破冰船電力推進系統(tǒng)在特殊工況下的控制策略

馬吳涵，陳 穎，馬天宇，徐銘陽

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.海裝上海局駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011）

0 引言

船舶電力系統(tǒng)在船舶工程中扮演著至關(guān)重要的角色。電力推進技術(shù)已經(jīng)成為多種船型中最有效的推進方式之一，為船舶領(lǐng)域帶來了新的變革。破冰船是最早采用電力推進技術(shù)的船舶之一。由于極端的工作環(huán)境，對推進系統(tǒng)的性能和可靠性要求極高。電力推進系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其對低溫環(huán)境的適應(yīng)性和更好的操控性能，以及電動機低轉(zhuǎn)速大扭矩的特點，有利于應(yīng)對不同的冰況和航行需求[1]。因此，許多破冰船采用電力推進系統(tǒng)來驅(qū)動螺旋槳，以增強其在冰層中的機動性。

本文旨在深入探討破冰船的電力推進系統(tǒng)，特別關(guān)注在特殊工況下所面臨的挑戰(zhàn)以及解決方案。本研究將探討如何克服由環(huán)境復(fù)雜性引起的船舶負(fù)荷變化對電力推進系統(tǒng)性能的影響[3]，以確保破冰船在極端條件下的可靠性和安全性。

1 破冰船破冰工作模式分析

破冰船是在極寒水域執(zhí)行任務(wù)的特殊船型，其主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一是應(yīng)對不斷變化的推進負(fù)載扭矩，以及在破冰操作期間對螺旋槳葉片施加的扭矩變化[4]。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，需要細(xì)化考慮不同工作模式下的扭矩變化特點，主要包括針對整船性能的破冰工況與倒車工況，以及針對螺旋槳的“冰堵”模式與“冰切削”模式。

①破冰工況

破冰模式是破冰船的主要工作模式之一。在這個模式下，船舶以高功率前進，船首的特殊設(shè)計和強大的推進力用來破碎和分離冰塊。

②倒車工況（螺旋槳反轉(zhuǎn)模式）

倒車工況是在遇到極端情況或需要迅速擺脫危險時采用的工作模式。在該工況下，破冰船停止前進，然后通過反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳以高功率進行倒車，以擺脫冰堵或危險的情況。反轉(zhuǎn)模式通常用作應(yīng)急措施，因為它可能對船體和設(shè)備造成一定程度的應(yīng)力和損耗。

③冰堵模式

冰堵模式是指當(dāng)破冰船的螺旋槳遇到堅硬的固體冰塊時，螺旋槳卡死的情況。這種情況下，船舶可能會停滯不前或移動受阻。解決這一問題的方法是通過改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向或使用其他設(shè)備來解除冰塊冰堵。

④冰切削模式

冰切削模式是指破冰船的螺旋槳遇到浮冰或浮冰片時，需要將其切割或分解為更小的塊以便船舶可以通過。在這種情況下，螺旋槳葉片必須施加適量的扭矩來削減或分裂冰塊，以降低阻力并推動船舶前進。

因此，破冰船的電力推進系統(tǒng)扮演著至關(guān)重要的角色[5]。系統(tǒng)必須提供足夠的功率和扭矩，以克服水面冰層帶來的巨大阻力，同時保持船舶的良好機動性。破冰過程中頻繁的急停和倒退操作對電力推進系統(tǒng)的設(shè)計提出了極高的要求，要求其具備出色的動態(tài)響應(yīng)能力和可靠性，以確保破冰任務(wù)的成功完成。深入研究和不斷改進破冰船的電力推進系統(tǒng)對于提高極地航運的效率和安全性具有重要意義，也是當(dāng)前研究領(lǐng)域的一個重要課題。

2 亞馬爾型液化天然氣（LNG）船

2.1 電力推進系統(tǒng)架構(gòu)

亞馬爾型LNG船舶符合俄羅斯船級社最高規(guī)格的ARC-7破冰設(shè)計，能夠破開2.1 m厚的北極冰[6]。

如圖1所示為該船的電力推進系統(tǒng)接線圖，該系統(tǒng)由三個額定功率為15 MW的推進器組成。推進變頻器是三臺ACS 6000，它們由對稱的兩個配電板供電。設(shè)計的關(guān)鍵優(yōu)勢在于冗余的電網(wǎng)架構(gòu)提高了系統(tǒng)的可靠性，無論哪個部分發(fā)生故障，都有兩個吊艙可以繼續(xù)使用。

