船舶电力推进系统的能量管理
电力推进系统在船舶中的应用与研究
电力推进系统在船舶中的应用与研究摘要：本文对船舶电力推进系统进行介绍，分析了船舶电力推进系统的原理和特点，并针对船舶电力推进术介绍其发展现状。
关键词：船舶；电力推进；现状前言：电力推进系统已有上百年历史，受到各种因素的制约，发展缓慢。
到20世纪80年代起，供电系统、推进电机及信息技术的迅猛发展，使得电力推进装置打破了长期徘徊局面，电力推进系统得到大力的发展。
近年，在特种船及海工装备领域，我国电推技术的应用日益广泛，所配套的电力推进系统，以ABB、西门子等成套进口为主。
在电推船舶核心装置电力推进系统的研发配套领域，我国相关单位的自主研发刚刚起步，大型船舶的电推进装置，目前仍以成套进口为主。
尤其是在供电系统、配电系统、推进系统方面的集成设施及配套模块相对缺乏，行业标准化也未系统形成。
随着开发研究的逐步完善，电推船舶建造及应用会在未来发生变化，船舶推进及建造模式也将随之发生改变。
一、电力推进原理随着技术进步，提出了发展综合全电力推进系统（IPS）概念，将船舶的电力系统和推进系统组成一个整体，把动力机械能转化为电能，提供给推进设备和船上其它设备使用，使船舶日用供电和推进供电一体化，实现能源的综合利用和统管理习船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、推进、储能、监控和电力管理。
是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合：它不是电力推进加自动电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、配置、技术等方面均发生重大变化，给未来的船舶带来一场革命电力推进船舶，主要指船舶的主推进系统是由电动机所带动的。
它利用发电机（一般为柴油机发电机组、燃气轮机发电机组或涡轮机发电机组）把其它形式的能量转变成电能，再通过电动机把电能转换成机械能，实现了能量的非机械方式传递。
典型电力推进系统船的系统原理框图如下：G—主发电机；EG—应急发电机；Q—主开关；MSB—主配电板；ESB—应急配电板；M—电动机；T—变压器；VFD-变频器 BT -----侧推 MT----主推进器二、电力推进系统的特点1.电力推进系统的优点（1）可靠性好：由于投入工作原动机可调，因此可保证各发电机组在最佳工作状态。
船舶电力系统了解船舶电力系统的最新技术和应用案例
船舶电力系统了解船舶电力系统的最新技术和应用案例船舶电力系统：了解船舶电力系统的最新技术和应用案例船舶电力系统是指船舶上用于供电和驱动船舶各项设备的电力系统。
随着技术的不断进步和航行需求的增加，船舶电力系统也在不断更新和创新。
本文将介绍船舶电力系统的最新技术和应用案例，以便更好地了解其发展趋势和未来应用的可能性。
一、船舶电力系统的概述船舶电力系统主要包括发电、配电和用电三个环节。
发电环节通过柴油发电机、涡轮发电机或气体轮机等产生电能，并传输到配电系统。
配电系统将电能分配给各个用电设备，如推进器、船舶测控系统、通信系统、照明设备等。
船舶电力系统的设计要求是稳定可靠、高效节能、安全可控。
二、船舶电力系统的最新技术1. 直流微网技术直流微网技术将可再生能源、能量存储系统和传统发电系统相结合，形成具有自治性和互连性的微网。
船舶作为一个封闭的环境，适合采用直流微网技术，可以提高能源的利用效率，减少二氧化碳排放。
2. 高效配电系统传统的船舶配电系统采用交流电供电方式，存在能量传输损失和线缆过重的问题。
