不同工況下船舶電力推進系統能量管理策略分析

蔣美娟 張燕琴 周嘉俊

摘 要：實現船舶運行過程中的節能減排對于節約航運成本具有重要意義，本文以能量管理系統為研究基礎，對船舶電力推進系統在低速和高速兩種不同工況下的能量管理策略進行了研究，以期能夠為提高船舶電力推進系統運行效率提供參考和借鑒。

關鍵詞：電力推進系統;節能減排;能量管理系統;能量管理策略;運行效率

中圖分類號：U664.14 ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2020）07-0074-03

艦船電力推進技術是當今船舶動力新的發展方向，從最初的直流電動機推進方式發展至現如今的交流電機推進方式，電力推進已在造船工業中逐漸普及運用。電力推進系統具有“模塊化、集成化”的特點，相比傳統推進系統，其機動性能更好、結構布局更優化，具有振動噪音小、節能環保、經濟性好、安全性好等諸多優點。但是在運行過程中，如啟動、制動、正反轉切換會對船舶的電力系統產生較大的擾動，電網中的電壓、電流、功率以及頻率等也會跟著產生波動，這將嚴重影響推進系統的可靠、穩定與經濟性[1-3]。

為了改善電力系統的運行性能，提高運行效率，達到航行與經濟效益的靈活配置，需要對船舶進行建模與能量管理，找到最佳的能量管理策略[4-5]。韓北川等[6]基于模糊控制理論對混合動力船舶能量管理策略進行了分析，丁峰等[7]針對船舶綜合電力系統的能量管理控制系統進行了全數字仿真分析，莊緒州等[8]則提出了船舶全電力推進系統恒功率負載有源阻尼控制策略，這些研究對于船舶電力推進系統的改進具有重要的指導意義。

本文根據船舶航速與推力以及推進系統與功率之間的相關關系，結合船舶發電功率，提出船舶電力推進系統在不同工況下的能量管理控制策略，可為實現船舶節能減排和運行效率的提升提供參考和借鑒。

1 能量管理系統簡介

1.1 功能需求

為了滿足船舶運行過程中的負荷需求、穩定性與安全性，能量管理系統需要具有機組調度與控制、頻率控制與負載分配、電壓控制與負載分配、推進系統的功率限制、快速減載以及重載詢問等六項功能。

1.2 能量管理策略制定流程

在船舶設計的整個過程中，需要根據性能需求，對推進系統的能量管理策略進行制定和優化。其過程為：首先根據電力系統的相關特點，分析電力推進系統的流量流向，確定產能和耗能設備及裝置。其次，根據電機和船槳的相關匹配特性，計算不同航速（不同工況）下的負荷需求量。接著，確定不同工況下的發電工作模式。最后，綜合考慮經濟、安全與可靠性，得到不同工況下的能量管理策略（見圖1）。

2 電力推進系統能量流向分析

2.1 電力推進系統結構

船舶電力推進系統一般包括原動機、發電機、變頻設備、控制設備、螺旋槳以及推進機等其他設備，其原理是發電機將原動機的機械能轉化為電能，再通過配電裝置進行變頻調速，驅動推進電機后帶動螺旋槳運轉，實現船舶的航行（見圖2）。

2.2 能量流向分析

根據船舶推力系統的結構和功能特征，將其分為發電系統、配電輸電系統以及負載系統三個部分，其中發電系統主要由四臺柴油發電機組成，系統整體的能量流向為發電機組將原動機產生的機械能轉化為電能，電動機再將發電機組提供的電能轉化為旋轉機械能，螺旋槳在旋轉機械能的驅動下提供推進動力，在此過程中，會有一定比例的能量損耗，但占比僅為10%～20%。通過推進系統整體的配合關系，可以得到不同工況下的門限閾值，據此可以確定得到船舶發電機組的工作模式。船舶推進系統能量流向示意見圖3。

3 不同工況能量管理策略

不同的船舶航速下，需要調度和啟用不同數量的發電機組，以實現最高效的運行管理。在一臺發電機組下（假設容量為Pe），其發電輸出和推進電機輸出功率分別為0.864Pe和0.74Pe，能獲得的最大航速是7節，在兩臺發電機組下，其發電輸出和推進電機輸出功率分別為1.728Pe和1.44Pe，能獲得的最大航速是10節，在三臺發電機組下其發電輸出和推進電機輸出功率分別為2.592Pe和2.24Pe，能獲得的最大航速是14節，在四臺發電機組下，其發電輸出和推進電機輸出功率分別為3.456Pe和3.04Pe，能獲得的最大航速是20節。根據航行任務需要，對發電機組實行調度和控制管理，以期能夠實現最佳的運行效率。文中將0～10節作為低速工況，將10～20節作為高速工況分別進行能量管理策略的分析。

