船舶中压岸电电缆力矩控制策略

2018-10-22邹明雷

船电技术 2018年9期

邹明雷

船舶中压岸电电缆力矩控制策略

邹明雷

（武汉南华工业设备工程股份有限公司，武汉 430223）

为克服潮汐、波浪、以及装卸货等复杂环境和工况对供电稳定性的影响，提高复杂环境下的船舶中压岸电供电的安全性和可靠性，通过分析中压电缆在不同工况下的受力情况，提出了基于模糊PID的船舶中压电缆的力矩控制策略。结果表明，通过所设计的控制策略可实现船舶在外界复杂环境干扰的情况下，仍能维持中压电缆的力矩平衡，从而保证供电的安全性和可靠性。

中压岸电系统力矩控制控制策略

0 引言

近年来，随着国内外对到港船舶噪声、NOx和SOx排放指标要求的不断加强[1-3]，大型船舶纷纷开始配置中压岸电系统，在靠港时采用岸电供电，达到节能、减排、环保的目的。我国对中压岸电的使用目前还处于一个不断完善的过程，中压系统[4]、变电技术[5]、船岸并网[6,7]、船岸通信都已相对成熟，但在船岸中压电缆力矩自动控制方面还相对薄弱。其主要问题是在潮汐、波浪、以及装卸货等复杂环境和工况条件下，依靠经验力矩给定，存在适应性不强、可能造成电缆张力过大、过小等问题。因此，为使得船舶在外界环境复杂干扰的情况下仍能维持中压电缆的力矩平衡，保证供电的安全性，通过分析中压电缆的受力情况，提出了船舶中压电缆的力矩控制策略。

实际操作表明，船岸电缆相连时，电缆卧地部分越长，在插头上的拉力就越小。因此，通过张力控制，确保船舶卧地电缆在复杂条件下能够始终保持在一个指定的长度范围内，即维持电缆的力矩平衡是本文讨论的关键。

1 中压电缆受力分析

1.1 电缆平面坐标系

坐标原点O为电缆卧地部分与悬线部分交点，设电缆卷车与电缆切点的张力为1，坐标原点O处的水平张力为o，电缆卷车至港口地面高度为，放出长度为，卧地部分为1，电缆单位长度自重为；建立了如图1所示的坐标系。

1.2 受力平衡方程

假设电缆上受力分布均匀，并且忽略风、浪、流等外力对电缆卷车位置的影响，任选悬线部分长度△，其受力如图2所示。

图1 电缆平面坐标系示意图

图2 受力分析示意图

沿悬线向下张力为，向上为+△，与X轴夹角为，重力为×△。张力和+△为长度的连续函数，在X、Y轴上的投影也为连续函数，通过展开成泰勒级数，并略去二阶微量后，可得受力平衡方程式如式（1）所示。

经化简得：

通过代入、积分后求解可得：

最后可得：

2 电缆长度及卷车力矩

2.1 放出电缆长度的求取

电缆卷车可看作是圆柱形的螺旋线卷曲，相对计算比较简单，假设电缆全部回收后半径为，电缆半径为，累计放出角度为，则可通过求出放出电缆圈数，以及余角；

整理后得：

从而可得半径为：

2.2 电缆卷车力矩的求取

因悬线电缆与卷车的相交点同时也是其切点；因此可以直接求取卷车力矩，如式（8）所示。

因此，为了维持供电的安全性，需控制电缆卷车力矩的为。当力矩大于时，控制电缆卷车电机正向旋转，增长所放电缆的长度，从而减少电缆卷车处的力矩；反之亦然。

3 复杂环境对电缆卷车力矩的影响

在以上的分析中，忽略了风、浪、流等外力对电缆卷车位置的影响。实际上，由于风、浪、流等外界复杂环境条件的作用，船舶将会不断摇摆，从而极大的影响了船舶供电的安全性。此外，船舶在摇摆的过程中，电缆卷车的相对位置和受力方向均会变化，因此所设计的电缆卷车力矩控制策略应能保证在各种复杂环境下，维持其自身力矩的平衡，保证船舶供电的安全性。

对于风速，在港口的一般工作环境条件下，可以通过设定一定的系数来加以修正。而在恶劣环境条件下，则建议采取指定高力矩模式进行控制。为避免在船舶摇摆过程中卷曲控制频繁动作，因此需要设定一定力矩死区，同时也要确保电缆在左右摇摆止点时，电缆卧地部分仍在可接受的范围内。

此外，电缆卷车力矩的控制还需考虑卷筒运动摩擦力的影响，摩擦力不受速度的影响，但与负载重量线性相关。因此可以通过现场测试的方法，得出匀速状态下开卷和全部放出时的对应摩擦力，设定线性直线，对利用以上公式计算的力矩进行修正。

综上，电缆卷车力矩的控制目标应大于上述计算获得的，综合考虑外界复杂环境的影响，需适当的增加力矩为+△，其中，△的确定可通过实际运行数据，采用回归修正的方式进行确定。

4 电缆力矩控制输出

本文设计了复杂环境下的船舶中压岸电电缆力矩控制策略，其控制过程如图3所示。从图中可以看出，前文分析计算获得的修正后的电缆绞车最佳力矩与实际测量的绞车电机的力矩比较后，偏差将输入模糊PID控制器，通过控制器控制中压电缆绞车电机的转向与力矩给定，控制电缆力矩的平衡，避免外界各种复杂的外界条件的干扰，保证岸电电缆的稳定连接，从而提高船舶供电的安全性。

图3 力矩控制示意图

图4 三角形隶属度曲线

求解出力矩偏差△1及偏差变化率：

归一化力矩偏差百分比：

应用三角形隶属度函数对输入的力矩偏差模糊化。隶属函数曲线见图4。PID控制器时域输出方程为：

对于PID的比例系数，积分时间和微分时间系数，采用最大隶属度原则及线性反变换方法求取，即：

在重庆港某游轮岸电系统上对本文控制策略进行了测试和应用。岸电系统电缆规格：3×195 mm2，电缆卷车功率30 kW，采用施耐德ATV71变频器控制，电缆长度最大60 m。在码头靠港停泊状态，5级及以下风力条件下，岸电电缆滞留地面的长度偏差可控制在1 m范围内，从而有效的控制了船舶电缆的伸缩和船舶的同步，维持了电缆张力的动态平衡，避免了固定张力下高压电缆可能存在的安全隐患，达到了预期的目标。实船模糊PID控制结果见图6，设定参数见表7。

表5 控制规则表

KP规则表