基于功率管理的動力定位系統(tǒng)推力分配方法研究

張春來，俞孟蕻，袁 偉

(江蘇科技大學(xué)，電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于功率管理的動力定位系統(tǒng)推力分配方法研究

張春來，俞孟蕻，袁 偉

(江蘇科技大學(xué)，電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

以全電力推進船舶為研究對象，針對船上其他用電設(shè)備的功耗波動對電力系統(tǒng)的影響這一實際情況，在不影響定位功能的前提下，在原有的推力分配基礎(chǔ)上研究具有功率管理功能的推力分配策略，采用基于動態(tài)負載控制法的推力分配方法，以達到減小電網(wǎng)總功耗波動和提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的目標。仿真驗證此方法導(dǎo)致的船舶在速度和位置上的偏差被成功地限制在一定范圍內(nèi)，也證明了如此小的偏差足以實現(xiàn)減小電網(wǎng)功耗波動的目標。

動力定位系統(tǒng)；推力分配；功率管理；動態(tài)負載

0 引 言

由于經(jīng)濟的快速發(fā)展和陸地資源的日益緊缺，研究和利用海洋就有著十分重大的意義。而想充分開發(fā)和利用海洋資源，就必須依靠擁有先進技術(shù)和設(shè)備的船舶。憑借動力定位系統(tǒng)定位精度高、靈活性好、機動性強等優(yōu)點，動力定位船舶的應(yīng)用越來越廣泛。推力分配以最優(yōu)化推進系統(tǒng)能耗為目標，是動力定位控制系統(tǒng)的重要組成部分。合理的推力分配不但可以提升動力定位系統(tǒng)的相關(guān)性能，還能在減小誤差、降低油耗和減小設(shè)備磨損等方面發(fā)揮積極作用。

船舶上，像絞車、起重機、鉆井裝置，重補償器、泵、以及配電系統(tǒng)突發(fā)性的重新配置等都會引起船上耗能負載的波動，如果負載波動快于發(fā)電機反應(yīng)速度，可能會導(dǎo)致全船失電、子系統(tǒng)癱瘓以及動力定位系統(tǒng)定位能力的減弱等問題。目前的功率管理系統(tǒng)[1]利用限載、減載、重配載等方法控制電力系統(tǒng)負載變化的方法越加成熟和完善，但這更多的是針對推進器負載大幅變化或者推力損失嚴重的情況，在船舶其他用電負載對電網(wǎng)的沖擊和動力定位系統(tǒng)的影響上以及限載與定位功能同時實現(xiàn)上的研究較少。同時，在基于功率管理的推力分配技術(shù)方面，國內(nèi)外對此的研究也較少。以往的推力分配只是為了減少推進器總的功率消耗，其能夠限制推進負載，但是沒有進行考慮其它的能夠給電網(wǎng)產(chǎn)生大負載波動的負載。

針對其他負載的功耗波動問題，人們作出了許多嘗試，采取了一些方法。如為了滿足功率波動最大值需求，操作人員可能會強制啟動更多的發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電，使提供的可用功率大于實際需求的可用功率。還有的利用一個大的電池組在負載陡增或者停電期間，給推進裝置和發(fā)電機以及其他需要的大功率設(shè)備提供電能[2]。Jones于2011年提出可以根據(jù)有關(guān)電機轉(zhuǎn)矩的信息和來自動力定位系統(tǒng)的信號來控制可用功率，從而達到抵消負載波動的目的。Eirik Mathiesen等[3]提出動態(tài)負載預(yù)測法，即預(yù)測出即將發(fā)生的負載波動，并將其作為船舶發(fā)電機組控制器的前饋信號。Aleksander Veksler等[4]提出可采用合適的推力分配策略來協(xié)助功率管理，控制電力系統(tǒng)負載的變化，減小電網(wǎng)功率波動，實現(xiàn)推力系統(tǒng)與功率管理更加緊密的結(jié)合。由于推進系統(tǒng)仍然是絕大多數(shù)船上最大的耗能裝置[5]，所以可通過某種方式控制推進器使其在電網(wǎng)中的功耗產(chǎn)生可控制的波動，并以此波動來抵消船上其他設(shè)備的負載波動。有 2 種方法來控制功耗的變化：一種是實行推進器偏置法。由于利用推進器偏置不可避免地會增大功耗，本文不予考慮；另一種是通過允許產(chǎn)生的推力和要求的推力指令間存在一個偏差來控制推進器功耗。這種方法以其他設(shè)備的功耗波動為主，忽略了推進器的推力變化和功耗波動范圍，并且這種方法的全程使用一定程度上會影響其他時間點的推力分配，降低了效率。本文在此思想的基礎(chǔ)上，對這種方法做出一定的改進，提出一種新的分配方法，即動態(tài)負載控制法。

