李 勇

中海船研科技股份有限公司研究開發(fā)部，上海200135

0 引 言

當(dāng)前，電力推進(jìn)系統(tǒng)以其機動性好、低污染、低能耗等特點成為國內(nèi)外艦船動力裝置發(fā)展的主要方向之一，在軍用、民用方面都受到了廣泛關(guān)注，并有許多成功應(yīng)用。根據(jù)國內(nèi)設(shè)計院的統(tǒng)計信息，目前有大量的海工項目和船東開始要求使用電力推進(jìn)，訂單數(shù)量在持續(xù)快速增長?？深A(yù)見，未來新型艦船采用電力推進(jìn)必將成為主流趨勢。

電力推進(jìn)的工作原理是：變頻器依照推進(jìn)指令，通過一定的控制算法對推進(jìn)電機進(jìn)行控制，推進(jìn)電機帶動推進(jìn)器按船舶航行需要工作。在艦船的航行過程中，推進(jìn)電機并不總是恒速運行，其運行狀態(tài)還包括升速、減速、倒車、停車，這些運行狀態(tài)都會引起電能需求的改變；同時，海況變化導(dǎo)致推進(jìn)負(fù)載改變，也會引起推進(jìn)電能需求的變化。因此，對于船舶電網(wǎng)，電力推進(jìn)負(fù)載是一個變化頻率較高、變化幅度較大的特殊負(fù)載。

推進(jìn)負(fù)載的快速、大幅度變化對船舶電網(wǎng)的供電性能和推進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)的工作性能存在較大影響。電機升速過程中或海況惡劣時，推進(jìn)負(fù)載會隨之增加，推進(jìn)功率需求增大，如果此時船舶電網(wǎng)熱備余量不足，或由于負(fù)載增加過快使發(fā)電設(shè)備無法及時響應(yīng)，就會造成推進(jìn)電機推進(jìn)功率不足、驅(qū)動變頻器的直流母線電壓降低和船舶電網(wǎng)波動，影響推進(jìn)機動性。而在電動機減速過程中，由螺旋槳的工作特性和電動機工作原理可知［1］，電機通常會進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，向變頻器直流母線回饋一部分電能，這部分能量會引起直流母線電壓升高［2］，如果超過一定值，就會對設(shè)備元件造成損害，甚至導(dǎo)致安全事故。

目前，對于解決電力推進(jìn)過程中推進(jìn)功率需求快速增加的問題，通常采用加大電網(wǎng)熱備功率或備用發(fā)電設(shè)備投入的方法來保證船舶推進(jìn)的機動性。然而，增加熱備功率勢必會降低發(fā)電設(shè)備運行效率。同時，由于發(fā)電機組原動機的工作特性，當(dāng)推進(jìn)功率增加過快時，即使存在一定的熱備功率，常規(guī)發(fā)電機組也無法及時響應(yīng)，快速增加輸出。而投入備用發(fā)電機組雖然可以保證設(shè)備的工作效率，但在熱備功率不足時，其響應(yīng)速度更是難以滿足推進(jìn)機動性的要求。

在解決推進(jìn)功率快速減少的問題時，通常采用兩種處理方法，一是通過直流母線連接制動單元和制動電阻的方法，將超過允許值的回饋能量直接消耗掉。另一種是針對交流主干電網(wǎng)，通過有源前端技術(shù)［3］，將這部分能量回饋到電網(wǎng)進(jìn)行再利用。前者不利于能量的回收利用，而后者將回饋的直流能量轉(zhuǎn)換為交流電能供給電網(wǎng)，也在一定程度上降低了回饋能量的利用率。

針對上述問題，同時為應(yīng)對不斷提高的應(yīng)用要求，電力推進(jìn)技術(shù)領(lǐng)先的ABB公司和國內(nèi)海軍工程大學(xué)等幾家研究機構(gòu)均開始著手研究如何通過在推進(jìn)供電端增加儲能環(huán)節(jié)來減小推進(jìn)負(fù)載變化對電網(wǎng)的影響，如靜態(tài)儲能技術(shù)、飛輪儲能技術(shù)［4］等。目前這些技術(shù)在儲能控制策略上還不夠完善均處在試驗驗證階段，尚無實際產(chǎn)品和成型技術(shù)公開。