高效配电系统利用电力电子器件，将电能转换为直流电，并通过高压直流输电，降低线损和线缆重量。
3. 智能电网技术智能电网技术可以实现对船舶电力系统的运行状态进行监测和控制，优化能源调度和运行管理。
通过传感器和数据通信技术，实现对船舶各个设备的远程监控和故障诊断。
三、船舶电力系统的应用案例1. 混合动力船舶混合动力船舶将传统船舶动力系统与可再生能源设备相结合，实现节能减排。
以液化天然气（LNG）为主要燃料的混合动力船舶在减少碳排放和空气污染方面具有显著效果。
2. 电动推进系统电动推进系统将电能转换为推进力，比传统的机械推进系统更高效节能。
一些船舶采用电动推进系统，如电动小艇、电动巡航船等，减少了噪音和环境污染。
3. 船舶智能化控制系统船舶智能化控制系统通过传感器和自动控制技术，实现对船舶各个设备的智能控制和优化管理。
船舶推进效率优化的策略与方法
船舶推进效率优化的策略与方法在现代航运业中，船舶推进效率的优化是一个至关重要的课题。
提高船舶推进效率不仅能够降低运营成本，减少能源消耗，还能降低对环境的影响，增强船舶的竞争力。
那么，如何实现船舶推进效率的优化呢？这需要从多个方面入手，综合运用各种策略和方法。
首先，船舶的设计阶段是决定推进效率的基础。
在船舶的初步设计中，船体的线型优化是关键之一。
一个合理的船体线型能够减少水流的阻力，从而提高船舶在水中的行进效率。
这需要借助先进的流体动力学计算软件和模型试验，对不同的线型方案进行模拟和评估，以找到阻力最小的设计。
例如，采用细长的船体、优化船首和船尾的形状，可以有效地降低兴波阻力和粘滞阻力。
螺旋桨的设计也对推进效率有着重要影响。
螺旋桨的叶片数量、直径、螺距等参数需要根据船舶的主机功率、转速、航行速度等因素进行精心计算和选择。
现代螺旋桨设计通常采用计算机辅助设计（CAD）和计算流体动力学（CFD）技术，以精确模拟螺旋桨在水中的工作状态，优化其水动力性能。
此外，新型的螺旋桨设计，如可调螺距螺旋桨和导管螺旋桨，能够根据不同的航行条件调整工作状态，进一步提高推进效率。
船舶的动力系统选择也是影响推进效率的重要因素。
传统的内燃机作为船舶的主要动力源，其燃烧效率和排放性能对能源利用和环境影响有着直接的关系。
近年来，随着技术的发展，燃气轮机、电力推进系统和混合动力系统等新型动力方案逐渐受到关注。
燃气轮机具有功率密度高、启动迅速等优点，但燃油消耗较高；电力推进系统则具有调速范围广、机动性好等特点，通过优化能量管理系统，可以提高能源利用效率；混合动力系统结合了多种动力源的优势，能够根据航行工况灵活切换，实现最佳的燃油经济性。
在船舶的运营过程中，船舶的维护和管理同样对推进效率有着不可忽视的影响。
定期对船体进行清洁和保养，去除附着在船体表面的海洋生物和污垢，可以减少船体的粗糙度，降低阻力。
同时，对螺旋桨和轴系进行定期检查和维修，确保其处于良好的工作状态，避免因磨损和变形导致的效率下降。
船舶动力系统能效评估与改进
船舶动力系统能效评估与改进随着环保意识的不断增强，船舶行业也面临着减排节能的压力。
船舶动力系统的能效评估和改进显得尤为重要。
本文将探讨船舶动力系统的能效评估方法以及改进措施，以期为该行业的可持续发展提供一些指导。
一、船舶动力系统能效评估的方法1.1 能耗数据收集和分析船舶动力系统能效评估的第一步是进行能耗数据的收集和分析。
通过对燃油消耗量、航速、船舶载货量等数据的统计，可以对船舶的能效进行评估。
同时，还可以对不同航次、不同季节的能耗数据进行对比分析，从而找到能效改进的空间。
1.2 能量流模型构建能量流模型的建立将有助于对船舶动力系统的能效进行深入分析。
