PMS能量管理系統(tǒng)及其在電力推進型船舶中的應用

隨著我國船舶行業(yè)逐漸向現(xiàn)代化和大型化方向發(fā)展，電力推進系統(tǒng)被大力推廣，傳統(tǒng)的電站系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足時代發(fā)展的需求。PMS能量管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電自動化、用電設備管理、系統(tǒng)檢測報警等功能，提高了大型船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。本文主要分析PMS能量管理系統(tǒng)在電力推進型船舶中的應用。

【關鍵詞】PMS系統(tǒng) 電力推進型船舶

PMS系統(tǒng)是船舶自動化系統(tǒng)的重要組成部分，應用于大型船舶中能降低燃油消耗、防止失電，同時能夠保護電力設備安全運行，提高船舶性能。PMS系統(tǒng)應用于電力推進型船舶中必須要分析電力推進的優(yōu)點和系統(tǒng)配置，并分析其控制層次結構、具體功能，從而最大限度的滿足使用工況。

1 PMS系統(tǒng)概述

PMS系統(tǒng)是一個集監(jiān)測、控制、管理與保護為一體的綜合性船舶管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的技術比較多，比如網(wǎng)絡通信技術、信息處理技術、系統(tǒng)決策技術、傳感技術以及計算機技術等。其運行的目標是根據(jù)船舶的實際工況來確定功率應用。PMS系統(tǒng)主要由5個部分構成，其系統(tǒng)功能框架見圖1。

1.1 PMS控制原理

電力推進型船舶自動化系統(tǒng)主要包含發(fā)電機控制系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、配電板以及PMS功率管理系統(tǒng)，其中PMS系統(tǒng)一般利用配電板集中分配船舶的電能，可以直接控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)電網(wǎng)的工作頻率，合理分配船舶電站負荷，限制船舶大功率負荷，保障電站供電質(zhì)量和安全。

1.2 PMS系統(tǒng)的重要器件選擇

1.2.1 電子調(diào)配器

PMS系統(tǒng)對調(diào)速器性能要求比較高，因為船舶環(huán)境比較復雜，通常模擬量調(diào)節(jié)信號容易受到電磁信號的干擾，所以必須實施速度調(diào)控處理，PMS系統(tǒng)在利用數(shù)字量信號實施調(diào)控時要盡量選擇性能較高的數(shù)字量調(diào)速器，提高電能調(diào)控的準確性。

1.2.2 控制系統(tǒng)

PMS系統(tǒng)一般選擇德國西門子SIMATICH冗余處理器400H系列CPU412H型號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份處理。在系統(tǒng)運行的過程中對整數(shù)和浮點數(shù)的運算量要求比較大，所以在這之前必須對系統(tǒng)運算實施預估計算分析，412H處理器運算速度能夠達到預期效果。在此基礎上SIMATICH系統(tǒng)利用光纖電纜對雙處理器實施熱備份冗余，而后利用系統(tǒng)擴展設計實現(xiàn)I/O冗余，大大提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2.3 負荷分配器

PMS系統(tǒng)中負荷分配器一般使用的是多機組并網(wǎng)控制，這類型的分配器具有很多應用功能，比如邏輯編程功能、保護電機功能和監(jiān)測功能等。如果PMS系統(tǒng)在實際運行過程中的模式為roop或ISO，那么可以利用系統(tǒng)自帶的斷路器控制功能和發(fā)電機保護功能實現(xiàn)PMS系統(tǒng)的實時監(jiān)控和保護來提高系統(tǒng)運行安全性。

1.2.4 變送器

PMS系統(tǒng)在運行過程中對發(fā)電機的控制參數(shù)要求比較高，所以在船舶運行過程中最好選擇一些相應時間比較少的變送器。變送器相應時間<50ms最為合適，這樣使系統(tǒng)的控制時間采樣周期可以縮短為>50ms，這個范圍符合PMS系統(tǒng)的信號采樣指標，可以提高變速器工作效率。

2 系統(tǒng)關鍵技術和解決方案

2.1 速度控制技術分析

在船舶運行過程中，PMS系統(tǒng)可以同時對多臺發(fā)電機進行速度調(diào)節(jié)，使各臺發(fā)電機的調(diào)速依據(jù)其自身調(diào)節(jié)量進行垂直移動，達到平衡。如果系統(tǒng)僅僅調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機的速度，可能會影響并網(wǎng)發(fā)電機負荷分配情況，所以大電機速度調(diào)節(jié)的過程中應該同時調(diào)控多臺速度供給，以便達到修正系統(tǒng)總頻率的效果。PMS系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的接口一般為兩個數(shù)字量開關信號，系統(tǒng)通過控制這兩個信號的通斷時間，調(diào)節(jié)速度給定值。同時系統(tǒng)運行過程中調(diào)速頻率的快慢可能會影響負荷調(diào)節(jié)效果，因為大電機本身存在固有的調(diào)速滯后性，所以系統(tǒng)調(diào)速并不是調(diào)速越快越好，應該根據(jù)當時系統(tǒng)運行的實際情況實施速度調(diào)節(jié)，一次調(diào)速結束后才能開始另一次調(diào)速，以免系統(tǒng)慣性和沖擊給調(diào)速帶來的影響。

