船舶動力系統能量回饋建模與分析

何　琪

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

船舶動力系統能量回饋建模與分析

何琪

(浙江國際海運職業技術學院，浙江 舟山 316021)

摘要：船舶系統中能量耗損主要在于主機和電站的運轉，其能效技術的改進對于提高能量循環效率效果顯著。動力系統模擬負載研究的關鍵在于變流系統，通過分析功率損耗大的電子設備模型，對能量回饋系統進行仿真，改善系統的能量回饋性能。首先介紹船舶能量回饋系統結構，及其中重要裝置電機電站的構成；接著闡述節能系統中負載PWM動態控制的模型算法及并網技術；最后利用Sinamaics和SCOUT工具進行半實物仿真，證明此系統能量反饋的高效性。

關鍵詞：模擬負載；能源利用；半實物仿真

0引言

隨著環保意識的提高及經濟因素的影響，能源利用率的問題在各個領域漸漸引起重視。在船舶的動力系統節能減排研究中，主機和發電機主要承擔起船舶推進供能的作用，其能源利用問題影響重大。在提高能源利用效率方面，首先是根據經濟條件選擇最優的機型、配置；其次是升級發電設備技術來提高供電效率。發電能效技術的提高主要在于主機電站設備的廢熱再利用，即吸收負載工作產生的熱量重新投入電站發電，提高燃料利用率，降低設備運行負擔。船舶動力系統在研發、組裝和維修時，需要利用模擬負載進行調試檢測。其中，主要設備如水力測功器、電抗器等試驗復雜困難，且工作時能源浪費較多，無合適能量回饋措施能夠有效降低損耗。因此，新的增強節能效果的技術具有研究價值[1]。

本文將連接電網與三相PWM變流器，研究模擬負載的功率消耗及能量轉換效率，通過變流裝置實現主機、電站與電網的能量主動回饋循環再利用，效率高，污染小。本文首先介紹了模擬負載系統的結構特點，接著介紹PWM變流器的動態控制進行能量回饋的分析，最后利用Sinamaics和SCOUT工具實現半實物仿真，證明此能量回饋技術的高效性。

1模擬回饋系統結構

1.1　主機系統模擬結構

在船舶主機系統中，直流電機、同步電機等對于主機的負載測試問題存在不足。由于成本及裝置復雜度的限制，本文使用三相交流異步電機，連接主機輸出軸的鼠籠型異步電機為模擬負載。通過PWM變頻器連接電網，使用異步電機控制負載工作狀態，配合主機進行能量回饋系統仿真。為了觀察船舶主機與螺旋槳系統聯合工作狀態，將主機連接變頻器，并同軸連接負載，利用主機反饋的能量進行驅動模擬。主要結構如圖1所示。其中2個模擬電機Motor1與Motor2使用同種三相異步電機，且同軸連接，工作時處于電動或發電2種相反狀態，做到能量互相補充，大大提高了能源利用率。

圖1　主機驅動模擬Fig.1　The host driver simulation

1.2　電站系統仿真結構

對于系統與電網對接問題，該電站仿真結構設計使用三相PWM變流器控制電壓解決。圖中左邊主要設備為柴油發電機組，連接電站配電裝置，之后通過濾波器及PWM整流逆變器、負載側濾波電抗器，最后連入校園電網。通過Siemen調節PWM變流器，控制諧波，調節電壓，保持電站高功率運行。理論上，該結構設計可使整體能量回饋到達95%，并通過器件消除運行時器件的諧波威脅。

圖2　使用PWM變流器的電站模擬系統[2]Fig.2　Using PWM inverter power station simulation system

2能量回饋技術

為保證上述模型對于能量回饋的有效性，還需要合適的算法技術對其中關鍵技術進行分析。

2.1　模擬電機控制

在使用三相PWM變流裝置參與電機運行時，需要合適的算法控制工作效果，即

式中：p為電機定子極數；Ψm為電子磁鏈；Ir為轉子電流；Te為電磁轉矩；J為轉動慣量；B為摩擦系數；Ω為角速度

由上式可知，當Motor2的轉矩加大時，轉子會降速。電機工作頻率由轉矩與相角差矢量相加結果調節決定，通常二者大小成正相關。通過解耦控制，可以對功率的分配情況分別掌控。將此公式應用于實際仿真時，一方面降低電站系統控制難度，另一方面具有良好的電流調控性能，靈敏性高。