通过对船舶各个组成部分的能耗和能量流向的建模，可以进一步确定各个部分的能耗水平，以及不同系统之间的能量转化效率。
这将为进一步的能效改进提供依据。
1.3 效益评估和成本分析在评估船舶动力系统能效的同时，还需要进行效益评估和成本分析。
通过对能效改进措施的效益和成本进行评估，可以有效地选择最具经济性和可行性的改进方案。
在资源有限的情况下，合理分配资源将为船舶企业带来更大的效益。
二、船舶动力系统能效改进的措施2.1 节能技术的应用船舶动力系统能效的改进离不开节能技术的应用。
例如，利用先进的推进技术和轴承技术，减小推进系统的能耗；利用节能型发电装置和照明设备，降低电力系统的能耗；利用节能型空调和压缩机，减少船舶的能耗等等。
这些节能技术的应用将有效降低船舶的能耗，提高动力系统的能效。
2.2 燃油质量控制和管理船舶动力系统的能效改进还需要对燃油质量进行控制和管理。
通过对燃油的筛选和净化，可以有效降低燃油的含硫量和杂质含量，提高燃烧效率，减少排放物的产生。
同时，还可以控制船舶的燃油消耗量，合理使用燃油，降低运营成本。
2.3 能源管理系统的建立为了提高船舶动力系统的能效，建立一个有效的能源管理系统十分重要。
通过对能耗数据的实时监测和分析，可以及时发现能耗异常和潜在问题，采取相应的措施进行调整和改进。
船舶推进系统的能量损失分析
船舶推进系统的能量损失分析船舶作为重要的水上交通工具，其推进系统的性能直接关系到船舶的航行效率和经济性。
在船舶运行过程中，能量会在各个环节发生损失，深入分析这些能量损失对于提高船舶的性能和节能减排具有重要意义。
船舶推进系统主要由主机、传动装置、螺旋桨等组成。
能量在从主机产生到通过螺旋桨推动船舶前进的过程中，经历了多种形式的转换和传递，每一个环节都可能存在能量的损失。
首先，主机内部的能量损失不可忽视。
以柴油机为例，燃烧过程中的不完全燃烧会导致部分化学能无法充分释放。
燃料的品质、燃烧的控制策略以及燃烧室的设计等因素都会影响燃烧的效率。
此外，机械摩擦也是主机内部能量损失的一个重要方面。
活塞与气缸壁之间、曲轴与轴承之间等部件的摩擦都会消耗能量，并转化为热能散失。
传动装置在能量传递过程中也会产生损失。
例如，齿轮传动系统中的齿面摩擦、轴承摩擦以及搅油损失等都会消耗一定的能量。
如果是采用液压传动或电力传动，能量在转换和传递过程中也会存在效率问题。
液压系统中的泄漏、压力损失以及电力系统中的电阻损耗等都会降低传动效率。
螺旋桨作为将主机输出功率转化为推力的关键部件，其工作过程中的能量损失也较为复杂。
螺旋桨在旋转时会产生空泡现象，空泡的形成和破裂会造成能量的损耗。
同时，螺旋桨与水流之间的相互作用也会产生诱导速度损失和尾流旋转损失。
螺旋桨的设计参数，如螺距、直径、盘面比等如果不合理，也会导致能量转化效率降低。
船舶航行时的外界条件也会对推进系统的能量损失产生影响。
水流的速度和方向、风浪的大小和方向等都会改变船舶周围的流场，从而增加船舶的阻力，导致主机需要输出更多的功率来维持航行速度，增加了能量的消耗。
为了减少船舶推进系统的能量损失，提高能源利用效率，可以采取一系列的措施。
在主机方面，可以优化燃烧过程，提高燃烧效率，采用低摩擦的材料和先进的润滑技术来降低机械摩擦损失。
对于传动装置，选用高效的传动方式，并加强维护和保养，确保其处于良好的工作状态。
PMS能量管理系统及其在电力推进型船舶中的应用
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。
