PMS能量管理系统及其在电力推进型船舶中的应用

随着我国船舶行业逐渐向现代化和大型化方向发展，电力推进系统被大力推广，传统的电站系统已经不能满足时代发展的需求。PMS能量管理系统能够实现发电自动化、用电设备管理、系统检测报警等功能，提高了大型船舶电力系统的稳定性和安全性。本文主要分析PMS能量管理系统在电力推进型船舶中的应用。

【关键词】PMS系统 电力推进型船舶

PMS系统是船舶自动化系统的重要组成部分，应用于大型船舶中能降低燃油消耗、防止失电，同时能够保护电力设备安全运行，提高船舶性能。PMS系统应用于电力推进型船舶中必须要分析电力推进的优点和系统配置，并分析其控制层次结构、具体功能，从而最大限度的满足使用工况。

1 PMS系统概述

PMS系统是一个集监测、控制、管理与保护为一体的综合性船舶管理系统。该系统涉及的技术比较多，比如网络通信技术、信息处理技术、系统决策技术、传感技术以及计算机技术等。其运行的目标是根据船舶的实际工况来确定功率应用。PMS系统主要由5个部分构成，其系统功能框架见图1。

1.1 PMS控制原理

电力推进型船舶自动化系统主要包含发电机控制系统、推进系统、配电板以及PMS功率管理系统，其中PMS系统一般利用配电板集中分配船舶的电能，可以直接控制发电机的转速，并调节电网的工作频率，合理分配船舶电站负荷，限制船舶大功率负荷，保障电站供电质量和安全。

1.2 PMS系统的重要器件选择

1.2.1 电子调配器

PMS系统对调速器性能要求比较高，因为船舶环境比较复杂，通常模拟量调节信号容易受到电磁信号的干扰，所以必须实施速度调控处理，PMS系统在利用数字量信号实施调控时要尽量选择性能较高的数字量调速器，提高电能调控的准确性。

1.2.2 控制系统

PMS系统一般选择德国西门子SIMATICH冗余处理器400H系列CPU412H型号，实现数据的备份处理。在系统运行的过程中对整数和浮点数的运算量要求比较大，所以在这之前必须对系统运算实施预估计算分析，412H处理器运算速度能够达到预期效果。在此基础上SIMATICH系统利用光纤电缆对双处理器实施热备份冗余，而后利用系统扩展设计实现I/O冗余，大大提高系统的可靠性。

1.2.3 负荷分配器

PMS系统中负荷分配器一般使用的是多机组并网控制，这类型的分配器具有很多应用功能，比如逻辑编程功能、保护电机功能和监测功能等。如果PMS系统在实际运行过程中的模式为roop或ISO，那么可以利用系统自带的断路器控制功能和发电机保护功能实现PMS系统的实时监控和保护来提高系统运行安全性。

1.2.4 变送器

PMS系统在运行过程中对发电机的控制参数要求比较高，所以在船舶运行过程中最好选择一些相应时间比较少的变送器。变送器相应时间<50ms最为合适，这样使系统的控制时间采样周期可以缩短为>50ms，这个范围符合PMS系统的信号采样指标，可以提高变速器工作效率。

2 系统关键技术和解决方案

2.1 速度控制技术分析

在船舶运行过程中，PMS系统可以同时对多台发电机进行速度调节，使各台发电机的调速依据其自身调节量进行垂直移动，达到平衡。如果系统仅仅调节一台发电机的速度，可能会影响并网发电机负荷分配情况，所以大电机速度调节的过程中应该同时调控多台速度供给，以便达到修正系统总频率的效果。PMS系统与调速系统的接口一般为两个数字量开关信号，系统通过控制这两个信号的通断时间，调节速度给定值。同时系统运行过程中调速频率的快慢可能会影响负荷调节效果，因为大电机本身存在固有的调速滞后性，所以系统调速并不是调速越快越好，应该根据当时系统运行的实际情况实施速度调节，一次调速结束后才能开始另一次调速，以免系统惯性和冲击给调速带来的影响。

