電力推進(jìn)船舶負(fù)載管理技術(shù)研究

武沁 夏立 王黎明

（海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033）

1 引言

全電力推進(jìn)是將推進(jìn)用電和其他負(fù)載用電集中生產(chǎn)統(tǒng)一分配的新興技術(shù)，它能產(chǎn)生幾十甚至上百兆瓦級(jí)容量的電能，在滿足推進(jìn)用電的同時(shí)，也為其他大功率負(fù)載的使用奠定了基礎(chǔ)。與陸地電網(wǎng)不同，船舶電力系統(tǒng)容量有限，眾多大功率負(fù)載的使用可能導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)載崩潰，為了防止出現(xiàn)此類問(wèn)題，并在負(fù)載之間靈活調(diào)度電能，需要在系統(tǒng)的層面上統(tǒng)一管理負(fù)載。

2 負(fù)載管理的必要性

傳統(tǒng)的船舶電力系統(tǒng)不包括推進(jìn)電機(jī)，單個(gè)負(fù)載的額定功率都在5到500 kW之間，該工況下所有有可能使用到的負(fù)載的額定功率總和一般不超過(guò)電站總在線功率的80%，所以傳統(tǒng)船舶幾乎不需要集中式的負(fù)載管理。

全電力推進(jìn)系統(tǒng)由發(fā)電、配電、變電和推進(jìn)等模塊組成，能量管理模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌控制[1]。與傳統(tǒng)船舶不同，除了一般的日常負(fù)載外，電力推進(jìn)船舶還包括電力推進(jìn)等大功率負(fù)載，下面對(duì)這些負(fù)載的能量需求作簡(jiǎn)要的分析。

推進(jìn)電機(jī)是電力推進(jìn)系統(tǒng)最重要的負(fù)載，船舶全速前進(jìn)時(shí)推進(jìn)負(fù)載所用功率約占全部用電負(fù)荷的70%～80%。美國(guó)DD(X)全電力驅(qū)逐艦預(yù)計(jì)總裝機(jī)功率110 MW，推進(jìn)總功率73 MW，占總裝機(jī)功率的66.4%[2]。英國(guó)的CVF全電力推進(jìn)航母預(yù)計(jì)總裝機(jī)功率110 MW，推進(jìn)總功率86 MW，占總裝機(jī)功率的78.2%[3]。

近些年來(lái)，船舶上的各種裝備逐漸從液壓、氣動(dòng)和機(jī)械形式過(guò)渡到電磁和全電控制形式[4]。在海上鉆進(jìn)平臺(tái)或需要?jiǎng)討B(tài)定位的船舶中，除了主要的推進(jìn)系統(tǒng)外，還需要用來(lái)動(dòng)態(tài)定位的側(cè)推系統(tǒng)，側(cè)推功率約為主推的45%左右。此外近年來(lái)出現(xiàn)的新型雷達(dá)等探測(cè)設(shè)備運(yùn)行功率也都在兆瓦以上[5]。

電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組容量大，燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)組容量一般都有20到50 MW，在很多工況下運(yùn)行一組發(fā)電機(jī)組就能滿足需求[6]。單機(jī)組運(yùn)行帶來(lái)的問(wèn)題就是突然有大功率負(fù)載需啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)可能沒(méi)有足夠的剩余在線功率，重新啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組需要一定的時(shí)延，這將影響船舶的性能。

文獻(xiàn)[7]對(duì)大功率負(fù)載直接啟動(dòng)造成系統(tǒng)過(guò)載進(jìn)行了仿真研究。當(dāng)負(fù)載忽然從1.3 MW跳變到23 MW時(shí)，導(dǎo)致兩發(fā)電機(jī)組失去同步，系統(tǒng)崩潰。儲(chǔ)能模塊若在此時(shí)向電網(wǎng)注入30 MW的功率，能有效抑制這一沖擊。

由上述可知，由于電力推進(jìn)系統(tǒng)某些負(fù)載的運(yùn)行功率大，與發(fā)電機(jī)組的容量具有可比性，如果不對(duì)它們進(jìn)行合理的管理，就可能引起系統(tǒng)性能下降甚至過(guò)載崩潰，單機(jī)組運(yùn)行問(wèn)題也增加了過(guò)載的可能性，由此就出現(xiàn)了負(fù)載管理的問(wèn)題。

3 負(fù)載管理的基本功能

能量管理模塊對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，負(fù)載管理是其重要功能之一。它是將電能看作一種資源，通過(guò)合理控制負(fù)載對(duì)這種資源的消費(fèi)行為，保證總負(fù)荷功率在任何時(shí)候都不超過(guò)系統(tǒng)的設(shè)定值，即保證負(fù)載對(duì)電能的消費(fèi)任何時(shí)刻都不超過(guò)一定的設(shè)定值，從而提高電力推進(jìn)系統(tǒng)的失電保護(hù)能力和能量調(diào)度的靈活性，最終保證為負(fù)載提供可靠而充分的電能。其基本功能有以下幾個(gè)方面：