船舶动力系统的经济性与节能分析
船舶动力系统的经济性与节能分析在现代航运业中，船舶动力系统的经济性与节能问题至关重要。
随着全球能源危机的加剧和环保要求的日益严格，如何提高船舶动力系统的经济性、降低能源消耗，成为了航运界关注的焦点。
船舶动力系统的类型多种多样，常见的有内燃机动力系统、蒸汽动力系统、燃气轮机动力系统和电力推进系统等。
不同类型的动力系统在经济性和节能方面有着各自的特点。
内燃机动力系统是目前船舶应用最为广泛的动力形式之一。
其优点在于技术成熟、可靠性高、成本相对较低。
然而，内燃机在燃烧过程中会产生较多的污染物，且燃油效率存在一定的提升空间。
为了提高内燃机动力系统的经济性，船舶制造商和运营商采取了一系列措施。
例如，优化发动机的燃烧过程，通过改进喷油系统、进气系统等，提高燃油的燃烧效率，从而降低燃油消耗。
同时，采用新型的涡轮增压技术、中冷技术等，也能够提升发动机的功率输出和燃油经济性。
蒸汽动力系统在过去曾经占据主导地位，但由于其系统复杂、效率相对较低，目前已逐渐被其他动力系统所取代。
不过，在一些特殊用途的船舶上，如核动力船舶，蒸汽动力系统仍有应用。
对于蒸汽动力系统而言，提高其经济性的关键在于提高蒸汽发生器的热效率，减少能量损失。
燃气轮机动力系统具有功率密度大、启动迅速等优点。
但其缺点是燃油消耗较高，经济性相对较差。
为了改善这一情况，科研人员正在努力研发更高效率的燃气轮机叶片和更先进的燃烧技术，以提高燃气轮机的热效率和燃油经济性。
电力推进系统则是一种较为新型的动力系统，具有良好的调速性能和灵活性。
在节能方面，通过采用先进的电力管理系统，合理分配电能，能够有效降低能耗。
例如，在船舶负载较低时，降低发电机的输出功率，避免不必要的能量浪费。
除了动力系统的类型选择，船舶的运营管理也对经济性和节能有着重要影响。
合理的航线规划和航速控制是降低能耗的关键。
船舶在航行过程中，会受到水流、风向等多种因素的影响。
通过精确的气象和海况预报，选择最佳的航线和航速，能够显著降低船舶的阻力，减少燃油消耗。
船舶能源管理提高船舶能源效率的创新方法
船舶能源管理提高船舶能源效率的创新方法船舶能源管理是指通过有效的能源利用和管理措施，提高船舶的能源效率，减少船舶对环境的影响。
在当前环境保护和节能减排的大背景下，船舶能源管理成为了航运业的重要议题。
本文将介绍一些创新的方法，帮助船舶提高能源效率。
1. 船舶机械系统优化船舶机械系统是船舶能源消耗的重要部分。
通过优化机械系统的设计和运行方式，可以显著提高船舶的能源效率。
一种创新的方法是采用先进的动力装置，如涡轮增压器和可变推进器。
这些设备可以提高内燃机的热效率，减少能源浪费。
同时，通过使用先进的电子控制系统和智能监控系统，可以实现对机械系统的精确控制和监测，进一步提高能源利用效率。
2. 船舶航行路径优化航行路径的选择对船舶的能源消耗有重要影响。
合理规划航线，避免不必要的航行距离和航行时间，可以减少燃油消耗。
现代船舶导航系统和天气预报技术的发展，使得船舶可以更准确地选择最佳航行路径。
此外，利用船舶航行数据和大数据分析技术，可以对船舶的航行性能进行评估和优化，进一步提高能源效率。
3. 船舶能源回收技术船舶能源回收技术可以将船舶运行过程中产生的废热、废气等能量资源进行回收再利用。
通过采用余热回收装置和废气处理系统，可以将废热和废气中的能量转化为电力或其他可再生能源形式，进一步提高能源效率。
此外，利用船舶的水动力能量和风能资源，开发相应的能源回收设备，也是一种创新的方法。
4. 船舶船体优化设计船舶船体的设计对船舶的能源效率有重要影响。
