基于MPPT策略的電動船制動過程能量回收研究

王宇松 陳 輝

(武漢理工大學船海與能源動力工程學院 武漢 430063)

0 引 言

在電力推進船舶中，螺旋槳帶動推進電機向船舶電網回饋能量主要發生在兩個狀態：①船舶停車自由減速過程；②船舶制動狀態.與新能源汽車能量回收系統類似，汽車能量回收分為滑行能量回收和制動能量回收，區分之處在于船舶是否發出制動指令.變頻器對船舶推進電機進行變頻調速時，若電機工作在二、四象限時，螺旋槳帶動推進電機向變頻器回饋能量，導致DC側母線電壓升高.如果這部分回饋的能量不及時消耗掉或者使用儲能設備儲存起來，嚴重時可能引起變頻器保護停機甚至故障損壞.

解決該問題通常使用兩種方法：①當母線電壓高于額定電壓時，制動電阻接入電路，把母線上額外的能量釋放掉；②采取制動的方式將回饋能量通過整流單元回饋至船舶電網. 曾宏宇等[1]建立了船舶電力推進系統的模型，仿真分析了不同運行工況和不同目標的制動過程，結合典型工況對制動電阻選型進行了優化設計.喬鳴忠等[2]設計了一種斬波制動電路，基于一臺額定功率為1 MW、12相的永磁同步電機單一制動工況進行了實驗，計算了推進系統制動過程的回饋能量，發現斬波制動電路能夠很好她吸收推進系統制動過程回饋的能量，直流母線泵升電壓較小.楊誠等[3]設計了三電平四象限變流器進行能量回收，并搭建了能量回收仿真模型，但對制動狀態建模時電機的反電動勢當作了三相正弦穩態電壓源處理，未能準確模擬船舶制動狀態.

螺旋槳作為電機負載，在運行時受到船體、水流和電機三者共同影響[4].船舶行駛時工況復雜多變，在對推進電機進行控制和設計能量回收系統時必須結合船舶運行工況和螺旋槳負載機理綜合分析.Bennabi等[5]以1條小型電動貨船為例，對比分析了幾種不同制動過程中可回收能量的數值，發現應用MPPT策略可以獲得最大回收能量.

文中基于Matlab/Simulink建立了直流電網、推進電機和螺旋槳負載模型，將船舶采用分級減速與采用MPPT策略的制動減速過程進行對比，仿真分析了船舶制動過程中的能量回饋.

1 電動船推進系統結構

典型的電動船電力推進系統見圖1.電動船動力系統構成包括：動力電池組，直流組網、推進電機、減速齒輪箱和螺旋槳[6].儲能電池為電動船提供電力源，其輸出受到SOC狀態的限制；直流組網電力系統母線電壓與有功功率存在唯一對應關系，直流系統能量供需不平衡會引起母線電壓的波動，因此需要對接入直流系統中的能量源進行功率控制，從而保持母線電壓穩定；電機控制系統根據船舶操控者提供的操控動作發出PWM信號和使能信號，電動控制單元驅動電動船電機，推動螺旋槳轉動實現船舶運動[7].

圖1 純電船推進系統示意圖

2 電力推進系統建模仿真

2.1 永磁同步電機控制系統建模

推進電機配置為1臺6對極三相永磁同步電機，額定轉矩900 N·m，額定轉速1 500 r/min，額定功率142 kW，轉矩系數3.65 Nm/A，極對數6，轉動慣量0.237 kg/m2，Rs=0.000 85 Ω，Ld=0.65 mH，Lq=0.87 mH，額定直流母線電壓650 V.

將電壓矢量通過DQ軸電壓方程為

(1)

(2)

對于三相凸極PMSM電磁轉矩為

Te=pn×(ψfiq+(Ld-Lq)idiq)

(3)

對于永磁同步推進電機采用id=0雙閉環矢量控制，通過式(3)可以發現電磁轉矩大小正比于q軸電流大小，通過改變q軸電流即可實現對電磁轉矩的控制.經典的矢量控制框見圖2，從外到內的速度環和電流環均采用PI控制器.

圖2 永磁同步電機控制系統框圖

當電機運行在一、三象限時工作在電動機狀態，運行在二、四象限時工作在水輪發電機狀態.當電機運行水輪發電機狀態時，螺旋槳帶動推進電機將向變頻調速裝置回饋能量，見圖3.

圖3 電機四象限工作過程

2.2 螺旋槳負載、船舶運動建模

以某艘純電動貨船為仿真對象，其參數見表1.

表1 某電動船參數表

采用螺旋槳四象限特性表達式對進速比、推力系數、轉矩系數進行修正.根據螺旋槳轉速n和螺旋槳進速vp的不同，將螺旋槳工況分為四個象限.定義修正后的關系式。

進速比

(4)

推力系數與轉矩系數

(5)

(6)

式中：n為螺旋槳轉速，r/s；D為螺旋槳直徑，m；T為螺旋槳的推力，N；Q為螺旋槳的轉矩，N·m；ρ為海水的密度，kg/m3，通常取1 025 kg/m3.