1 推力分配的原理

關(guān)于動力定位系統(tǒng)的推力分配問題方面，目前只考慮船舶在水平面上的運動，即縱蕩、橫蕩和首搖 3個自由度運動。推力分配系統(tǒng)是動力定位系統(tǒng)的重要組成部分，用于產(chǎn)生力和力矩，來抗衡外部環(huán)境作用于船舶上的干擾力和力矩。推力分配需要滿足 3 個等式，等式包括來自控制器所要求的縱向力、橫向力和首搖力矩。

常規(guī)的推力分配策略如下：根據(jù)船舶的實際配置情況，不考慮功耗的波動因素，以功率消耗最小、磨損最小、推力變化平穩(wěn)、推力誤差最小、首向最優(yōu)為要求，并滿足控制器要求的橫向、縱向推力及首搖力矩，建立優(yōu)化目標函數(shù)及約束條件，實現(xiàn)對其的推力分配。推進器推力和其功率間非線性的關(guān)系為：

所以有：

目標函數(shù)

約束條件

式中：f為推進器的力向量；P為推進器功率；PC為功率因數(shù)；Q為權(quán)值矩陣；s為松弛變量；B為推力分配矩陣；τ為推力指令；fo為推進提推力上一時刻的值；fmax和fmin為推力的最大最小值；d為推進器推力變化率。

理想情況下，推力分配算法應(yīng)當(dāng)嚴格地實現(xiàn)控制指令τ的要求，意味著松弛變量s應(yīng)該為 0，但是這個優(yōu)化問題可能是無解的，這就要求s必須為非零，來確保約束條件下有可行域，同時設(shè)定權(quán)值矩陣Q1足夠大，以達到當(dāng)約束問題無解時，s有必要的小范圍偏離零，當(dāng)有解時，s為 0。第 2 項約束確保了推進器所產(chǎn)生的推力不能超過其最大值，第 3 項約束表示推力變化率的限制。

可以預(yù)計，由于常規(guī)的推力分配策略能夠?qū)崿F(xiàn)推力的平穩(wěn)變化，所以也能使得推進系統(tǒng)功耗不會有劇烈的波動，但是若船上其他用電設(shè)備發(fā)生大的波動，那么電力網(wǎng)總的功耗也會隨其發(fā)生大的波動，所以僅以功耗最優(yōu)為目標的推力分配可能難以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 基于動態(tài)負載控制法的推力分配策略

在原推力分配的約束里，加上速度限制、位置和功耗限制 3 個約束，并在原目標函數(shù)中加上推進系統(tǒng)功耗變化率與其他設(shè)備功耗變化率之差的目標函數(shù)，構(gòu)成一個新的約束優(yōu)化問題。動態(tài)負載控制法在短時間內(nèi)偏離定位系統(tǒng)給出的推力指令下，借助船舶自身的重量和大慣性，緊緊控制引起的船舶在位置和速度上的偏差，做到足夠小的偏差足以實現(xiàn)目標，即在不增加總體功耗的條件下，減小負載的變化。結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

目標函數(shù)建立如下：

約束條件

3 針對動態(tài)負載控制法的約束條件的離散化處理

速度約束項屬于一種積分約束，由于推力分配是以δt為單位的以及根據(jù)積分的累積性質(zhì)，式（4）可以寫成：

其中第 1 項，每進行 1 次分配就會得到 1 次累加，初始值為0。令

由于?t內(nèi)，系統(tǒng)狀態(tài)恒定，被積項是定值，所以有

速度約束最終可寫為

同理，對于位置約束項，可求得Te時刻的誤差為：

4 仿真分析

以上所提出的算法都是理論的分析和設(shè)計，下面仿真驗證算法的可行性和正確性。仿真對象選擇為一艘采用電力推進的起重船，長115 m，寬26 m，吃水21 890 t，其擁有 4 個推進器，2 個全回轉(zhuǎn)推進器作為主推，2 個隧道推進器，1 個在船首，1 個在船尾。具體參數(shù)如表 1所示。

表 1 推進器參數(shù)Tab. 1 Parameters of propellers

仿真船處于動力定位模式，定位有獨立的PID控制器實現(xiàn)。此算法不涉及角度不斷變化的全回轉(zhuǎn)推進器，試驗時，2 個全回轉(zhuǎn)推進器角度都設(shè)為0o或者180o。并且為了方便結(jié)果的對比和觀察，假設(shè)推進器推力為 0 時，功率也為 0。

速度和位置誤差的限定如下：

仿真開始時，對船加一個外部干擾（風(fēng)浪流），模擬干擾信號為正弦波，進行定位。為了方便計算和觀察，假設(shè)船上某設(shè)備以100 kW的功率在不停運行，但會周期性的突增200 kW，然后又回到常態(tài)。將提出的算法，即動態(tài)負載控制法應(yīng)用在此推力分配上，來抵消該設(shè)備給總電網(wǎng)帶來的功耗波動。