2.2　三相PWM整流器數學模型

且有：

最終算出：

這樣，算法便可實現在空間方向上整流器電流在非耦合狀態下的獨立調節，以更好實現系統對整流器的運用，提高系統的性能。

2.3　三相PWM逆變器數學模型

i=[iUiViw]T, S=[SUSVSW]T。

PWM逆變器通常采用雙閉環調控，內環跟蹤外環的電流指令，可以同時保證其工作時的內外環回路的穩定性。

為了保證能量回饋系統的順利運行，需要解決動力系統與電網的連接問題[5]。由于工作時交流電壓幅度不穩定，在超出限額時需要一定的保護措施，例如直接切斷連接。在并網技術研究成果中，使用無線逆變器獨立控制兩側回路證明是最優方案。該方案通過控制兩側電壓的相位角差，以電機端的電壓為參照修正電網的接受端電壓變化，達到兩方匹配的目的。

3主機負載運行仿真

3.1　仿真工具

在動力系統能量回饋模擬系統中，采用Sinamics驅動技術實現對硬件的模擬，同時運用SCOUT軟件對模型進行編程管理，實現復雜的功能計算及設備模塊的靈活運用效果，達到最佳的仿真調控目的。介于電站負載能量回饋模擬的復雜性及與主機構造的較為相通，在此僅對主機負載能量回饋狀況進行模擬。

3.2　仿真運行

仿真過程中，各個裝置運行情況如表1所示。

表1　模型裝置工況

圖3為模型中各設備耗能結構圖。

圖3　能量再利用路徑Fig.3　Power reuse path

圖4　主機耗能情況Fig.4　Dissipation situation

3.3　結果與分析

模型工作時，主要裝置PWM變流器在不同功率下系統能量再利用情況如圖4~圖7所示。

圖5　負載能量轉化情況Fig.5　Load power convertion

圖6　負載工作狀況Fig.6　Workload status

圖7　主機工作狀態Fig.7　The host operative manager

根據仿真結果圖可見：在0~9 270 ms階段，Mortor1與Motor2消耗功率約為1.35 kW，而重利用能量達到1.25 kW，剩余0.1 kW能量遺失。在9 270~20 240 ms時間段上，Motor2工作狀態不變，Motor1增大功率運行，則消耗能量為3.5 kW，電網吸收能量為3.165 kW。最后510 000~68 000 ms時間段，Motor2減速運行，Motor1繼續大功率運行，則功率消耗減少到0.2 kW，能量回饋降低到0.05 kW。此動力系統模型運行結果表明，能量轉化效率與運行功率相關，在大轉速情況下，轉化吸收效率可以達到96%。

4結語

在船舶動力系統能量消耗巨大，高效的能量回饋技術研究對于燃料的節約裝置的維護有巨大的作用。本文利用動力系統的半實物模擬仿真，驗證了一種利用PWM變流器提高能量回饋的方法，并證明該方法的高效性。

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Ship power system modeling and analysis of energy recycling

HE Qi

(Zhejiang International Maritime College,Zhoushan 316021,China)

Abstract：Ship system energy consumption is mainly lies in the host and the power plant operation, and the improvement of the technology of energy efficiency to improve the efficiency of energy cycle effect is remarkable. Power system simulation load research lies in a variable flow system,the energy feedback system simulation through the analysis of the electronic equipment of large power loss mode, and improve the system of energy feedback performance. It first introduced the structure system of energy utilization installation, and its important device in the electrical power plant. Then expounded the load in energy saving system of PWM model of dynamic control algorithm and grid technology. Finally it using Sinamaics and SCOUT tools hardware-in-the-loop to simulation to prove the efficiency of the energy feedback system.

Key words：artificial load;efficiency technical;physical simulation

作者簡介：何琪(1980-)，男，講師，研究方向為船舶自動化。

收稿日期：2014-06-21； 修回日期： 2014-08-12

文章編號：1672-7649(2015)01-0136-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.028

中圖分類號：U665.26

文獻標識碼：A