圖1 亞馬爾型船舶電力推進系統(tǒng)接線示意圖

2.2 電力推進系統(tǒng)控制方案

為了應(yīng)對ARC-7規(guī)格破冰任務(wù)中的特殊挑戰(zhàn)，該項目采用了推進控制單元（PCU）來執(zhí)行推進控制功能。

當(dāng)電力推進的螺旋槳速度下降時，會導(dǎo)致輸出負(fù)載減少。即在破冰船破冰時，螺旋槳組件通常會受到不規(guī)則的、強烈的扭矩干擾。解決方案是通過建立“過扭矩”模式從而穩(wěn)定推進系統(tǒng)負(fù)載。ABB設(shè)計的ACS 6000驅(qū)動器可使扭矩達到額定的180%。由于螺旋槳與冰磨削等情況導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降，而突破冰層并保持連續(xù)的轉(zhuǎn)速運行時扭矩仍能不斷增加，可以實現(xiàn)在螺旋槳速度下降的情況下，機械功率保持不變。

通過該方式，船舶能夠在面對冰塊等高阻力情況下，繼續(xù)高效運行。這一方法確保了在極端環(huán)境下維持操作的穩(wěn)定性和可靠性。

如圖2所示，在功率一定的情況下，如果螺旋槳的轉(zhuǎn)速降低到臨界值（相應(yīng)功率曲線與180%水平線相交），運行模式改變，PCU把扭矩限制在180%額定值。

圖2 亞馬爾型船舶超扭矩工作模式

與船用柴油相比，LNG船舶通常使用液化天然氣作為主要燃料。該氣體能量密度較低，會影響電機在急停時所能承受的降速速率。為了避免電機控制單元（ECU）切換到船用柴油或其他情況導(dǎo)致電氣保護裝置觸發(fā)跳閘，項目采取了以下策略：

①當(dāng)發(fā)電量超過需求時，首先要降低原動機功率，盡可能減少產(chǎn)生多余的氣體。

②如果有剩余發(fā)電量，利用推進器的能力盡可能地消耗多余電力。

③如果還有剩余發(fā)電量，啟用電阻器把多余的電力轉(zhuǎn)化為熱能。這個針對破冰模式的功能叫做“負(fù)載銀行”（Load Bank）功能[7]。

通過這些策略的協(xié)同作用，系統(tǒng)的可用性得到提高，確保了在各種工作情況下，電力系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行。這一方案相對于現(xiàn)有的解決方案在性能方面表現(xiàn)出色。

3 USCGC Healy破冰船

3.1 電力推進系統(tǒng)架構(gòu)

破冰船USCGC Healy是柴油電力推進系統(tǒng)，包括電壓調(diào)節(jié)、整流器、直流母線/濾波器、逆變器、PWM 驅(qū)動控制器、永磁同步電機型推進電機、軸和螺旋槳。

USCGC Healy破冰船具有AC / AC環(huán)形轉(zhuǎn)換器驅(qū)動器，其數(shù)據(jù)可用于與由PWM驅(qū)動系統(tǒng)供電的PMSM進行比較。PMSM 模型參數(shù)包括永磁體的磁通量、參考電流、轉(zhuǎn)矩常數(shù)和電機繞組阻抗。搭載兩個15000馬力的雙繞組推進電機。發(fā)電機組模型為柴油驅(qū)動的四臺7.2 MW、6.6 kV、三相、514 rpm同步電機。選擇12脈沖型整流器電路作為PWM電機驅(qū)動應(yīng)用的AC/DC轉(zhuǎn)換技術(shù)。直流母線配有一個0.005 F電容器。使用絕緣柵雙極晶體管 （IGBT）逆變器，由直流母線供電。

3.2 電力推進系統(tǒng)控制方案

針對破冰特殊工作狀態(tài)，該船使用基于速度控制的矢量控制方法，該算法的核心思想是將推進系統(tǒng)的控制從實際的三相電壓和電流轉(zhuǎn)換為虛擬模擬值，這些值在一個旋轉(zhuǎn)的二相坐標(biāo)系A(chǔ)、q中計算，其中q軸指向轉(zhuǎn)子磁通矢量方向。

