電力推進船舶功率管理系統綜述

尚安利 張達寬 欒誠

（1. 海軍92337部隊驗收部，大連 116023；2. 南京大學物理學院，南京 210093）

近幾十年來，隨著電力電子技術的發展和大功率交流電機變頻調速技術的目趨成熟，船舶電力推進逐漸顯示出其優越性，成為未來船舶動力裝置的發展方向[1]。

電力推進船舶的電力系統主要由發電系統、配電系統、用電負載（推進電動機等）和功率管理系統(Power Management System，PMS)等部分組成[2，3]，船舶日用供電和推進供電一體化。

另外，隨著船舶用電負載功率的增加，船舶的發電、配電和用電負載的電能管理變得異常復雜[2，3]，必須對船舶發電系統、配電系統和用電負載的電能進行有效管理，保證船舶具有足夠的可用功率[2]，預防船舶電力系統斷電，且使得燃料消耗最小，這樣既可以保證設備正常運行，又可以減少設備的維護成本，提高設備的完好率。

1 功率管理系統的組成和基本結構

當前，典型的 PMS的硬件組成為可編程邏輯控制器（PLC）、多功能電子式保護繼電器以及觸摸式液晶顯示控制面板等。電站的功率管理功能由 PLC實現；電網和發電機的保護監視功能由電子式多功能保護繼電器實現；功率管理系統的手動遙控功能和重要參數及狀態指示和設置由觸摸式液晶顯示控制面板實現。

PMS的結構配置分為鏡像型和熱冗余型兩種[4]。鏡像配置包括兩套 PLC，在正常情況下，每套 PLC僅負責部分電力系統的管理與監控，同時，這兩套 PLC可以通過現場總線進行信息共享，當其中一套 PLC發生故障時，另一套PLC將負責整個電力系統的管理與監控。在熱冗余型配置情況下，電站的功率管理功能應由兩套互為備用的PLC實現，一套PLC為主用控制器，另一套PLC為備用控制器，一旦主PLC出現故障，備用 PLC應立刻被自動切換成主用控制器，保證主 PLC的故障不對運行的發電機和電網的安全造成任何影響。

2 船舶功率管理系統的功能

2.1 根據電網可用功率的變化自動啟動和關閉發電機組

PMS可根據船舶電網上的可用功率的大小啟動或關閉發電機組，這里可用功率為當前所有并網發電機額定功率之和與整個電力系統用電負荷之差[2]，即

式中，Pr,av為可用功率，Pr,g(k)為所有并網發電機的額定功率Pr,gi之和，Pg為并網所有負載的消耗功率。

啟動發電機組

如果可用功率小于預先設定的門限值且持續時間超過設定的界限時，PMS將依據預先制定的啟動次序表依次啟動備用發電機組，可用功率門限值和持續時間界限可由電力系統結構、船東或船舶設計者等多方面因素決定。

關閉發電機組

當發電機組中的原動機在低功率狀態下運行，或發電機的載荷小于其額定功率值（如50~60%）且持續時間超過一定時間（約幾十秒）時，可以依據預先制定的次序表依次關閉發電機組。這樣既可以減少燃料消耗，又可以降低設備的維護成本，例如柴油機載荷小于其額定功率的 30~50%時，在燃燒室和排氣道內將會積累大量的煙灰，這將導致柴油機點火經常失敗，從而進一步增加柴油機內煙灰的積累，最終導致柴油機不能正常工作[5]。

發電機組的啟動和關閉與電網功率的關系

式中，λ∈[0,1]，PL,start(k)表示即將啟動下一套發電機組使得并網機組數為k+1時的電網總瞬時功率值。PL,stop(k+1)表示即將關閉發電機組使得并網機組數為k時的電網總瞬時功率值。如圖1所示，在實際應用中，為了避免發電機組頻繁地啟動和關閉，采用折衷的方法選取PL,stop(k+1)的值，即將其選在PL,start(k)與PL,start(k+1)之間[6]。