1）動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)設(shè)定：各負(fù)載在不同工況下的重要性不同，對(duì)系統(tǒng)性能的影響大小也不同，所以負(fù)載的優(yōu)先級(jí)隨船舶的運(yùn)行工況而變化，為了給負(fù)載管理提供決策依據(jù)，應(yīng)該動(dòng)態(tài)的設(shè)定負(fù)載的優(yōu)先級(jí)。

2）重載起動(dòng)詢問(wèn)：大功率負(fù)載若直接啟動(dòng)，可能造成系統(tǒng)過(guò)載，所以應(yīng)該進(jìn)行阻攔詢問(wèn)，當(dāng)功率條件滿足時(shí)，負(fù)載起動(dòng)；若功率條件不滿足,則需啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組或卸載若干負(fù)載，從而完成負(fù)載的啟動(dòng)和能量的調(diào)度。

3）功率限制：在運(yùn)行過(guò)程中，推進(jìn)負(fù)載的功率變化很大，如在船舶全速前進(jìn)時(shí)的功率就比以經(jīng)濟(jì)航速航行時(shí)要大的多，為了防止推進(jìn)負(fù)載功率過(guò)高導(dǎo)致過(guò)載，功率限制功能將考慮系統(tǒng)的可用功率，通過(guò)控制推進(jìn)變頻器來(lái)限制推進(jìn)功率超過(guò)設(shè)定值，直到有更多的功率余量提供為止。

4）快速卸載：當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)脫扣或停機(jī)等嚴(yán)重故障時(shí)，系統(tǒng)輸出功率將急劇減少，限制推進(jìn)電機(jī)功率或啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組都不能及時(shí)阻止系統(tǒng)過(guò)載，這時(shí)快速卸載功能將綜合考慮負(fù)載的優(yōu)先級(jí)和卸載的難易程度，快速卸掉一部分負(fù)載。

4 負(fù)載管理的控制結(jié)構(gòu)

負(fù)載管理是對(duì)各個(gè)負(fù)載進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的統(tǒng)籌控制，只發(fā)調(diào)度指令，不涉及對(duì)電氣設(shè)備的具體控制，設(shè)計(jì)其控制結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分分析負(fù)載管理功能與能量管理系統(tǒng)的其它功能以及電力系統(tǒng)各區(qū)域級(jí)和設(shè)備級(jí)控制功能的區(qū)別和聯(lián)系，合理設(shè)計(jì)各個(gè)控制功能之間的接口，從而構(gòu)建一個(gè)完整的電力推進(jìn)船舶控制系統(tǒng)，負(fù)載管理的控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1從信息交互的角度表示了負(fù)載管理的控制結(jié)構(gòu)。底層的檢測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)同步相量測(cè)量裝置構(gòu)成，測(cè)量電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)中的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)；系統(tǒng)分析功能根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，得出電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、實(shí)時(shí)潮流和實(shí)時(shí)拓?fù)?；系統(tǒng)分析功能還將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的負(fù)載狀況與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比，若有新的負(fù)載管理需求則將相關(guān)信息通知負(fù)載管理模塊；負(fù)載管理模塊根據(jù)得到的信息，結(jié)合目標(biāo)和約束條件，根據(jù)算法計(jì)算出調(diào)度步驟，然后向能量管理系統(tǒng)的其它模塊或電力系統(tǒng)區(qū)域級(jí)和設(shè)備級(jí)的控制功能輸出調(diào)度命令，同時(shí)顯示需操作的設(shè)備清單和步驟清單。

5 負(fù)載管理的算法

負(fù)載管理模塊是由一系列的目標(biāo)和算法構(gòu)成的，要實(shí)現(xiàn)負(fù)載管理的功能，除了需要總體的負(fù)載管理目標(biāo)和算法外，每一個(gè)子功能如動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)設(shè)定、功率限制和快速卸載等，也都需要不同的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面提出一種基于規(guī)則的負(fù)載管理算法，其關(guān)鍵步驟如下：

1）初始化：船舶可能在各種工況下運(yùn)行，其能量需求是不相同的。當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，先選擇要運(yùn)行的工況，此工況下可能用到的負(fù)載的額定功率總和即本工況的功率分配線隨之確定。若不選擇則按默認(rèn)的工況啟動(dòng)。工況確定后，根據(jù)本工況內(nèi)各個(gè)負(fù)載的重要性，分工況設(shè)定負(fù)載的優(yōu)先級(jí)。這些設(shè)定數(shù)值存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，有權(quán)限的操作員可以對(duì)其進(jìn)行修改。