設(shè)計提出采用基于靜態(tài)儲能裝置的直流儲能技術(shù)對推進(jìn)變頻器直流母線進(jìn)行能量協(xié)調(diào)，設(shè)計了優(yōu)化調(diào)度控制器，可實現(xiàn)推進(jìn)負(fù)載增減過程中的推進(jìn)功率補償和電能調(diào)節(jié)，同時保證了推進(jìn)性能、母線電壓的穩(wěn)定和能量的優(yōu)化利用。

圖1 儲能及調(diào)度控制結(jié)構(gòu)

1 直流儲能及調(diào)度控制

儲能技術(shù)是轉(zhuǎn)移高峰電力、開發(fā)低谷用電、優(yōu)化資源配置的一項重要技術(shù)措施，可以實現(xiàn)電力調(diào)峰，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。運用該技術(shù)設(shè)計了電能調(diào)度控制器，配合靜態(tài)儲能裝置，實現(xiàn)直流母線的電能存儲、釋放的合理控制（結(jié)果見圖1）。實現(xiàn)原理如下：

1.放電過程中，通過直流電壓傳感器實時獲取直流母線電壓，將采集的母線電壓與儲能裝置端電壓相比較，當(dāng)母線電壓低于儲能裝置電壓，且母線電壓已低于設(shè)定的放電閥值時，控制放電絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）導(dǎo)通，儲能裝置向母線放電，補償推進(jìn)功率至儲能裝置電壓等于母線電壓，關(guān)斷IGBT，停止放電。為防止在母線電壓建立的初始階段誤放電，放電控制回路中加入了延時判斷環(huán)節(jié)，保證放電補償只在母線電壓建立后有效。

2.充電過程中，當(dāng)母線電壓高于儲能裝置電壓和正常工作電壓，且儲能裝置未處于電能飽和狀態(tài)時，控制充電IGBT導(dǎo)通，母線向儲能裝置充電，當(dāng)儲能裝置電壓與母線相同，或已充電至飽和時，IGBT關(guān)斷，停止充電。充電所需能量可來自船舶電網(wǎng)，也可來自推進(jìn)電機的回饋，這與具體工況有關(guān)。

設(shè)計中，控制器控制儲能裝置與制動單元或脈沖寬度調(diào)制（Pulse Widt h Modulation，PWM）整流裝置配合工作，儲能裝置最大輸出電壓的整定充分考慮了其他單元的運行條件，保證了不會由于儲能裝置放電導(dǎo)致母線電壓過高觸發(fā)制動單元或影響整流端工作。為防止在母線電壓建立的初始階段誤放電，放電控制回路中加入了延時判斷環(huán)節(jié)，保證放電補償只在母線電壓建立后有效。儲能裝置充電過程分為兩種：

1.由正常工作的直流母線對其進(jìn)行充電，充電上限為母線標(biāo)準(zhǔn)電壓，這部分電能來源于電網(wǎng)和（或）回饋能量，保證了即使沒有回饋的能量，儲能裝置也可從電網(wǎng)補充相當(dāng)?shù)哪芰?，以備補償推進(jìn)功率。

2.完全由回饋能量向其充電，只在由于電能回饋造成母線電壓高于標(biāo)準(zhǔn)電壓時進(jìn)行，實現(xiàn)對回饋能量的充分利用。由于本設(shè)計采用模擬電路實現(xiàn)，主回路開關(guān)器件采用IGBT。因此，控制響應(yīng)速度可達(dá)微秒級，充分保證了電能調(diào)度的實時性、快速性。

2 仿真實驗

通過搭建電力拖動系統(tǒng)計算機仿真模型（見圖2），對常規(guī)的交直交驅(qū)動系統(tǒng)以及帶有直流側(cè)儲能和調(diào)度控制功能的交直交驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了電機驅(qū)動性能的仿真實驗。對電力推進(jìn)直流儲能技術(shù)和電能調(diào)度控制器的性能進(jìn)行了試驗驗證。