通过合理优化船舶的船体结构、减少船体阻力、改善船舶的流线型，可以降低船舶的能源消耗。
一些创新的船舶设计方法，如空气润滑技术和超级滑翔技术，可以在一定程度上减少船舶的阻力，提高航行效率。
此外，利用先进的材料和加工技术，减轻船舶的自重，也可以进一步提高船舶的能源效率。
综上所述，船舶能源管理是航运业实现可持续发展的关键之一。
通过船舶机械系统优化、航行路径优化、能源回收技术和船舶船体优化设计等创新方法，可以有效提高船舶的能源效率，减少能源浪费，实现航运业的绿色发展。
综合电力推进的控制原理
综合电力推进的控制原理
综合电力推进是一种通过电力系统和推进系统的结合来驱动船舶或飞行器的推进系统。
其控制原理包括以下几个方面：
1. 电力系统控制：综合电力推进的关键是电力系统的控制。
电力系统控制主要包括电力的生成、分配和管理。
通过控制发电机组的输出功率和电池组的充放电过程，实现对电力的生成和分配控制。
同时，还需对电力系统进行监测和管理，确保系统的稳定运行。
2. 推进系统控制：综合电力推进的推进系统通常采用电动驱动方式，因此需要对推进系统进行控制。
推进系统控制主要包括对电动机的控制和调速、对推进器的控制和调整以及对舵机的控制等。
通过控制电动机的输出功率和转速，实现对船舶或飞行器的推进力的控制。
3. 能量管理控制：综合电力推进系统需要合理管理和利用电力能量，以提高系统的效率和性能。
能量管理控制主要包括对电力的储存、转换和利用。
通过对电池组的充放电控制、对能量转换装置的控制和对能量利用装置的控制，实现对能量的管理和优化。
4. 故障监测和故障处理控制：综合电力推进系统还需要进行故障监测和故障处理控制，以确保系统的安全和可靠运行。
通过对电力系统和推进系统的各个组件进行监测和检测，及时发现和处理故障，并采取相应的措施进行修复或替换，保
证系统的正常运行。
综合电力推进的控制原理是通过对电力系统和推进系统的综合控制，实现对船舶或飞行器的推进力和能量的管理。
通过合理的控制和调整，可以提高系统的效率和性能，同时保证系统的安全和可靠运行。
船舶能量管理系统PMS对策
船舶能量管理系统PMS对策
罗成汉;陈辉
【期刊名称】《中国航海》
【年(卷),期】2007(000)004
【摘要】船舶电力系统是独立电网,电气设备相互连接在一起,发电机和负载相互影响,对电力系统优化运行和控制的最基本要求是安全运行并且能量消耗最少.早期的能量管理是指为满足实际负载的功率需求,自动启动或停止发电机组.最近,许多先进的控制系统加入能量管理.以电力推进船舶的电力系统配置和船舶综合控制系统及其控制层次结构为例,对能量管理系统PMS的目标、组成、具体功能进行详细介绍.【总页数】5页(P87-91)
【作者】罗成汉;陈辉
【作者单位】武汉理工大学,湖北,武汉,430063;集美大学,福建,厦门,361021;武汉理工大学,湖北,武汉,430063
【正文语种】中文
【中图分类】U664.82
【相关文献】
1.基于PMS的船舶智能管理系统设计 [J], 陈永军;付崇博
2.船舶能量管理系统PMS研究 [J], 徐永法;韩旗;杜军;晏顺兆
3.船舶电站功率管理系统（PMS）的软件设计 [J], 李金成;周泊龙;孙中岳;薛彩霞
4.PMS能量管理系统及其在电力推进型船舶中的应用 [J], 刘莺;
5.电力推进船舶电站管理系统(PMS)的设计研究与应用 [J], 陈晓宁;王永珊;樊斌;祁江峰
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
船舶综合电力系统技术