由圖2可知，常規(guī)的推力分配可以保證推進系統(tǒng)的功率緩慢變化，但當(dāng)其他設(shè)備功率產(chǎn)生大的波動時，整個電網(wǎng)的總功率也會產(chǎn)生巨大的波動。從圖3可知，采用基于動態(tài)負載控制法的推力分配算法后，通過調(diào)整和控制推進系統(tǒng)的功耗波動，成功地抵消或減小了電網(wǎng)總功耗的波動，達到了目的。其中有的地方波動依然不小，這是因為此時推進系統(tǒng)功率很小，沒有足夠的可減量來抵消其他設(shè)備的功耗波動，如果需要改變這種情況，需要實行推進器偏置[6]，但這會大大增加功耗。并且這種算法所帶來的誤差也被成功地限制在了要求的范圍內(nèi)。這種方法適用性比較強，對于增載、減載都能應(yīng)對，適合其他設(shè)備負載波動是有規(guī)律的或者周期性的情況，并且船的質(zhì)量越大，效果越好，但當(dāng)推進系統(tǒng)功率較小時，補償效果會差點，因為推進器可控的功率波動量有限。

5 結(jié) 語

所提出的推力分配算法憑借增大推進系統(tǒng)的功率波動和針對推力指令的偏差，成功減小了發(fā)電系統(tǒng)的負載波動。并且控制指令的偏差從船舶在速度和位置上的偏差方面被成功限制在可接受的范圍內(nèi)。當(dāng)推力分配不被允許進行推進器偏置時，負載控制法能夠最有效地減小負載波動。目前，該算法最需要繼續(xù)的工作的是通過對總線頻率、燃油消耗和排放的仿真去研究證明所提出的算法對電力系統(tǒng)的影響[7]。并且為了更好應(yīng)用在實船上，該算法需要能夠控制力的方向不斷變化的推進器，比如全回轉(zhuǎn)或者漿舵組合推進系統(tǒng)[8]。

[1]尚安利, 張達寬, 欒誠. 電力推進船舶功率管理系統(tǒng)綜述[J].船電技術(shù), 2011, 31(10): 1–5. SHANG An-li, ZHANG Da-kuan, LUAN Cheng. Summary of powert management system of electric power propulsion ship[J]. Marine Electric Technology, 2011, 31(10): 1–5.

[2]ALEKSANDER Veksler, TOR ARNE Johansen, ROGER skjetne. Transient power control in dynamic positioninggovernor feedforward and dynamic thrust allocation[Z]. Manoeuvring and Control of Marine Craft, 2012, 9th IFAC Conferenceon, 2012.

[3]EIRIK Mathiesen, MORTEN Breivik. Methods for reductions frequency and voltage variations on DP vessels[Z]. Dynamic Positioning Conference, 2012: 1–10.

[4]ALEKSANDER Veksler, TOR ARNE Johansen, ROGER Skjetne. Thrust Allocation with power management functionality on dynamically position vessels[Z]. In American Control Conference 2012: 1468–1475.

[5]RADAN D. Integrated control of marine mlectrical power systems[D]. PHD Thesis, NTNU, Trondheim, 2008.

[6]施小成, 魏玉石, 寧繼鵬, 等. 基于能量最優(yōu)的組合偏置推力分配算法研究[J]. 中國造船, 2012, 53(2): 96–104. SHI Xiao-cheng, WEI Yu-shi, NING Ji-peng, et al. Research on thrust allocation algorithm of combined offset based on energy optimization[J]. Chinese Shipbuilding, 2012, 53(2): 96–104.

[7]Christiaan De Wit. Optimal thrust allocation methods for dynamic positioning of ships[Z]. Delft University of Technology, Netherlands, July 2009. M. Sc Thesis.

[8]SERDALENM OJ. Optimal thrust allocation for marine vessels[Z]. Control Engineering Practice, 1997: 1223–1231.

Studies of the thrust allocation methods of dynamic positioning system based on power management

ZHANG Chun-lai, YU Meng-hong, YUAN Wei
(School of Electronic Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

For the problem that power variation of other consumers on vessels causes serious impact on electric power system, under the premise of not affecting the positioning function, taking all electric propulsion vessels as the research object, this paper studies thrust allocation strategies with the function of power management based on original thrust allocation, and takes dynamic load control method to reduce total power fluctuation of power grid and improve the stability of electric power system. The simulation proves that the deviation on velocity and position of vessel caused by the way can be restricted to a certain extent successfully and such deviation can realize the target that reducing power fluctuation of power grid.

dynamic positioning system；thrust Allocation；power management；dynamic Load

U664.8

A

1672 – 7649(2017)07 – 0089 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.018

2016 – 08 – 19；

2016 – 10 – 09

張春來(1991 – )，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)綜合自動化。