2.2 負荷、頻率控制

PMS系統(tǒng)運行過程中如果是單臺機組的運行，系統(tǒng)發(fā)電機的頻率會自動調(diào)節(jié)并設定頻率，這個過程中發(fā)電機的頻率是保持不變的。在droop模式下發(fā)電機一般會依據(jù)機組情況實現(xiàn)實際功率的變化，當改變調(diào)速機構時系統(tǒng)會自動設定速度，并根據(jù)調(diào)速特點實施上下平行移動，系統(tǒng)頻率會根據(jù)移動特點做出相應的改變。在系統(tǒng)中如果是多臺發(fā)電機進行負荷分配，這時必須將各機組的調(diào)差率進行統(tǒng)一設置，如果不進行統(tǒng)一設置，可能會影響機組分配功率不均，影響系統(tǒng)功能的提高。

3 PMS系統(tǒng)在電力推進型船舶中的應用

3.1 速度調(diào)節(jié)方法

比較常用的船舶電力推進系統(tǒng)的調(diào)速方法是交流調(diào)速系統(tǒng)，這種調(diào)速方法主要利用的是晶閘管整流橋反并聯(lián)方式而實施的一種調(diào)控系統(tǒng)。常規(guī)循環(huán)變流器系統(tǒng)一般會選擇異步電動機作為其驅(qū)動電機。但在船舶電力推動系統(tǒng)中一般選擇同步電機作為驅(qū)動電機，因為同步電動機氣隙比較大，具有較高的性能，比較適合應用于大功率的場合。

3.2 供電方式

目前，我國很多電力推動型船舶的電源仍然以柴油發(fā)電機組為主，但是隨著全球石油資源的枯竭，未來電力推進船舶極可能會占主導地位。PMS系統(tǒng)首先要保障供電的平衡性，分區(qū)供電時主要設備要根據(jù)所有電能配置狀態(tài)實施，并自動選擇其他供電帶的電力能源，做到電能的合理分配。在供電過程中要注意人機界面的使用，主要包括報警功能、人機界面的動態(tài)顯示功能，其中報警功能主要對發(fā)電機組的動態(tài)進行監(jiān)測故障報警，并對故障實施相應的處理；人機界面的顯示能夠?qū)崿F(xiàn)界面的動態(tài)監(jiān)測，分析發(fā)電機組的運行狀態(tài)、電能分配情況及PMS的參數(shù)修改。

3.3 PRS參數(shù)分析

電力系統(tǒng)推進器工作在低負荷或低速時，推進器不會對頻率產(chǎn)生大的波動。因此，該增益就取決于期望的推進器加載，如下：

（1）

式中：kc表示比例增益，Qnp表示每個螺旋槳期望的額定轉(zhuǎn)矩或期望的轉(zhuǎn)矩參考值：

每個螺旋槳的轉(zhuǎn)矩參考值能夠直接從推進器的參考值進行計算：

（2）

式中：KQ0和ωnp表示推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)

使用設計的PRS，能直接限制柴油機的負載率。這與現(xiàn)存的負載率限制預先就確定推進器數(shù)量和在網(wǎng)發(fā)電機數(shù)量等方式相反，在成功設定柴油機負載率限制后，不需要測量單獨發(fā)電機的負載、速度以及螺旋槳的加載。估計總的機械轉(zhuǎn)矩后，所有在網(wǎng)發(fā)電機的柴油機將有相同的負載率限制。

3.4 動態(tài)仿真及結果分析

該仿真使用Matlab/SIMULINK。發(fā)電機組工作在同步模式，轉(zhuǎn)速恒定ωnp和HNon=2s。發(fā)電機建模使用PID調(diào)速器對頻率進行控制，油門執(zhí)行器模型。電網(wǎng)電壓假設為恒定，因此在該模型中只考慮有功，同時只考慮柴油機的響應影響。推進器建模只考慮有功功率消耗。在仿真中，HNon的參數(shù)誤差也被考慮，并且與推進器加載和損失有關。信號在被送入推進器速度控制器之前先通過低通濾波器，kgp/ （0.01s+1）。表1展示了典型的海洋工程支持船舶的參數(shù)。

仿真中過程中計算兩分段主匯流排的一邊。兩個推進器在工作，即2.3MW尾推進器和1MW艏側(cè)推進器及其它輔助負載。兩臺發(fā)電機組在網(wǎng)，每臺1.5MW，所有系統(tǒng)的發(fā)電能力為3.0MW。

4 結語

PMS能量管理系統(tǒng)實際上是一個綜合控制系統(tǒng)，是未來船舶綜合電力推進系統(tǒng)的一個關鍵子系統(tǒng)。在實際發(fā)展中必須深入分析PMS能量管理系統(tǒng)的工作原理和關鍵技術，才能更好的實現(xiàn)船舶電站控制，保障船舶安全、穩(wěn)定運行。

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作者簡介

劉鶯（1981-），女，福建省人。大學本科學歷。現(xiàn)為阿法拉伐（上海）技術有限公司項目工程師，主要研究方向為船舶電氣設計，供油單元、分油機項目管理等。

作者單位

阿法拉伐（上海）技術有限公司 上海市 200021