還開展了對瓦格寧實驗圖譜擬合和推力系數、轉矩系數修正的研究[8]。

在負載模擬平臺技術上，模擬平臺分為軟件仿真平臺、半實物仿真平臺和縮比的實物平臺3種[9-10]。

表1 各國主要綜合電力艦船推進負載占比Tab.1 The proportion of major integrated power ship propulsion loads in various countries

圖1 能量管理系統框架Fig.1 Energy management system framework

圖2 負載模擬系統軸系結構Fig.2 Propulsion load simulation system structure

1.2 對推進負載控制策略改進的研究

艦船推進系統的結構如圖3所示，主要包括推進電動機、減速器、螺旋槳等。

圖3 艦船推進系統結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of ship propulsion system

推進負載具有恒功率特性，對綜合電力系統穩定性造成影響，國外普遍采用加輔助控制環節來增強系統阻尼，避免發電機帶推進負載時振蕩失穩的問題。但該方法存在推進變頻器控制復雜、控制特性易受影響等缺點。海軍工程大學采用時域仿真和基于狀態方程的特征值分析方法，計算中壓直流綜合電力系統的穩定性，改進了發電機、推進變頻器等參數，解決了交流整流發電機并聯運行時帶恒功率負載時的穩定性問題[1]。

除了系統級的參數優化計算以外，根據環境對推進電機控制策略的改進也能夠增強系統穩定性。文獻[11]在平靜海況下采取直接轉矩控制或者轉速控制，惡劣海況下采取抗過旋控制方法，實質上是一種轉矩、功率結合的控制方法。

在推進電機加載速率控制的研究方面，文獻[12]提出一種改進計算推進電機加載速率的方法，該方法根據船級社以及潛艇對電壓跌落時間和電壓跌落最大比率的標準，通過犧牲部分安全性來提高電機加載速度，系統安全裕量較小且對加速過程做了較多簡化。

1.3 對功率限制以及重載詢問策略的研究

1）動態功率限制和快速功率限制

由于推進系統的容量占比大，推進電機和螺旋槳以及傳動機構構成的推進系統的運行狀態直接影響到電網安全，主要分為2個方面。

①人為因素。如操縱人員非正常操作使得推進電機轉速上升，推進負載快速增加，如果加載速度超過發電機響應速度，推進負載的功率需求將超過當前發電機組容量，發電機容易過載。

②非人為因素。如不良海況下，受浪、流影響，螺旋槳負載轉矩波動，甚至可能因短時間內進出海面，導致100%負載突卸和突加，增加原動機的機械和熱應力，增加燃油消耗。電力推進負載功率和推力與轉速之間存在如下關系[13]：

式中：ωnp為推進電機的額定轉速，r/s；ΔP為電力推進系統瞬態負載變化量，W；k為在網機組數量；KT0為推力系數；P為海水密度，kg/m3；D為螺旋槳直徑，m；ωnp為轉矩減額系數；T為螺旋槳對船的推力,N。

圖4 動態功率限制和快速功率限制Fig.4 Dynamic power limit and fast power limit

由上述公式可以得出結論：電網功率與螺旋槳的額定轉速成三次方正比，推力與額定轉速成線性關系。推進負載管理系統必須響應推進功率波動。

功率限制的方法一類是基于剩余功率實時計算的功率限制，稱為“動態功率限制”；另一類是基于事件觸發的，稱為“快速功率限制”[14]。如圖4所示。

傳統基于可用功率的方法在推進負載的功率投放速度方面太慢，結合艦船機動性和操縱性的需求，文獻[15]加入發電機轉速和轉速加速度監測，并把它和傳統的監測項目（發電機狀態、實際消耗功率）一起作為功率限制條件，通過模糊邏輯控制器計算可支配功率，增強了功率限制策略的靈活性。由于推進功率隨環境變化比較頻繁，導致剩余功率信號變化大，若功率限制值隨此信號調節可能會引起船舶電站振蕩，可采用濾波的方法限制調節頻率。動態功率限制解決了功率限制值動態響應的問題，但是由于存在濾波和通信環節，在快速性上難以起到保護作用，結合快速性要求，需要快速功率限制實現系統的快速保護。

快速功率限制是通過硬線直連方式連接電力推進控制系統，主要是應對電力系統緊急狀況，如發電機組異常跳閘，逆變器、變壓器等重要電力變換設備短路，安保裝置失效等。推進變頻器一般能夠在50 ～100 ms的時間內快速減少功率消耗[5]。針對推進電機快速減載的過程，文獻[16]提出了2種功率限制方法，一是在原有雙環基礎上增加功率環形成三閉環，二是在功率限制模式時切換轉速、電流雙閉環為功率、電流雙閉環。

2）重載詢問策略

重載詢問機制主要考慮系統供電連續性和能量調度的經濟性。電力推進負載是綜合電力艦船的最大負載，推進系統啟停和調速過程中觸發增減機組的一般流程是：首先，能量管理系統（EMS）計算可用功率并傳遞給變頻器控制單元，然后控制單元根據該信號監測推進器，在條件觸發時進行功率限制并反饋功率需求給綜合電力系統，最后綜合電力系統據此進行增減機組，給出啟動、調速允許信號。機動工況，系統可以設定較高的可用功率限制值，巡航工況時，則可以減少限制值。該方法稱為恒定平均功率增減機管理原則，但是該原則存在系統功率需求響應速度慢的問題，為了提高響應速度，文獻[17]提出融入重載負荷的采用恒儲備功率增機、N-1 恒平均功率減機管理原則，將重載負荷的功率需求單獨提取出來指導機組增減，減少了等待時間，增強艦船的操縱性能。