采用8階切比雪夫多項式對轉矩系數和推力系數進行擬合，擬合曲線見圖4.

圖4 kt(J′)與kq(J′)多項式擬合曲線

在伴流的作用下，設船相對于水的速度為Vs，則螺旋槳進速與船速關系為

vp=(1-w)Vs

(7)

伴流分數w的確定可通過專業模型試驗得到，也可根據經驗公式取得.本例小型內河船的伴流分數根據經驗值取0.07.

螺旋槳對船的影響體現在推力減額系數t.通常對于小型單槳商船，推力減額系數的取值為0.08～0.2，本例中推力減額系數根據經驗值取0.08.因此，螺旋槳產生的有效推力為

(8)

式中：Te為螺旋槳產生的有效推力，N.

建立船槳系統的運動學方程為

(9)

式中：Δm為船舶運動過程中附著水的質量，kg；m為船舶總質量，kg.通常Δm取值為船體質量m的5%～15%，本算例中對于小型內河貨船取值10%.

通常對于航速不高的內河貨船，船舶所受到總阻力與船速的平方成正比，為

(10)

式中：Ct為船舶總阻力系數.

總結以上分析，并搭建螺旋槳負載建模計算過程，見圖5.

圖5 螺旋槳負載模型搭建

3 典型能量回饋工況仿真

3.1 基于MPPT策略的能量策略

MPPT控制策略的全稱“最大功率點跟蹤”(maximum power point tracking)，在船速一定時，采用 MPPT，通過控制器調節電機電磁轉矩使螺旋槳轉速跟隨水流速度變化，使水流能利用系數保持最大，發電機運行在最大功率點，可以實現制動過程中最優的能量回收.

當螺旋槳工作在水輪機狀態下，即能量回收模式時，定義螺旋槳的能量回收系數(Cp)為電機能量回收功率Precovered與螺旋槳接收的水流動能Pkinetic的比值.

(11)

式中：ρ為水密度；Sp為螺旋槳葉片掃掠面面積.

定義葉尖速比TSR(tip speed ratio)的表達式

λ=nR/V

(12)

式中：n為螺旋槳轉速；R為螺旋槳半徑；V為船速.

能量回收系數Cp為葉尖速比λ和槳距角β(本例貨船使用的是固定槳，β為定值)的函數其函數曲線是在保持螺旋槳上的水流速度恒定的條件下,通過改變不同螺旋槳轉速值,并基于前文描述的螺旋槳模型獲得該曲線,見圖6.

圖6 Cp與λ函數關系式

當[λ，Cp]opt=[1.7,0.224]時螺旋槳-發電機系統運行在最優工況點處，最大能量回收系數Cp值約為0.224.在船舶制動過程中通過控制電機的轉速使系統運行在最優工況點處可以有效提高回收的總能量,下文根據仿真實驗對此控制策略進行驗證分析.

3.2 能量回收過程仿真分析

設制動過程開始時間為tb，結束時間為tend,則螺旋槳水動力矩在此時間段內產生的能量為

(13)

式中：M(t)為螺旋槳轉矩；n(t)為螺旋槳轉速.

再生電能W按照為

W=Wj+E-W0

(14)

式中：Wj為系統轉動動能；W0為其他損耗.

設計了兩組工況進行對比，一組使用分級減速，一組應用了MPPT策略.仿真時間均為1 000 s，分析來研究船舶制動中能量回收過程.

1) 工況一 制動過程推進電機采取給定固定轉速的分級減速.對船舶正車啟動、運行和分級減速(t=400和600 s時分級制動)過程進行了仿真.過程中電機轉速、船速、推進功率和回饋能量與功率的變化，見圖7.

圖7 工況一變化曲線

2) 工況二 制動過程中電機轉速控制采取MPPT策略.對船舶正車啟動、運行和制動過程進行了仿真.過程中電機轉速、船速、推進功率和回饋能量與功率的變化，見圖8.

圖8 工況二變化曲線

將兩組工況進行定量對比分析，發現工況一的總回收能量約為104 kJ，工況二的總回收能量約為173 kJ，制動過程中使用MPPT策略能顯著增加船舶制動過程中總的可回收總能量.

工況一制動過程中最大峰值回饋功率為2.61 kW.工況二制動過程中最大峰值回饋功率為2.05 kW，略小于前者.

4 結 束 語

文中建立了直流電網、推進電機和螺旋槳負載模型，分析了電機與螺旋槳四象限工作特性與能耗制動原理，并結合典型運行工況，對船舶制動過程進行了建模仿真分析.將普通的分級減速與采用MPPT策略的制動過程進行了對比，仿真結果表明：應用最大功率點跟蹤(MPPT)策略對制動過程電機控制進行優化，該策略可顯著增加回收能量.