PMS能量管理系統(tǒng)及其在電力推進(jìn)型船舶中的應(yīng)用

隨著我國船舶行業(yè)逐漸向現(xiàn)代化和大型化方向發(fā)展，電力推進(jìn)系統(tǒng)被大力推廣，傳統(tǒng)的電站系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足時(shí)代發(fā)展的需求。PMS能量管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電自動(dòng)化、用電設(shè)備管理、系統(tǒng)檢測報(bào)警等功能，提高了大型船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。本文主要分析PMS能量管理系統(tǒng)在電力推進(jìn)型船舶中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】PMS系統(tǒng) 電力推進(jìn)型船舶

PMS系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用于大型船舶中能降低燃油消耗、防止失電，同時(shí)能夠保護(hù)電力設(shè)備安全運(yùn)行，提高船舶性能。PMS系統(tǒng)應(yīng)用于電力推進(jìn)型船舶中必須要分析電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)配置，并分析其控制層次結(jié)構(gòu)、具體功能，從而最大限度的滿足使用工況。

1 PMS系統(tǒng)概述

PMS系統(tǒng)是一個(gè)集監(jiān)測、控制、管理與保護(hù)為一體的綜合性船舶管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的技術(shù)比較多，比如網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、信息處理技術(shù)、系統(tǒng)決策技術(shù)、傳感技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等。其運(yùn)行的目標(biāo)是根據(jù)船舶的實(shí)際工況來確定功率應(yīng)用。PMS系統(tǒng)主要由5個(gè)部分構(gòu)成，其系統(tǒng)功能框架見圖1。

1.1 PMS控制原理

電力推進(jìn)型船舶自動(dòng)化系統(tǒng)主要包含發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、配電板以及PMS功率管理系統(tǒng)，其中PMS系統(tǒng)一般利用配電板集中分配船舶的電能，可以直接控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)電網(wǎng)的工作頻率，合理分配船舶電站負(fù)荷，限制船舶大功率負(fù)荷，保障電站供電質(zhì)量和安全。

1.2 PMS系統(tǒng)的重要器件選擇

1.2.1 電子調(diào)配器

PMS系統(tǒng)對(duì)調(diào)速器性能要求比較高，因?yàn)榇碍h(huán)境比較復(fù)雜，通常模擬量調(diào)節(jié)信號(hào)容易受到電磁信號(hào)的干擾，所以必須實(shí)施速度調(diào)控處理，PMS系統(tǒng)在利用數(shù)字量信號(hào)實(shí)施調(diào)控時(shí)要盡量選擇性能較高的數(shù)字量調(diào)速器，提高電能調(diào)控的準(zhǔn)確性。

1.2.2 控制系統(tǒng)

PMS系統(tǒng)一般選擇德國西門子SIMATICH冗余處理器400H系列CPU412H型號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份處理。在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中對(duì)整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算量要求比較大，所以在這之前必須對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算實(shí)施預(yù)估計(jì)算分析，412H處理器運(yùn)算速度能夠達(dá)到預(yù)期效果。在此基礎(chǔ)上SIMATICH系統(tǒng)利用光纖電纜對(duì)雙處理器實(shí)施熱備份冗余，而后利用系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)I/O冗余，大大提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2.3 負(fù)荷分配器

PMS系統(tǒng)中負(fù)荷分配器一般使用的是多機(jī)組并網(wǎng)控制，這類型的分配器具有很多應(yīng)用功能，比如邏輯編程功能、保護(hù)電機(jī)功能和監(jiān)測功能等。如果PMS系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中的模式為roop或ISO，那么可以利用系統(tǒng)自帶的斷路器控制功能和發(fā)電機(jī)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)PMS系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)來提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

1.2.4 變送器

PMS系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對(duì)發(fā)電機(jī)的控制參數(shù)要求比較高，所以在船舶運(yùn)行過程中最好選擇一些相應(yīng)時(shí)間比較少的變送器。變送器相應(yīng)時(shí)間<50ms最為合適，這樣使系統(tǒng)的控制時(shí)間采樣周期可以縮短為>50ms，這個(gè)范圍符合PMS系統(tǒng)的信號(hào)采樣指標(biāo)，可以提高變速器工作效率。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和解決方案

2.1 速度控制技術(shù)分析

在船舶運(yùn)行過程中，PMS系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，使各臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)速依據(jù)其自身調(diào)節(jié)量進(jìn)行垂直移動(dòng)，達(dá)到平衡。如果系統(tǒng)僅僅調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的速度，可能會(huì)影響并網(wǎng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷分配情況，所以大電機(jī)速度調(diào)節(jié)的過程中應(yīng)該同時(shí)調(diào)控多臺(tái)速度供給，以便達(dá)到修正系統(tǒng)總頻率的效果。PMS系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的接口一般為兩個(gè)數(shù)字量開關(guān)信號(hào)，系統(tǒng)通過控制這兩個(gè)信號(hào)的通斷時(shí)間，調(diào)節(jié)速度給定值。同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過程中調(diào)速頻率的快慢可能會(huì)影響負(fù)荷調(diào)節(jié)效果，因?yàn)榇箅姍C(jī)本身存在固有的調(diào)速滯后性，所以系統(tǒng)調(diào)速并不是調(diào)速越快越好，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況實(shí)施速度調(diào)節(jié)，一次調(diào)速結(jié)束后才能開始另一次調(diào)速，以免系統(tǒng)慣性和沖擊給調(diào)速帶來的影響。