1.4 對儲能單元和推進負載協調控制技術的研究

美國國家電力艦船發展和研究機構指出儲能單元在艦船綜合電力系統中具有廣闊的應用前景，隨著儲能技術的發展，鋰電池、超級電容器、飛輪儲能裝置等逐步進入上艦應用階段[18-19]，這也是高能武器上艦的必由之路。儲能系統可以彌補緊急工況下發電機和推進電機之間的功率缺額，減少推進電機啟動、調速過程對電網造成的沖擊[20]。推進負載作為旋轉的機械在運行時儲存的能量還可以通過自動減載的方式用于高能武器系統的儲能單元的充電過程中[21]。國外還展開了混合儲能系統用于推進功率波動抑制的研究[22]。

在帶有儲能系統的艦船電力系統中，從電力系統、儲能單元、推進負載三者的關系上來看，系統的功率傳遞模式可以按照如下方式配置。系統過載時，儲能單元向電力系統放電提高系統帶載能力；負載回饋制動時，儲能單元吸收能量，替代制動電阻的作用并在反向推進過程中釋放能量以減少發電機組的功率輸出[23]。

艦船電力系統儲能單元應用方面，國內外在拓撲結構、容量設計、充放電控制策略等方面開展了一些研究，但是針對推進負載管理的機動性需求和穩定性需求所做的研究國外有研究[24-25]，國內上海海事大學等開展了部分研究[23]。上述研究大部分是針對民用電力推進船舶，針對綜合電力艦船需求的研究較少。

2 今后的挑戰和發展展望

經過幾十年的研究，國內外對于艦船推進負載管理的研究已經取得了長足的進步，有些已經應用于實際艦船系統。結合現代艦船對電力推進系統高機動性、高可靠性、高自動化的需求，推進負載的管理技術，未來將呈現數字化、智能化、自動化、協同化的發展趨勢。

2.1 數據質量管理技術

數據的獲取和處理是進行推進系統狀態評估等高級功能的基礎和前提[26]。針對推進系統中的大量實時和非實時數據，引入數據質量管理技術（Data Quality Management）能夠提高數據質量和推進負載的管理水平。在數據采集層面上，時間同步和信號快速采集技術需要深入研究。在數據處理層面上，全艦平臺需要及時處理實時采集的數據，采用更高效的數據分發方式如DDS等，實時數據存儲等先進的計算機信息處理技術，為實時能量調度提供數據支撐。

2.2 推進負載管理的平臺技術

在綜合平臺方面，美國海軍提出的全艦計算環境（TSCE）能夠整合全艦計算資源，是未來艦船提高綜合作戰能力和信息化的有效手段[27]。推進負載管理的功能作為綜合電力系統控制的子功能，需要將獨立開發的功能進行平臺遷移，同時根據任務性質要將任務劃分為實時子任務和非實時子任務運行在不同的兩級網絡上。在充分高效利用共享信息資源，實現協調控制機制方面需要深入研究。

2.3 對復雜海況的研究和模式自動切換技術

受海浪、風、水流、尾場、螺旋槳進出水等影響，螺旋槳受到的機械力會通過機-槳耦合到電力系統，造成電力系統功率波動，影響電力系統穩定性。推進負載管理系統需要根據推進負載的波動分析海況并自動切換控制模式。對于海況環境的判斷可以通過對給定控制模式下軸轉矩、轉速反饋得到，若超出該控制模式下的調控范圍則自動切換到對應海況下的控制模式，提高自動化水平。

2.4 考慮儲能的推進負載協同管理技術

受控的儲能單元可以改進推進系統的運行狀態，比如緊急加速、轉速調節、以及快速制動過程中，提高艦船電網的安全以及改善艦船機動性。可以考慮的研究方向是有限儲能容量下對于提高艦船機動性的效果；另一方面，推進負載作為一種旋轉機械，其中蘊含著大量能量，而艦船具有慣性大的特點，其航行狀態在功率短時間降低時不會發生較大改變。因此，在脈沖負載的儲能單元充電時，可以短時間內降低推進負載的功率供給脈沖負載使用，保持發電機功率基本不變。可以針對脈沖負載的功率需求對推進負載自動降功率運行方面展開聯合控制方法研究。

3 結 語

本文主要對國內外推進負載管理現有研究成果進行總結概括，從技術發展角度探討了數據質量管理技術、平臺技術、模式自動切換技術、推進負載協調管理技術等關鍵技術在艦船推進負載管理中的應用。艦船推進負載的管理涉及電機學、電力電子、流體力學、電力系統、自動控制、數學、通信等研究領域，多種物理場相互耦合，信息流和能量流相互作用。本文探討的內容期望能夠對推進負載管理技術的發展提供思路和借鑒，讓有限能量更高效利用，發揮最大作戰效能，提高艦船生命力和戰術指標。