基于MPPT策略的電動(dòng)船制動(dòng)過程能量回收研究

王宇松 陳 輝

(武漢理工大學(xué)船海與能源動(dòng)力工程學(xué)院 武漢 430063)

0 引 言

在電力推進(jìn)船舶中，螺旋槳帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)向船舶電網(wǎng)回饋能量主要發(fā)生在兩個(gè)狀態(tài)：①船舶停車自由減速過程；②船舶制動(dòng)狀態(tài).與新能源汽車能量回收系統(tǒng)類似，汽車能量回收分為滑行能量回收和制動(dòng)能量回收，區(qū)分之處在于船舶是否發(fā)出制動(dòng)指令.變頻器對(duì)船舶推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，若電機(jī)工作在二、四象限時(shí)，螺旋槳帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)向變頻器回饋能量，導(dǎo)致DC側(cè)母線電壓升高.如果這部分回饋的能量不及時(shí)消耗掉或者使用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來，嚴(yán)重時(shí)可能引起變頻器保護(hù)停機(jī)甚至故障損壞.

解決該問題通常使用兩種方法：①當(dāng)母線電壓高于額定電壓時(shí)，制動(dòng)電阻接入電路，把母線上額外的能量釋放掉；②采取制動(dòng)的方式將回饋能量通過整流單元回饋至船舶電網(wǎng). 曾宏宇等[1]建立了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的模型，仿真分析了不同運(yùn)行工況和不同目標(biāo)的制動(dòng)過程，結(jié)合典型工況對(duì)制動(dòng)電阻選型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).喬鳴忠等[2]設(shè)計(jì)了一種斬波制動(dòng)電路，基于一臺(tái)額定功率為1 MW、12相的永磁同步電機(jī)單一制動(dòng)工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，計(jì)算了推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)過程的回饋能量，發(fā)現(xiàn)斬波制動(dòng)電路能夠很好她吸收推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)過程回饋的能量，直流母線泵升電壓較小.楊誠等[3]設(shè)計(jì)了三電平四象限變流器進(jìn)行能量回收，并搭建了能量回收仿真模型，但對(duì)制動(dòng)狀態(tài)建模時(shí)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)當(dāng)作了三相正弦穩(wěn)態(tài)電壓源處理，未能準(zhǔn)確模擬船舶制動(dòng)狀態(tài).

螺旋槳作為電機(jī)負(fù)載，在運(yùn)行時(shí)受到船體、水流和電機(jī)三者共同影響[4].船舶行駛時(shí)工況復(fù)雜多變，在對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制和設(shè)計(jì)能量回收系統(tǒng)時(shí)必須結(jié)合船舶運(yùn)行工況和螺旋槳負(fù)載機(jī)理綜合分析.Bennabi等[5]以1條小型電動(dòng)貨船為例，對(duì)比分析了幾種不同制動(dòng)過程中可回收能量的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)應(yīng)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(wǎng)、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳負(fù)載模型，將船舶采用分級(jí)減速與采用MPPT策略的制動(dòng)減速過程進(jìn)行對(duì)比，仿真分析了船舶制動(dòng)過程中的能量回饋.

1 電動(dòng)船推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

典型的電動(dòng)船電力推進(jìn)系統(tǒng)見圖1.電動(dòng)船動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)成包括：動(dòng)力電池組，直流組網(wǎng)、推進(jìn)電機(jī)、減速齒輪箱和螺旋槳[6].儲(chǔ)能電池為電動(dòng)船提供電力源，其輸出受到SOC狀態(tài)的限制；直流組網(wǎng)電力系統(tǒng)母線電壓與有功功率存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系，直流系統(tǒng)能量供需不平衡會(huì)引起母線電壓的波動(dòng)，因此需要對(duì)接入直流系統(tǒng)中的能量源進(jìn)行功率控制，從而保持母線電壓穩(wěn)定；電機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)船舶操控者提供的操控動(dòng)作發(fā)出PWM信號(hào)和使能信號(hào)，電動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)電動(dòng)船電機(jī)，推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶運(yùn)動(dòng)[7].

圖1 純電船推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)建模仿真

2.1 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)建模

推進(jìn)電機(jī)配置為1臺(tái)6對(duì)極三相永磁同步電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩900 N·m，額定轉(zhuǎn)速1 500 r/min，額定功率142 kW，轉(zhuǎn)矩系數(shù)3.65 Nm/A，極對(duì)數(shù)6，轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)于三相凸極PMSM電磁轉(zhuǎn)矩為

Te=pn×(ψfiq+(Ld-Lq)idiq)

(3)

對(duì)于永磁同步推進(jìn)電機(jī)采用id=0雙閉環(huán)矢量控制，通過式(3)可以發(fā)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩大小正比于q軸電流大小，通過改變q軸電流即可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩的控制.經(jīng)典的矢量控制框見圖2，從外到內(nèi)的速度環(huán)和電流環(huán)均采用PI控制器.

圖2 永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在一、三象限時(shí)工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，運(yùn)行在二、四象限時(shí)工作在水輪發(fā)電機(jī)狀態(tài).當(dāng)電機(jī)運(yùn)行水輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，螺旋槳帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)將向變頻調(diào)速裝置回饋能量，見圖3.