圖1 電網可用功率變化與啟動/關閉發電機數之間關系

注意：1) 啟動發電機后應保證不引起PMS或船舶其它管理系統因可用功率過大而關閉其它發電機組；

2) 關閉發電機組后應保證不引起 PMS或船舶其它管理系統因可用功率過小而卸載正在工作的負載或啟動備用發電機組；

3) PMS應對發電機組（原動機和發電機）的各種傳感器信號做出反應，保護發電機組免遭損害。

3.2 頻率控制與有功功率(kW)分配

對于電網頻率控制，可通過調速器來控制原動機的轉速使其保持規定的頻率（恒頻模式，Isochronous Mode）或頻率范圍（下垂模式，Droop Mode）。調速器分為機械式和電子式[5]，電子式調速器可連續調節，且可通過遠程接口與PMS相連。進行頻率(或轉速)的控制僅是調速器的基本功能，更重要的是對并聯在電網母線上發電機組之間的負載分配問題。調速器工作模式分為下垂模式和恒頻模式[5，7～9],工作模式可通過控制接觸器實現下垂模式和恒頻模式之間的轉換。

下垂模式

并聯發電機組間的有功負載分配可直接由調速器主動和實時進行，效果與調速器動態性能有關。而 PMS不能主動地進行發電機之間的即時負載分配,需要通過調節調速器的轉速設定值來進行功率平衡和頻率校正（即補償轉速下降）[5，7]，速度下降的計算公式為

在下垂模式下，調節一臺調速器的設定值將影響發電機之間功率平衡和母線頻率，而同時調節所有調速器的設定值將影響整個系統的頻率[7]。

圖2 下垂模式下并聯發電機有功負載分配

另外，由于頻率校正的時間間隔較長(約幾分鐘)，一般要求 PMS發出的頻率校正命令間隔不能太短，否則易引起電網功率和頻率的波動，嚴重時這種波動容易引起系統失穩。通常 PMS應理想地調節功率平衡，應僅在發電機并網后或卸載之前進行功率平衡操作[5]。如圖 2，在實際應用中，下垂控制模式可取得良好的功率分配和頻率調整精度，例如西門子公司的 PMA300系列能確保在穩態工況下，有功功率的分配精度不超過 5%，頻率調整精度不超過 0.5%。通常，允許速度下降的百分比為 3~5%，這也就是穩態時允許頻率波動的范圍±2.5%的原因。

恒頻模式

在恒頻控制模式下，發電機組之間的有功負載分配通過電子式調速器實現[8]，調速器之間通過負載分配線相連，進行發電機組之間功率分配。在實際應用中，功率分配非常精確，而且電網頻率為定值，但這要求并網的發電機組所配的調速器和執行器具有相同品牌和型號。通常，對稱地分配負載，除非有意識地加入偏置[7]。

非對稱負載分配

通常，負載分配為對稱的，然而在某些情況下需要非對稱操作，例如，剛檢修完的發電機組需要運行在一定的工作狀態下以檢驗其性能，要求與并聯的其它發電機組的負載分配非對稱。

對 PMS來說，管理非對稱負載分配比較容易，而且在某些情況下采用非對稱負載分配可以使發電系統性能達到最優。

注意：在實際工作過程中，如果負載分配線短路將使得原動機燃料供給減少，最終導致發電機組斷路器跳閘。另外，在下垂模式下，PMS可控制其外部轉速和負載平衡，這樣發電系統控制具有較高水平的冗余。當相同型號和性能參數的發電機組（包括調速器）并網時，采用恒頻控制模式較為理想，而將下垂模式作為備份，一旦恒頻模式出現故障，PMS應能立刻激活下垂模式進行有功負載分配。

3.3 電壓控制與無功功率(kVAr)分配

發電機端電壓調節和并網發電機之間無功負載分配是通過自動電壓調節器（Automatic Voltage Regulator，AVR）執行。AVR 控制為下垂模式，PMS通過遠程接口與 AVR相連，向AVR提供補償信號，對 AVR電壓設定點進行連續“監控”調節，以提高電網的電壓穩定性和無功功率的分配精度。

在實際應用過程中，僅采用下垂控制的效果不理想，可采用下列方法減少或消除負載引起的電壓降[3,9]：

電壓下降補償，是非常廣泛使用的無功功率控制模式，通過調節 AVR的電壓設置值來部分或全部補償電壓下降，電壓下降與無功負載有關，即無功負載增加將引起發電機端電壓下降。

橫流補償，是非常復雜的無功功率控制模式，采用該方式可使電壓保持為恒定值，且并聯發電機之間無功功率得到平衡。

積分器，在AVR或PMS中包含一個積分控制器來調節電壓，避免穩態電壓變化。

另外，在實際電力系統中，應船東的要求，可在主配電盤上安裝手動電壓控制作為備份。

3.4 變頻驅動設備的功率限制

圖3 PMS功率限制功能在推進器系統中的應用[10]