3.1 低速工況

低速工況為航速0～10節，假設一臺柴油發電機組的額定功率達到85%時，需要進行增機（即臨界增機條件），那么剩余的可用功率閾值即為15%（0.15Pe），由于每臺發電機組容量相同，因此，可以按照固定可用功率增機模式進行船舶推力系統能量管理控制;但是，當柴油機的額定功率低于30%時，容易在燃燒室和排氣管處積累大量的煙灰從而經常導致點火失敗，故當額定功率小于一定值后也需要發出減機指令，關閉多余的不需要的發電機組，保守起見，約定可用功率低于1.35 Pe時對系統開始發出減機指令。

綜上所述，船舶推力系統在低速工況下的能量管理策略為：當可用功率≤0.15 Pe時，能量管理系統對推力系統發出增機指令，當可用功率≤0.10 Pe時，能量管理系統對推進系統發出限制使用的指令，直到第二臺發電機組并網成功后才解除其限制指令，當可用功率大于1.35 Pe時，能量管理系統對船舶推力系統發出減機指令。另外，能量管理系統還設置了故障預警指令，即當其中一臺發電機發生故障后，為了保證推力系統可用功率仍然在0.15 Pe之上，對推力系統發出快速減負載指令，確保推力系統始終處于可靠安全的運行狀態，見圖4。

3.2 高速工況

當船舶航速為10～20節時，螺旋槳處于高負載工作狀態，此時電網功率的波動較大，且與螺旋槳波動呈三次方正比，螺旋槳的微弱波動均會引起船舶電力系統功率的較大波動，故在此狀態下應該盡量避免頻繁啟停發電機組。高速運行狀況時，將增機功率閾值設置為0.9Pe，當可用功率小于0.1 Pe后，對其余發電機組發出均分指令，減機閾值仍設置為可用功率大于1.35 Pe，其減機過程與低速工況下的能量管理一致。

綜上所述，可將船舶推力系統在高速工況下的能量管理策略總結為：當實際功率達到并網機組容量的90%后（可用功率≤0.10 Pe），而負載功率在繼續增大時，能量管理系統需要對推力系統發出增機指令，在第三臺機組并網成功后，再均分負載，以此類推，第四臺機組并網也是如此，最終實現四臺發電機組共同發電，減機程序和快速減機程序原理與低速狀況時一致，此處不再贅述。

4 結論

基于能量管理系統理論，對船舶推力系統在不同工況下的能量管理策略進行了研究，提出：當船舶處于低速運行工況時，增機指令發出閾值為0.15Pe，限制指令發出閾值為0.1Pe，減機指令發出閾值為1.35Pe;當船舶處于高速運行工況時，增機指令發出閾值為0.9Pe，減機指令發出閾值為1.35Pe。相關研究成果可為提高船舶電力推進系統運行效率提供參考。

參考文獻：

[1]張文保，施偉鋒，蘭瑩，顧思宇，卓金寶.基于層次分析—模糊綜合評估法的電力推進船舶電能質量實時評估系統[J].中國艦船研究，2019，14（06）：48-57.

[2]侯淑芳，錢威岳.內河船舶電力推進系統的節能與環境效益評估[J].南通航運職業技術學院學報，2019，18（02）：42-46.

[3]郭欣.船舶電力推進系統在波浪中的功率節能與轉速控制研究[J].艦船科學技術，2018，40（24）：79-81.

[4]張逸峰，王錫淮.混合動力船舶的建模與能量管理[J].船電技術，2018，38（07）：32-37.

[5]吳文傳，張伯明，孫宏斌，王彬，楊越，劉昊天，藺晨暉，王思遠.主動配電網能量管理與分布式資源集群控制[J/OL].電力系統自動化：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動力船舶能量管理策略研究[J].機電工程技術，2019，48（07）：84-87.

[7]丁峰，肖楊婷，張少華.船舶綜合電力系統的能量管理控制系統與全數字仿真研究[J].船舶工程，2018，40（05）：46-51.

[8]莊緒州，張勤進，劉彥呈，郭洪智，張博.船舶全電力推進系統恒功率負載有源阻尼控制策略[J].電工技術學報，2020，35（S1）：101-109.