船舶动力系统能量回馈建模与分析

何　琪

(浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021)

船舶动力系统能量回馈建模与分析

何琪

(浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山 316021)

摘要：船舶系统中能量耗损主要在于主机和电站的运转，其能效技术的改进对于提高能量循环效率效果显著。动力系统模拟负载研究的关键在于变流系统，通过分析功率损耗大的电子设备模型，对能量回馈系统进行仿真，改善系统的能量回馈性能。首先介绍船舶能量回馈系统结构，及其中重要装置电机电站的构成；接着阐述节能系统中负载PWM动态控制的模型算法及并网技术；最后利用Sinamaics和SCOUT工具进行半实物仿真，证明此系统能量反馈的高效性。

关键词：模拟负载；能源利用；半实物仿真

0引言

随着环保意识的提高及经济因素的影响，能源利用率的问题在各个领域渐渐引起重视。在船舶的动力系统节能减排研究中，主机和发电机主要承担起船舶推进供能的作用，其能源利用问题影响重大。在提高能源利用效率方面，首先是根据经济条件选择最优的机型、配置；其次是升级发电设备技术来提高供电效率。发电能效技术的提高主要在于主机电站设备的废热再利用，即吸收负载工作产生的热量重新投入电站发电，提高燃料利用率，降低设备运行负担。船舶动力系统在研发、组装和维修时，需要利用模拟负载进行调试检测。其中，主要设备如水力测功器、电抗器等试验复杂困难，且工作时能源浪费较多，无合适能量回馈措施能够有效降低损耗。因此，新的增强节能效果的技术具有研究价值[1]。

本文将连接电网与三相PWM变流器，研究模拟负载的功率消耗及能量转换效率，通过变流装置实现主机、电站与电网的能量主动回馈循环再利用，效率高，污染小。本文首先介绍了模拟负载系统的结构特点，接着介绍PWM变流器的动态控制进行能量回馈的分析，最后利用Sinamaics和SCOUT工具实现半实物仿真，证明此能量回馈技术的高效性。

1模拟回馈系统结构

1.1　主机系统模拟结构

在船舶主机系统中，直流电机、同步电机等对于主机的负载测试问题存在不足。由于成本及装置复杂度的限制，本文使用三相交流异步电机，连接主机输出轴的鼠笼型异步电机为模拟负载。通过PWM变频器连接电网，使用异步电机控制负载工作状态，配合主机进行能量回馈系统仿真。为了观察船舶主机与螺旋桨系统联合工作状态，将主机连接变频器，并同轴连接负载，利用主机反馈的能量进行驱动模拟。主要结构如图1所示。其中2个模拟电机Motor1与Motor2使用同种三相异步电机，且同轴连接，工作时处于电动或发电2种相反状态，做到能量互相补充，大大提高了能源利用率。

图1　主机驱动模拟Fig.1　The host driver simulation

1.2　电站系统仿真结构

对于系统与电网对接问题，该电站仿真结构设计使用三相PWM变流器控制电压解决。图中左边主要设备为柴油发电机组，连接电站配电装置，之后通过滤波器及PWM整流逆变器、负载侧滤波电抗器，最后连入校园电网。通过Siemen调节PWM变流器，控制谐波，调节电压，保持电站高功率运行。理论上，该结构设计可使整体能量回馈到达95%，并通过器件消除运行时器件的谐波威胁。

图2　使用PWM变流器的电站模拟系统[2]Fig.2　Using PWM inverter power station simulation system

2能量回馈技术

为保证上述模型对于能量回馈的有效性，还需要合适的算法技术对其中关键技术进行分析。

2.1　模拟电机控制

在使用三相PWM变流装置参与电机运行时，需要合适的算法控制工作效果，即

式中：p为电机定子极数；Ψm为电子磁链；Ir为转子电流；Te为电磁转矩；J为转动惯量；B为摩擦系数；Ω为角速度

由上式可知，当Motor2的转矩加大时，转子会降速。电机工作频率由转矩与相角差矢量相加结果调节决定，通常二者大小成正相关。通过解耦控制，可以对功率的分配情况分别掌控。将此公式应用于实际仿真时，一方面降低电站系统控制难度，另一方面具有良好的电流调控性能，灵敏性高。

2.2　三相PWM整流器数学模型

且有：

最终算出：

这样，算法便可实现在空间方向上整流器电流在非耦合状态下的独立调节，以更好实现系统对整流器的运用，提高系统的性能。

2.3　三相PWM逆变器数学模型

i=[iUiViw]T, S=[SUSVSW]T。

PWM逆变器通常采用双闭环调控，内环跟踪外环的电流指令，可以同时保证其工作时的内外环回路的稳定性。

为了保证能量回馈系统的顺利运行，需要解决动力系统与电网的连接问题[5]。由于工作时交流电压幅度不稳定，在超出限额时需要一定的保护措施，例如直接切断连接。在并网技术研究成果中，使用无线逆变器独立控制两侧回路证明是最优方案。该方案通过控制两侧电压的相位角差，以电机端的电压为参照修正电网的接受端电压变化，达到两方匹配的目的。

3主机负载运行仿真

3.1　仿真工具

在动力系统能量回馈模拟系统中，采用Sinamics驱动技术实现对硬件的模拟，同时运用SCOUT软件对模型进行编程管理，实现复杂的功能计算及设备模块的灵活运用效果，达到最佳的仿真调控目的。介于电站负载能量回馈模拟的复杂性及与主机构造的较为相通，在此仅对主机负载能量回馈状况进行模拟。

3.2　仿真运行

仿真过程中，各个装置运行情况如表1所示。

表1　模型装置工况

图3为模型中各设备耗能结构图。

图3　能量再利用路径Fig.3　Power reuse path

图4　主机耗能情况Fig.4　Dissipation situation

3.3　结果与分析

模型工作时，主要装置PWM变流器在不同功率下系统能量再利用情况如图4~图7所示。

图5　负载能量转化情况Fig.5　Load power convertion

图6　负载工作状况Fig.6　Workload status

图7　主机工作状态Fig.7　The host operative manager

根据仿真结果图可见：在0~9 270 ms阶段，Mortor1与Motor2消耗功率约为1.35 kW，而重利用能量达到1.25 kW，剩余0.1 kW能量遗失。在9 270~20 240 ms时间段上，Motor2工作状态不变，Motor1增大功率运行，则消耗能量为3.5 kW，电网吸收能量为3.165 kW。最后510 000~68 000 ms时间段，Motor2减速运行，Motor1继续大功率运行，则功率消耗减少到0.2 kW，能量回馈降低到0.05 kW。此动力系统模型运行结果表明，能量转化效率与运行功率相关，在大转速情况下，转化吸收效率可以达到96%。

4结语

在船舶动力系统能量消耗巨大，高效的能量回馈技术研究对于燃料的节约装置的维护有巨大的作用。本文利用动力系统的半实物模拟仿真，验证了一种利用PWM变流器提高能量回馈的方法，并证明该方法的高效性。

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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

作者简介：何琪(1980-)，男，讲师，研究方向为船舶自动化。

收稿日期：2014-06-21； 修回日期： 2014-08-12

文章编号：1672-7649(2015)01-0136-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.01.028

中图分类号：U665.26

文献标识码：A