在這個二相坐標(biāo)系中，我們認(rèn)為電機的電壓和電流是恒定的，類似于直流電機控制原理。該類型的電機系統(tǒng)具有最佳動態(tài)性能，能夠在外部擾動作用下維持輸出參數(shù)的穩(wěn)定性。

為了驗證控制系統(tǒng)在冰船遇到的各種操作場景中的穩(wěn)定性，文獻[8]識別和量化PWM驅(qū)動器對電能質(zhì)量的潛在影響，對航行破冰工況、緊急倒車工況以及螺旋槳冰切削模式進行仿真。

3.2.1 破冰工況

當(dāng)船只遇到冰時，敞水阻力曲線失效。所需速度增加到143 rpm，時間延長到65 s，使推進系統(tǒng)能產(chǎn)生足夠的推力以抵消冰施加給船體的阻力。

從圖3可以看出，PMSM電機電流在達到速度設(shè)定點之前達到最大值。

圖3 破冰情況下的系統(tǒng)響應(yīng)

3.2.2 倒車工況（緊急倒車）

在緊急倒車測試中，前進方向上以8m/s的初始船體速度初始化，上層控制器給出一個控制指令，將轉(zhuǎn)速設(shè)定為143 rpm（15 rad/s）。在t =10s時，控制器發(fā)出了一個-143rpm（全倒車）的指令，測試運行的結(jié)果如圖4所示。

圖4 緊急剎車模式下系統(tǒng)響應(yīng)

USCGC Healy的設(shè)計規(guī)格要求在25 s內(nèi)實現(xiàn)全功率反轉(zhuǎn)。可以看出，在完全倒車命令給出后的15 s后，電流出現(xiàn)了預(yù)期的反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機軸的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了變化。最終實現(xiàn)了要求的-143 rpm的軸速度。

這項研究的結(jié)果初步顯示，采用PWM的控制系統(tǒng)作為破冰船電力推進系統(tǒng)的技術(shù)選擇是可行的。性能測試模擬了在整個負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

4 俄羅斯22220項目核動力破冰船

4.1 電力推進系統(tǒng)架構(gòu)

俄羅斯22220項目破冰船的電力推進系統(tǒng)采用電動機組作為推進動力，每個電動機組由兩個轉(zhuǎn)子共軸的異步電機組成并連接螺旋槳。異步電機的定子繞組由單獨變頻器供電，變頻器又分別由多個變壓器供電。部分推進電路如圖5所示。

圖5 22220項目破冰船推進系統(tǒng)簡化示意圖

該推進系統(tǒng)架構(gòu)旨在提供足夠強大的動力以應(yīng)對極端的北極環(huán)境條件，確保這些破冰船能夠有效地開展任務(wù)。

4.2 電力推進系統(tǒng)控制方案

4.2.1 控制模式

該類型破冰船的電力推進系統(tǒng)具有兩種控制模式，分別為轉(zhuǎn)速控制模式與功率控制模式。這兩種模式的轉(zhuǎn)速和功率變化如圖6所示。

圖6 控制模式與螺旋槳的轉(zhuǎn)速功率變化曲線

兩種控制模式的目的是適應(yīng)不同工作需求，特別是對于特殊工況，如“冰切削”和“冰堵”情況下的電機工作要求。由于電磁體的制造差異，定子和轉(zhuǎn)子相互感應(yīng)的不同，導(dǎo)致兩個電機在同樣的控制信號下產(chǎn)生不同大小的電流。

為了解決兩臺異步電機之間的電流不平衡問題，需要對矢量控制算法進行調(diào)整。根據(jù)參考文獻[9]，調(diào)整方案的核心是在電磁矩控制器中引入電流差異校正信號，以確保兩臺電機在各種工作模式下都能夠平衡地分擔(dān)負(fù)載。優(yōu)化后的算法考慮了不同工作模式下的電流差異，在特殊工作模式下，算法會自動根據(jù)實際情況進行調(diào)整，以確保電機在不同負(fù)載條件下都能正常運行，降低過載風(fēng)險。