2.2 負(fù)荷、頻率控制

PMS系統(tǒng)運(yùn)行過程中如果是單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行，系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的頻率會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)并設(shè)定頻率，這個(gè)過程中發(fā)電機(jī)的頻率是保持不變的。在droop模式下發(fā)電機(jī)一般會(huì)依據(jù)機(jī)組情況實(shí)現(xiàn)實(shí)際功率的變化，當(dāng)改變調(diào)速機(jī)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)設(shè)定速度，并根據(jù)調(diào)速特點(diǎn)實(shí)施上下平行移動(dòng)，系統(tǒng)頻率會(huì)根據(jù)移動(dòng)特點(diǎn)做出相應(yīng)的改變。在系統(tǒng)中如果是多臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行負(fù)荷分配，這時(shí)必須將各機(jī)組的調(diào)差率進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，如果不進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，可能會(huì)影響機(jī)組分配功率不均，影響系統(tǒng)功能的提高。

3 PMS系統(tǒng)在電力推進(jìn)型船舶中的應(yīng)用

3.1 速度調(diào)節(jié)方法

比較常用的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的調(diào)速方法是交流調(diào)速系統(tǒng)，這種調(diào)速方法主要利用的是晶閘管整流橋反并聯(lián)方式而實(shí)施的一種調(diào)控系統(tǒng)。常規(guī)循環(huán)變流器系統(tǒng)一般會(huì)選擇異步電動(dòng)機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但在船舶電力推動(dòng)系統(tǒng)中一般選擇同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)氣隙比較大，具有較高的性能，比較適合應(yīng)用于大功率的場合。

3.2 供電方式

目前，我國很多電力推動(dòng)型船舶的電源仍然以柴油發(fā)電機(jī)組為主，但是隨著全球石油資源的枯竭，未來電力推進(jìn)船舶極可能會(huì)占主導(dǎo)地位。PMS系統(tǒng)首先要保障供電的平衡性，分區(qū)供電時(shí)主要設(shè)備要根據(jù)所有電能配置狀態(tài)實(shí)施，并自動(dòng)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(jī)界面的使用，主要包括報(bào)警功能、人機(jī)界面的動(dòng)態(tài)顯示功能，其中報(bào)警功能主要對(duì)發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測故障報(bào)警，并對(duì)故障實(shí)施相應(yīng)的處理；人機(jī)界面的顯示能夠?qū)崿F(xiàn)界面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，分析發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、電能分配情況及PMS的參數(shù)修改。

3.3 PRS參數(shù)分析

電力系統(tǒng)推進(jìn)器工作在低負(fù)荷或低速時(shí)，推進(jìn)器不會(huì)對(duì)頻率產(chǎn)生大的波動(dòng)。因此，該增益就取決于期望的推進(jìn)器加載，如下：

（1）

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

每個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)矩參考值能夠直接從推進(jìn)器的參考值進(jìn)行計(jì)算：

（2）

式中：KQ0和ωnp表示推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)

使用設(shè)計(jì)的PRS，能直接限制柴油機(jī)的負(fù)載率。這與現(xiàn)存的負(fù)載率限制預(yù)先就確定推進(jìn)器數(shù)量和在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量等方式相反，在成功設(shè)定柴油機(jī)負(fù)載率限制后，不需要測量單獨(dú)發(fā)電機(jī)的負(fù)載、速度以及螺旋槳的加載。估計(jì)總的機(jī)械轉(zhuǎn)矩后，所有在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)將有相同的負(fù)載率限制。

3.4 動(dòng)態(tài)仿真及結(jié)果分析

該仿真使用Matlab/SIMULINK。發(fā)電機(jī)組工作在同步模式，轉(zhuǎn)速恒定ωnp和HNon=2s。發(fā)電機(jī)建模使用PID調(diào)速器對(duì)頻率進(jìn)行控制，油門執(zhí)行器模型。電網(wǎng)電壓假設(shè)為恒定，因此在該模型中只考慮有功，同時(shí)只考慮柴油機(jī)的響應(yīng)影響。推進(jìn)器建模只考慮有功功率消耗。在仿真中，HNon的參數(shù)誤差也被考慮，并且與推進(jìn)器加載和損失有關(guān)。信號(hào)在被送入推進(jìn)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(shù)。

仿真中過程中計(jì)算兩分段主匯流排的一邊。兩個(gè)推進(jìn)器在工作，即2.3MW尾推進(jìn)器和1MW艏側(cè)推進(jìn)器及其它輔助負(fù)載。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)，每臺(tái)1.5MW，所有系統(tǒng)的發(fā)電能力為3.0MW。

4 結(jié)語

PMS能量管理系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)綜合控制系統(tǒng)，是未來船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)。在實(shí)際發(fā)展中必須深入分析PMS能量管理系統(tǒng)的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)，才能更好的實(shí)現(xiàn)船舶電站控制，保障船舶安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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作者簡介

劉鶯（1981-），女，福建省人。大學(xué)本科學(xué)歷?，F(xiàn)為阿法拉伐（上海）技術(shù)有限公司項(xiàng)目工程師，主要研究方向?yàn)榇半姎庠O(shè)計(jì)，供油單元、分油機(jī)項(xiàng)目管理等。

作者單位

阿法拉伐（上海）技術(shù)有限公司 上海市 200021