圖3 電機(jī)四象限工作過程

2.2 螺旋槳負(fù)載、船舶運(yùn)動(dòng)建模

以某艘純電動(dòng)貨船為仿真對(duì)象，其參數(shù)見表1.

表1 某電動(dòng)船參數(shù)表

采用螺旋槳四象限特性表達(dá)式對(duì)進(jìn)速比、推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)進(jìn)行修正.根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)速n和螺旋槳進(jìn)速vp的不同，將螺旋槳工況分為四個(gè)象限.定義修正后的關(guān)系式。

進(jìn)速比

(4)

推力系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)

(5)

(6)

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàng)式對(duì)轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推力系數(shù)進(jìn)行擬合，擬合曲線見圖4.

圖4 kt(J′)與kq(J′)多項(xiàng)式擬合曲線

在伴流的作用下，設(shè)船相對(duì)于水的速度為Vs，則螺旋槳進(jìn)速與船速關(guān)系為

vp=(1-w)Vs

(7)

伴流分?jǐn)?shù)w的確定可通過專業(yè)模型試驗(yàn)得到，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式取得.本例小型內(nèi)河船的伴流分?jǐn)?shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.07.

螺旋槳對(duì)船的影響體現(xiàn)在推力減額系數(shù)t.通常對(duì)于小型單槳商船，推力減額系數(shù)的取值為0.08～0.2，本例中推力減額系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.08.因此，螺旋槳產(chǎn)生的有效推力為

(8)

式中：Te為螺旋槳產(chǎn)生的有效推力，N.

建立船槳系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(9)

式中：Δm為船舶運(yùn)動(dòng)過程中附著水的質(zhì)量，kg；m為船舶總質(zhì)量，kg.通常Δm取值為船體質(zhì)量m的5%～15%，本算例中對(duì)于小型內(nèi)河貨船取值10%.

通常對(duì)于航速不高的內(nèi)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(shù).

總結(jié)以上分析，并搭建螺旋槳負(fù)載建模計(jì)算過程，見圖5.

圖5 螺旋槳負(fù)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(diǎn)跟蹤”(maximum power point tracking)，在船速一定時(shí)，采用 MPPT，通過控制器調(diào)節(jié)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩使螺旋槳轉(zhuǎn)速跟隨水流速度變化，使水流能利用系數(shù)保持最大，發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)過程中最優(yōu)的能量回收.

當(dāng)螺旋槳工作在水輪機(jī)狀態(tài)下，即能量回收模式時(shí)，定義螺旋槳的能量回收系數(shù)(Cp)為電機(jī)能量回收功率Precovered與螺旋槳接收的水流動(dòng)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(dá)式

λ=nR/V

(12)

式中：n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；R為螺旋槳半徑；V為船速.

能量回收系數(shù)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(shù)其函數(shù)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(zhuǎn)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(shù)關(guān)系式

當(dāng)[λ，Cp]opt=[1.7,0.224]時(shí)螺旋槳-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)工況點(diǎn)處，最大能量回收系數(shù)Cp值約為0.224.在船舶制動(dòng)過程中通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速使系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)工況點(diǎn)處可以有效提高回收的總能量,下文根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)此控制策略進(jìn)行驗(yàn)證分析.

3.2 能量回收過程仿真分析

設(shè)制動(dòng)過程開始時(shí)間為tb，結(jié)束時(shí)間為tend,則螺旋槳水動(dòng)力矩在此時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生的能量為

(13)

式中：M(t)為螺旋槳轉(zhuǎn)矩；n(t)為螺旋槳轉(zhuǎn)速.

再生電能W按照為

W=Wj+E-W0

(14)

式中：Wj為系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能；W0為其他損耗.

設(shè)計(jì)了兩組工況進(jìn)行對(duì)比，一組使用分級(jí)減速，一組應(yīng)用了MPPT策略.仿真時(shí)間均為1 000 s，分析來研究船舶制動(dòng)中能量回收過程.

1) 工況一 制動(dòng)過程推進(jìn)電機(jī)采取給定固定轉(zhuǎn)速的分級(jí)減速.對(duì)船舶正車啟動(dòng)、運(yùn)行和分級(jí)減速(t=400和600 s時(shí)分級(jí)制動(dòng))過程進(jìn)行了仿真.過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速、船速、推進(jìn)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(dòng)過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速控制采取MPPT策略.對(duì)船舶正車啟動(dòng)、運(yùn)行和制動(dòng)過程進(jìn)行了仿真.過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速、船速、推進(jìn)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(jìn)行定量對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)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(dòng)過程中使用MPPT策略能顯著增加船舶制動(dòng)過程中總的可回收總能量.

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

4 結(jié) 束 語

文中建立了直流電網(wǎng)、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳負(fù)載模型，分析了電機(jī)與螺旋槳四象限工作特性與能耗制動(dòng)原理，并結(jié)合典型運(yùn)行工況，對(duì)船舶制動(dòng)過程進(jìn)行了建模仿真分析.將普通的分級(jí)減速與采用MPPT策略的制動(dòng)過程進(jìn)行了對(duì)比，仿真結(jié)果表明：應(yīng)用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)策略對(duì)制動(dòng)過程電機(jī)控制進(jìn)行優(yōu)化，該策略可顯著增加回收能量.