通常，船舶上的重型用電設備主要為推進器等變頻驅動的設備[4，5，11，12]，變頻驅動在功率管理和控制方面具有高度的靈活性，能夠在50到100毫秒內增加或減少功率消耗，例如電壓源型逆變器的動態響應時間小于50毫秒，而可控硅整流器（SCR）、周波變頻器和電流源逆變器的動態響應時間約100毫秒左右[5]。這樣可以由PMS向重型用電設備的控制器發出速度或功率限制命令，限制重型用電設備的功率消耗，可有效預防發電機組過載而引起系統斷電，PMS功率限制原理如圖3所示。通常在下列三種基本下情況需要進行功率限制[13]：

穩態限制，總負載功率消耗超過總發電量；

瞬態限制，負載或電網結構突然改變；

重要負載的操作，在某些船舶上，推進器優于生活設備。

3.5 大功率用電設備啟動許可

對于某些大功率電氣設備，如：恒速電動機驅動的變距螺旋槳（CPP），電動機為鼠籠型感應電動機，沒有通過變頻器而直接接入電網。啟動電流可達到額定值的 5~7倍，造成電網電壓瞬時下降，并使電動機產生瞬時沖擊力矩。

針對該類型的大功率電氣設備，PMS具有負載堵塞或啟動許可功能,也就是只有當PMS計算并判斷電網具有足夠的可用功率時，才同意該大功率電氣設備的啟動請求，否則，PMS將先依次啟動備用發電機組，直到電網具有足夠的可用功率后，PMS才響應該大功率電氣設備的啟動請求，該大功率電氣設備才可以啟動 。

3.6 電氣設備的分級卸載

圖4 發電機的自動啟動/關閉與分級卸載

在實際運行中，如果電力系統出現的所有情況可以準確預測時，PMS所具有的發電機組自動啟動、變頻驅動的功率限制和大功率電氣設備啟動許可等功能可以保證船舶電網不發生斷電危險，然而，由于船舶電力系統非常復雜，操作模式多樣，電力系統出現的情況很難準確預測，當電網可用功率迅速減少時，如果電力系統沒有卸載功能，有電力中斷的危險。所以對于船舶電力系統，當可用功率降到預先設定的門限值時，PMS先按照預先制定的次序表依次啟動相應備用發電機組[14]，然后觸發非重要負載的斷路器，將它們分級從電網上脫扣，分級卸載的次序由負載的重要性而定，重要的用電設備只有在可用功率非常小時才從電網脫開[15，16]，整個操作過程如圖4所示。

3.7 快速卸載

圖5 功率減少所需調節時間 [16]

在船舶電力系統運行過程中，如果某一套發電機斷路器發生跳閘現象，就會引起剩余并網發電機出現瞬時非常大的過載現象，這就要求PMS必須快速減少電力系統載荷，避免剩余發電機斷路器跳閘而引起整個電網斷電。由于要求電力系統保護響應的快速性，前面所述的啟動備用發電機組、功率限制和分級卸載等功能均不能取得期望的效果，這就要求 PMS具有快速減少負載的功能。

由圖5可以看出，當一個并網柴電機組脫扣時，另一個并網柴電機組在負載加倍的情況下，為了避免斷電的危險，變頻器驅動的推進器應當在300?500毫秒內將功率減為零[4]。

當前，PMS快速減少負載方法分為[2]：基于可用功率的分級卸載方法、基于頻率的分級卸載方法、基于事件觸發算法的快速負載減少方法。其中，ABB公司的基于事件觸發算法的作用過程為：當配電盤上的發電機斷路器發生跳閘時，將產生觸發信號，該觸發信號通過線路傳輸到配電盤旁邊的遠程I/O單元，遠程I/O單元通過現場總線迅速將這個信號傳輸到 PMS控制器（分布式PMS系統的分系統），然后，該信號在PMS中進行快速減少功率的運算，這期間的時間可以忽略。另外，快速減少載荷功能也通過位于發電機組旁邊的遠程I/O單元觸發，兩條觸發線路見圖6。

圖6 基于事件觸發的快速負載減少方法[2]