4.2.3 螺旋槳冰切削模式與“冰堵”模式

圖7展示了電動推進系統(tǒng)的槳葉轉(zhuǎn)速、總電磁矩以及在啟動和加速到5.23r/s（50 rpm）后，切換到“冰切削”模式和“冰堵”模式期間，每個電機單獨產(chǎn)生的電磁矩的曲線圖。

在模擬過程中，使用了參考文獻[10]中的電力推進系統(tǒng)的計算機模型。在圖8中，呈現(xiàn)了在相同工作模式下兩臺電機同名定子繞組流經(jīng)的電流差異曲線圖。

圖8 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（啟動并加速至5.23 r/s并過渡到冰切削）

由圖7和圖8分析可知，兩臺異步電機之間相同相電流的實際值差異分別為150 A（“冰切削”模式）和190 A（“冰堵”模式）。對于變頻器來說，它需要承受超過額定值約兩倍的輸出電流，即其中一臺電機將承受額外負(fù)載，導(dǎo)致故障，引發(fā)緊急情況。

圖9與圖10是基于優(yōu)化算法的電機特性變化曲線。經(jīng)過對比可知實現(xiàn)了同名繞組電流的平衡，電機從逆變器中消耗的電流在最嚴(yán)重的“冰堵”模式下的差值不超過4 A。如果不進行校正，“冰堵”模式下電流的差值將達到190 A（圖8）。

圖9 機組的總轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和每臺異步電機的電磁力矩變化曲線（啟動并加速至5.23 r/s并過渡到冰切削）

圖10 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（啟動并加速至5.23 r/s并過渡到冰切削）

4.2.4 倒車工況

除了"冰切削"和"冰堵"模式外，對于逆變器而言，倒車工況也需要考慮電流超載的情況。

圖11和12是倒車工況（螺旋槳反轉(zhuǎn)運行）時，無電磁力矩矯正的內(nèi)部電機特性變化曲線，顯示從5.23 r/s（50 rpm）到-5.23 r/s（-50 rpm）旋轉(zhuǎn)頻率的變化，該模式假設(shè)在敞水中進行。矩變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內(nèi)變化）

圖11 機組的總轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和每臺異步電機的電磁力矩變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內(nèi)變化）

圖12 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內(nèi)變化）

圖13和14顯示了在相同模式下，帶有電磁力矩校正的電機特性曲線。對比分析可知在倒車過程中，使用校正導(dǎo)致了兩個電機產(chǎn)生的電磁力矩的不平衡，從而實現(xiàn)了同名繞組電流的平衡（在沒有校正的情況下，電流的差值達到100 A，在有校正的情況下，差值減少到1 A）。

圖13 機組的總轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩和每臺異步電機的電磁力

圖14 兩異步電機同相定子繞組實際電流差異變化曲線（速度在5.23 r/s至-5.23 r/s的范圍內(nèi)變化）

通過優(yōu)化矢量控制算法，特別是在特殊工況下，可以提高電機系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，降低緊急情況的發(fā)生可能性。

5 結(jié)論

通過深入探討了亞馬爾型LNG船、USCGC Healy破冰船以及俄羅斯22220項目核動力破冰船的電力推進控制系統(tǒng)，包括其系統(tǒng)架構(gòu)、控制方案和特殊工況下的性能，旨在總結(jié)其關(guān)鍵特點和控制策略，有助于加深對電力推進技術(shù)在破冰船領(lǐng)域的應(yīng)用和性能特點的理解。本文突出了各種電力推進系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢，針對特殊工況如破冰、倒車和冰切削等工況，在亞馬爾型LNG船的案例中，引入了"過扭矩"模式和一系列控制策略，以穩(wěn)定推進系統(tǒng)的負(fù)載，提高了在極端環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性；USCGC Healy破冰船采用了柴油電力推進系統(tǒng)，探討了PWM變頻器在破冰船上應(yīng)用的可行性；俄羅斯22220項目核動力破冰船采用了串軸電機組，通過引入電流差異校正信號，改善不同工作模式下的電流不平衡的問題，提高穩(wěn)定性。這些策略有助于為船舶設(shè)計者選擇適合其特定需求的電力推進系統(tǒng)提供一定的指導(dǎo)。

未來還可以進一步研究其他特殊工況下的電力推進系統(tǒng)控制方法，探討新的技術(shù)和創(chuàng)新，以不斷提高船舶電力推進系統(tǒng)的性能和可靠性。