2.2 负荷、频率控制

PMS系统运行过程中如果是单台机组的运行，系统发电机的频率会自动调节并设定频率，这个过程中发电机的频率是保持不变的。在droop模式下发电机一般会依据机组情况实现实际功率的变化，当改变调速机构时系统会自动设定速度，并根据调速特点实施上下平行移动，系统频率会根据移动特点做出相应的改变。在系统中如果是多台发电机进行负荷分配，这时必须将各机组的调差率进行统一设置，如果不进行统一设置，可能会影响机组分配功率不均，影响系统功能的提高。

3 PMS系统在电力推进型船舶中的应用

3.1 速度调节方法

比较常用的船舶电力推进系统的调速方法是交流调速系统，这种调速方法主要利用的是晶闸管整流桥反并联方式而实施的一种调控系统。常规循环变流器系统一般会选择异步电动机作为其驱动电机。但在船舶电力推动系统中一般选择同步电机作为驱动电机，因为同步电动机气隙比较大，具有较高的性能，比较适合应用于大功率的场合。

3.2 供电方式

目前，我国很多电力推动型船舶的电源仍然以柴油发电机组为主，但是随着全球石油资源的枯竭，未来电力推进船舶极可能会占主导地位。PMS系统首先要保障供电的平衡性，分区供电时主要设备要根据所有电能配置状态实施，并自动选择其他供电带的电力能源，做到电能的合理分配。在供电过程中要注意人机界面的使用，主要包括报警功能、人机界面的动态显示功能，其中报警功能主要对发电机组的动态进行监测故障报警，并对故障实施相应的处理；人机界面的显示能够实现界面的动态监测，分析发电机组的运行状态、电能分配情况及PMS的参数修改。

3.3 PRS参数分析

电力系统推进器工作在低负荷或低速时，推进器不会对频率产生大的波动。因此，该增益就取决于期望的推进器加载，如下：

（1）

式中：kc表示比例增益，Qnp表示每个螺旋桨期望的额定转矩或期望的转矩参考值：

每个螺旋桨的转矩参考值能够直接从推进器的参考值进行计算：

（2）

式中：KQ0和ωnp表示推力和转矩系数

使用设计的PRS，能直接限制柴油机的负载率。这与现存的负载率限制预先就确定推进器数量和在网发电机数量等方式相反，在成功设定柴油机负载率限制后，不需要测量单独发电机的负载、速度以及螺旋桨的加载。估计总的机械转矩后，所有在网发电机的柴油机将有相同的负载率限制。

3.4 动态仿真及结果分析

该仿真使用Matlab/SIMULINK。发电机组工作在同步模式，转速恒定ωnp和HNon=2s。发电机建模使用PID调速器对频率进行控制，油门执行器模型。电网电压假设为恒定，因此在该模型中只考虑有功，同时只考虑柴油机的响应影响。推进器建模只考虑有功功率消耗。在仿真中，HNon的参数误差也被考虑，并且与推进器加载和损失有关。信号在被送入推进器速度控制器之前先通过低通滤波器，kgp/ （0.01s+1）。表1展示了典型的海洋工程支持船舶的参数。

仿真中过程中计算两分段主汇流排的一边。两个推进器在工作，即2.3MW尾推进器和1MW艏侧推进器及其它辅助负载。两台发电机组在网，每台1.5MW，所有系统的发电能力为3.0MW。

4 结语

PMS能量管理系统实际上是一个综合控制系统，是未来船舶综合电力推进系统的一个关键子系统。在实际发展中必须深入分析PMS能量管理系统的工作原理和关键技术，才能更好的实现船舶电站控制，保障船舶安全、稳定运行。

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作者简介

刘莺（1981-），女，福建省人。大学本科学历。现为阿法拉伐（上海）技术有限公司项目工程师，主要研究方向为船舶电气设计，供油单元、分油机项目管理等。

作者单位

阿法拉伐（上海）技术有限公司 上海市 200021