PMS執行減少推進器載荷的程序所需時間約為50毫秒，而PMS從接收觸發信號到向變頻器發出減少功率命令需要100毫秒，信號傳輸是通過現場總線完成的，變頻器可在100毫秒內將其功耗降為零，而如果采用電壓源逆變器，這個時間可以不超過 50毫秒。因此，整個功率減少過程所需的時間不超過200毫秒，如圖5所示，小于500毫秒的要求。另外，在經過預先設定的時間之后，復位該觸發信號，可以重新啟動推進器。ABB公司通過大量的試驗證明，在發電機斷路器發生跳閘的情況下，采用該算法可以有效預防電力系統斷電[5]。

另外，在實際電力系統設計過程中，還可根據電網負載具體情況設計負載功率減少方案，例如對于變速電動機拖動的定距螺旋槳（FPP），也可采用監視電網頻率下降的FPBS方法快速減少推進器功率。而對于定速電動機拖動的變距螺旋槳（CPP），由于其響應較慢，因此，目前只能通過 PMS的分級卸載功能來減少電網的功率消耗。

3.8 斷電恢復（Blackout Restoration）

如果船舶電力系統發生斷電，PMS將自動恢復電力系統供電。如果沒有 PMS，操作員將重新一套接一套地啟動發電機組，與電網同步并接到電網，然后，手動或遠程啟動相關負載設備。由于這些設備的連接非常復雜，整個恢復過程大約需要幾十分鐘，而且在此過程中，由于船員緊張可能出現誤操作。如果由 PMS來恢復供電，整個過程僅需要幾分鐘。

4 結束語

船舶 PMS是集人工經驗、電力系統自動化和檢測技術的綜合，在船舶各種工況或作業條件下，可保證船舶電力系統具有足夠可用功率。它主要完成發電系統、配電網絡和負載的管理，對提高艦船電力系統的魯棒性，減少燃料消耗，防止船舶電力系統斷電具有重要作用。

[1]林安平. 船舶電力推進系統中PMSM模糊矢量控制仿真研究[D]. 大連海事大學, 2007.

[2]Lin Radan, D. Integrated control of marine electrical power systems[D], thesis for the degree of philosophiae doctor, Department of Marine Technology, NTNU, Norway, 2008.

[3]Project Guide for Marine applications, Marine Project Guide W20 - 2/2002.

[4]?dnanes, A.K.,. Ing., MscEE. A Survey of concepts for electric propulsion in conventional and Ice breaking OSVs[C], 30th Propulsion & Emissions Conference 2008 Radisson SAS Hotel, Sweden,Gothenburg on 21-22 May 2008.

[5]Radan, D. Marine power plant control system- power/energy management system, Tech. Report,Department of Marine Technology, Project: Energy-Efficient All Electric Ship, NTNU, Trondheim,Norway, 2004.

[6]Radan, D., A.J. S?rensen, T.A. Johansen and ?dnanes,A.K.. Probability based generator commitment optimization in ship power system design[J], WSEAS Trans. on Systems, Issue 8, Vol. 5, pp. 1901-1907，2006

[7]Magnus Miemois，Power generation stability and response in DP applications –An Overview of Modern Diesel Engine Performance[C]，Dynamic Positioning Conference, Huston, Finland，2003.

[8]Russell Hodge， Single point failures in traditional implementations of power and load management systems[C]，Dynamic Positioning Conference,Huston, Finland，2003.

[9]Woodward Co.. Governing Fundamentals and Power Management, 2004.

[10]Ruth, E.. Propulsion control and thrust allocation on marine vessels[D]. Department of Marine Technology,Norwegian University of Science and Technology(NTNU), 2008.

[11]?dnanes, A.K., Maritime electrical installations and diesel electric propulsion, Lecture Notes, Trondheim:Dept. Marine Technology, NTNU, Norway，2003.

[12]?dnanes, A.K., Asgeir J. S?rensen, Thomas Hackman,Essential characteristics of electrical propulsion and thruster drives in DP vessels[C], Dynamic Positioning Conference, 1997.

[13]Don E. Wilkes, P.E.Power management and blackout protection[C]，Dynamic Positioning Conference,Huston, US，2001.

[14]Radan, D., T.A. Johansen, A.J. S?rensen, A.K.?dnanes , Optimization of load dependent start tables in marine power management systems with blackout prevention[J], WSEAS Trans. on Circuits and Systems , Issue 12, Vol. 4, pp. 1861-1867,2005.

[15]Power management systems brochure. Proeon Systems Limited ，2009.

[16]Lauvdal, T., ?dnanes, ?.K.. Power management system with fast acting load reduction for DP vessels[C]. Dynamic Positioning Conference, Huston,2000.