2）啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組：初始化后，負(fù)載管理模塊向供電管理模塊發(fā)出能量請(qǐng)求，后者啟動(dòng)合適數(shù)量的發(fā)電機(jī)組。啟動(dòng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的額定功率總和應(yīng)該比本工況可能用到的負(fù)載的額定功率總和多出一定的余量，防止有本工況之外的負(fù)載忽然連接到電網(wǎng)。

負(fù)載管理算法的流程見(jiàn)圖2。

圖1 負(fù)載管理的控制結(jié)構(gòu)

圖2 負(fù)載管理算法的流程

3）警報(bào)操作：當(dāng)推進(jìn)電機(jī)的功率達(dá)到設(shè)定的閥值時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)功率限制功能；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障輸出功率急劇減少時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)快速卸載功能。

4）重載啟動(dòng)：當(dāng)有額定功率大于設(shè)定值的負(fù)載需要啟動(dòng)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行詢問(wèn)。在線發(fā)電機(jī)組如果有足夠的功率余量，直接起動(dòng)；若余量不足，詢問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)是否有不在線的發(fā)電機(jī)組，有則啟動(dòng)，沒(méi)有則卸載一部分優(yōu)先級(jí)最低的負(fù)載；若需啟動(dòng)的負(fù)載優(yōu)先級(jí)最低，則提示功率不足，啟動(dòng)失敗。

6 負(fù)載管理的實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證上述控制體系結(jié)構(gòu)和算法的可行性，搭建了負(fù)載管理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，平臺(tái)由一個(gè)小型電力系統(tǒng)和負(fù)載管理系統(tǒng)組成。電力系統(tǒng)的總功率為30 kW，發(fā)電機(jī)組由6組額定功率為5 kW的隔離變壓器代替，負(fù)載有6臺(tái)額定功率為3 kW的電動(dòng)機(jī)、兩組功率為10 kW的電阻負(fù)載等。負(fù)載管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與上述控制結(jié)構(gòu)相同。負(fù)載管理系統(tǒng)的軟件采用羅克韋爾公司的ControlLogix軟件系統(tǒng)，包括集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)RSLogix5000，其主要功能是提供一個(gè)可以把程序概念轉(zhuǎn)變成一系列程序圖和定義用于快速創(chuàng)建可執(zhí)行程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)；通訊服務(wù)軟件包RSLinx，它支持和許多不同網(wǎng)絡(luò)上的多種設(shè)備同時(shí)進(jìn)行通訊；人機(jī)界面軟件 RSView32，這是一種易用的、可集成的、基于組件的 MMI系統(tǒng)，能有效地監(jiān)視并控制機(jī)器和過(guò)程。負(fù)載管理模塊主要用 RSView32軟件的“邏輯與控制”功能和自帶的VB程序編輯器來(lái)構(gòu)建，部分需要快速計(jì)算的步驟由RSLogix5000來(lái)實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可用功率和總負(fù)荷，當(dāng)總負(fù)荷達(dá)到或超過(guò)總在線功率的85%時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。當(dāng)有額定功率超過(guò) 3 kW 的負(fù)載需要啟動(dòng)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行詢問(wèn)，查看是否滿足啟動(dòng)條件后執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。

圖3是負(fù)載管理初始化界面，有操作權(quán)限的操作員可以在這個(gè)界面設(shè)定修改工況的功率分配線和負(fù)載優(yōu)先級(jí)，選擇并運(yùn)行某一工況。

圖4是報(bào)警匯總界面，當(dāng)監(jiān)視的某一參數(shù)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)報(bào)警，并在一定時(shí)間后自動(dòng)執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作，如啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，快速卸載等，警報(bào)解除后，系統(tǒng)作出相應(yīng)提示。

圖3 負(fù)載管理初始化界面

7 結(jié)束語(yǔ)

電力推進(jìn)船舶的負(fù)載管理是一個(gè)全新的問(wèn)題，隨著許多船舶設(shè)備向電氣化過(guò)渡，負(fù)載管理問(wèn)題會(huì)變得越來(lái)越重要。本文對(duì)該問(wèn)題做了初步的探討，設(shè)計(jì)了負(fù)載的控制結(jié)構(gòu)，提出了基于規(guī)則的負(fù)載管理算法，并用實(shí)驗(yàn)證明了其有效性。下一步的工作應(yīng)充分考慮電力推進(jìn)船舶的運(yùn)行特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)更加靈活高效的負(fù)載管理策略和算法。

圖4 負(fù)載管理警報(bào)匯總界面

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