DQZHAN技術訊：提高船舶微電網(wǎng)艏側推進器運行能效的控制策略
天津工業(yè)大學電工電能新技術天津市重點實驗室、丹麥奧爾堡大學能源技術系、國網(wǎng)天津市電力公司電纜分公司的研究人員肖朝霞、李懷民等，在2018年《電工技術學報》增刊2上撰文，考慮到船舶電力艏側推進器頻繁快速起停對船舶電力系統(tǒng)（船舶微電網(wǎng)）燃油利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出在艏側推進器直流母線增加儲能裝置，為艏側推進器驅動裝置供電。
該方案可有效降低柴油發(fā)電機容量，提高燃油利用效率，降低艏側推進器起動突增功率對船舶電網(wǎng)電壓頻率擾動的影響。同時由于艏側推進器電機制動時可做發(fā)電機運行，儲能裝置可替代消耗電阻吸收快速制動電機產生的電能。
設計了一種三相交錯并聯(lián)運行的DC-DC變換器的電壓自適應PI控制器，該方案增加變換器的帶載能力，并分析了控制器參數(shù)的選擇范圍。仿真結果表明，該控制器在艏側推進器頻繁起動過程中可有效抑制直流母線電壓的暫升和暫降，且增加直流變換器的帶載能力。
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隨著全球能源**與環(huán)境惡化等問題的日益凸顯，航運業(yè)對節(jié)能減排的呼聲越來越高。根據(jù)國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）的測算，2012年全球航運業(yè)的溫室氣體排放量已相當于全球總排放量的2.6%，氮氧化物占總排放量的15%，硫氧化物占總排放量的13%，并且到2050年航運污染預計增加1倍，全球船舶業(yè)急需升級轉型。
我國是一個造船和航運大國，造船業(yè)與航運業(yè)已成為國民經濟發(fā)展的支柱性產業(yè)之一。船舶電力系統(tǒng)是船舶賴以生存的基礎，其科學技術的進步將極大地促進我國造船與航運行業(yè)的發(fā)展。當前船舶電力系統(tǒng)主要為交流供電，艦船主要采用直流供電。
從本質上說，船舶電力系統(tǒng)是一個獨立運行的微電網(wǎng)，即船舶微電網(wǎng)。船舶微電網(wǎng)和基于可再生能源的微電網(wǎng)之間有很多共同特征，例如獨立運行，使用較多的電力電子變換器。因此，可再生微電網(wǎng)的相關協(xié)調控制與能量管理技術可以擴展到船舶微電網(wǎng)。
但是，船舶微電網(wǎng)主要負荷為大功率推進裝置和各種泵類，同時船舶運行對電力系統(tǒng)可靠性的要求很高。因此，在船舶微電網(wǎng)的研究中，功率變換器拓撲結構設計與控制，電網(wǎng)層的協(xié)調控制與功率能量管理等更為復雜。
船舶電力推進是一種電機直接驅動螺旋槳的推進方式，相比傳統(tǒng)的機械式推進，具有節(jié)省空間、可操控性強等優(yōu)勢，成為發(fā)展的主流之一。船舶艏側推進是一種產生船舶橫向推力的特殊推進裝置，用來增強船舶在停靠、駛離港口的操縱性以及避碰過程中的靈活性，屬于船舶電網(wǎng)中的短時脈動負載，其作為船舶輔助操縱裝置，主要應用于港口內船舶，例如近海支援船和平臺供應船。
艏側推進功率需求如圖1所示。由于功率推進電機的頻繁操控，船舶供電電源（例如柴油發(fā)電機組）很難快速跟蹤負荷功率變化，且艏側推進器的大功率脈動供電需求可能導致船舶微電網(wǎng)頻率和電壓的波動，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
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圖1 艏側推進器功率需求
當前科研人員針對船舶電力推進器的設計進行了大量研究。文獻[10]基于實驗平臺建立了船舶主推進器變頻調速矢量控制系統(tǒng)，優(yōu)化電力推進船舶的操縱性和穩(wěn)定性。文獻[11]利用轉子磁場定向控制策略對異步推進電機進行控制，通過實驗模擬各種工況下船舶電力推進系統(tǒng)的特性，并研究了推進電力在運行過程中對電網(wǎng)的影響。
文獻[12]對船舶艏側推和船舶?？肯到y(tǒng)進行研究，主推進器和側推進器相互協(xié)調，建立二階數(shù)學模型并通過實驗進行驗證。文獻[13]提出使用超級電容器減少艏側推進器對船舶微電網(wǎng)質量的影響。
為了滿足大功率艏側推進電機的運行，文獻[14]提出將三相交錯并聯(lián)DC-DC變換器應用于電力儲能系統(tǒng)，該方案增加了變換器的容量，降低了輸出電流紋波。文獻[15]提出DC-DC變換器電流前饋控制策略，通過電流比例環(huán)節(jié)修正模型誤差，進而實現(xiàn)變換器的快速響應。
基于以上分析，本文采用異步電機作為艏側推進電機模型，選用轉子磁鏈定向矢量控制方法。為了減小艏側推進電機運行對船舶電網(wǎng)的影響，在推進電機的直流母線側增加儲能電池，提供短時頻繁起動艏側推進電機所需能量。此外，對三相交錯并聯(lián)DC-DC變換器提出自適應PI控制方法，并建立小信號模型對DC-DC變換器的參數(shù)進行分析，提高DC-DC變換器的帶載能力。*后給出了系統(tǒng)參數(shù)和仿真結果及分析。
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圖2 船舶微電網(wǎng)結構
結論
本文根據(jù)船舶艏側推操縱狀態(tài)，提出了利用電池給船舶艏側推進器驅動的供電方案。該方案有效地降低了大功率脈動負載對船舶電網(wǎng)電壓頻率波動的影響，提高了柴油發(fā)電機的燃油利用效率，增加了船舶微電網(wǎng)的穩(wěn)定性。
采用三相交錯并聯(lián)DC-DC變換器，可滿足推進器起動時的大功率需求，同時吸收推進器回饋電能，提高能源利用效率。設計的自適應PI電壓控制可有效抑制負載擾動，提升DC-DC變換器載容量和系統(tǒng)電能質量。