圖2 電力拖動系統(tǒng)

試驗中，兩種驅(qū)動系統(tǒng)的試驗條件相同，均采用工頻開環(huán)控制，給定頻率60 Hz，交流電源460 V，推進(jìn)電機型號配置相同，負(fù)載變化規(guī)律相同（見圖3）。

常用的靜態(tài)儲能設(shè)備包括蓄電池、超級電容和超導(dǎo)線圈等，由于試驗主要目的是驗證能量調(diào)度控制策略，因此仿真中選用了MATLAB中自帶的鉛酸蓄電池模塊作為儲能設(shè)備模型。蓄電池儲能具有響應(yīng)快、成本低、易實現(xiàn)等特點。

試驗結(jié)果見圖4～圖6。

圖3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩給定

圖4 常規(guī)交直交驅(qū)動結(jié)果（曲線由上至下分別為電機定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、直流母線電壓）

圖5 帶有儲能控制功能的交直交驅(qū)動結(jié)果（曲線由上至下分別為電機定子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、直流母線電壓）

圖6 儲能裝置電量變化（曲線由上至下分別為儲能裝置電壓、電流和飽和度）

由圖4、圖5可知，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突增，尤其是上升到40 N·m時，使用常規(guī)驅(qū)動裝置的電機驅(qū)動性能顯著下降，定子電流大幅增加，直流母線電壓跌落嚴(yán)重；而使用帶有儲能控制功能的驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動功率得到及時補償，驅(qū)動性能良好，定子電流和母線電壓變化平穩(wěn)。由此可見，采用儲能協(xié)調(diào)技術(shù)不僅可以保證推進(jìn)設(shè)備的推進(jìn)能力，還可以在一定程度上提高推進(jìn)系統(tǒng)的抗過載能力。

由圖5、圖6可知，當(dāng)電機處于發(fā)電狀態(tài)運行，回饋能量使母線電壓升高到充電閥值時，控制器可控制母線向儲能裝置充電，一定程度上抑制了母線電壓進(jìn)一步升高。

此外，由儲能技術(shù)的特點和上述試驗可見，由于通過控制器可以及時協(xié)調(diào)儲能裝置和推進(jìn)設(shè)備之間的能量流動，因此在設(shè)計船舶電站容量時，可考慮適當(dāng)降低推進(jìn)功率冗余量，減小電站設(shè)備功率等級，節(jié)約成本、節(jié)省空間。同時，考慮到新能源將成為未來艦船電能應(yīng)用的必然趨勢，且艦船可利用的新能源發(fā)電多為直流模式，如太陽能、核能、生物能等。因此，設(shè)計采用的直流儲能和調(diào)峰技術(shù)也為今后艦船利用新能源進(jìn)行能量補償?shù)於嘶A(chǔ)。

4 結(jié) 語

提出將直流儲能技術(shù)應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)電機驅(qū)動中，設(shè)計了直流母線電能調(diào)度控制器，控制電能在直流母線與儲能裝置間流動，實現(xiàn)電力推進(jìn)過程中的推進(jìn)功率補償和回饋能量利用。仿真試驗結(jié)果證明，該設(shè)計合理有效，可較好的提高電機驅(qū)動性能，其控制性能可滿足電力推進(jìn)電機工作需求，能夠保證船舶推進(jìn)的機動性和電能的優(yōu)化利用。

［1］ 徐筱欣.船舶動力系統(tǒng)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2007.

［2］ 張承慧，李珂，杜春水，等.基于幅相控制的變頻器能量回饋控制系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2005，20（2）：41－46.

［3］ 孫玉良.有源前端變頻器在船舶電力推進(jìn)中的應(yīng)用［J］.上海造船，2009（2）：30－32.

［4］ 王瑞田，付立軍，紀(jì)鋒，等.飛輪儲能抑制艦船綜合電力系統(tǒng)直流母線電壓波動的研究［J］.船電技術(shù)，2010，30（12）：5－10.