成：螺旋桨、电动机、发电机组以及控制调节设备。原动机 可以采用柴油机、汽轮机或燃气轮机，目前一般采用高速或 中速柴油机，大功率时多采用汽轮机或燃气轮机。发电机采 用直流他励或差复励电机、交流整流同步发电机或交流同步 发电机。电动机可以采用直流他励双枢双换向器电动机或交 流同步电动机、异步电动机。
2.2电力推进系统的不同形式 电力推进系统按装置功能分可以分为以下四大形式： （1）独立电力推进装置 螺旋桨专由推进电动机带动，如图2所示，这是最常用 的电力推进方式。主发电机除供电给推进电动机外，有时尚 可把一部分电能供给船舶电网。
1 船舶综合电力系统的定义 综合电力系统（integrated power system，IPS）是将 传统船舶相互独立的机械推进系统和电力系统以电能的形式 合二为一，并以计算机网络、通讯技术为能量管理平台，以 提高船舶能量管理效率和增加运行可靠性为目的，为船舶推 进、通信导航、特种作业和日用设备提供电能，实现了全船 能源的综合利用。 2 典型船舶综合电力系统的组成及形式 2.1 电力推进系统
随着现代电力电子技术的发展，在综合利用能源、提高 航行机动、降低船舶噪声等诸多需求牵引下，将船舶动力电 站与辅机电站合二为一的技术研究，形成了“船舶综合电力 系统”(IPS)的概念，使船舶动力系统发生了“革命性”的 变化，已逐步形成当今世界高技术船舶动力系统发展的一种 主流趋势。目前，世界船舶动力系统领域非常重视船舶综合 电力系统技术发展，航运公司正越来越多地将综合电力推进 技术应用于各类船舶。
图2：独立电力推进装置示意图变频器
（2）联—变频器 3—推进电机 4—齿轮 箱 5—螺旋桨 6—起动器
图1：船舶电力推进系统示意图 如图1所示，船舶电力推进系统一般由以下几部分组
图3：联合电力推进装置示意图
船舶能量管理系统PMS对策
制 的最 基 本 要 求 是 安 全 运 行 并 且 能 量 消 耗 最 少 。早 期 的能 量 管理 是指 为满 足 实 际 负 载 的 功 率 需 求 ， 自动 肩 动 或 停
止 发 电机 组 。最 近 ， 多 先进 的控 制 系统 加 入 能 量 管 理 。 以电 力 推 进 船 舶 的 电 力 系 统 配 置 和 船 舶 综 合 控 制 系统 及 许
ｐ ｏ ｕ ｓｏ ｈ ｐ’ ｏ ｆｇ ｒ ｔ ｎ ｏ ｏ ｒ ｓ ｓｅ ， ｉｔ ｇ ａ ｅ ｏ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｎ ｔ ｃ ｎ ｒ ｌ ｈ ｅ ａ ｃ ｙ ａ ｎ ｅ ａ ｌ ｒ ｐ ｌｉ ｎ ｓ ｉ ｓ ｃ ｎ ｉ ｕ ａ ｉ ｆ ｐ ｗｅ ｙ ｔ ｍ ｏ ｎ ｅ ｒ ｔ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌ ｓ ｓｅ ａ ｄ ｉｓ ｏ ｔｏ ｉ ｒ ｒ ｈ ｓ ａ ｘ ｍｐ ｅ，ｔ ｅ ｔ ｒ ｅｓ， ｈ ａｇ ｔ
系统 ， 而构 成一 个 综 合 的 电力 系 统 。综 合 全 电力 从 推进 的船舶 电力 系统 ，作为 一个 独立 的综 合供 电网 络 ， 与陆上 的大 型 供 电 网络 有 本 质 区 别 ， 与 由 既 又 独立 推 进 电 站 向 推 进 电 动 机 供 电 的情 况 不 同。首
ａ ｔａ ｌａ ｉｇ ｄ ｍａ ｄ Ｒ ｃ ｎｌ， ａ ｏ ｏ ｄ ａ ｃｄ ｏ ｔ ｌｎ ｙｔｍｓ ｈ ｖ ｊｉｅ ｐｗ ｒ ｍａａ ｅ ｎ ．Ｔ ｋｎ ａ ｅｅｔｃ ｃｕ ｌｏ ｄｎ ｅ ｎ ． ｅ ｅ ｔ ｙ ｌ ｆａ ｖ ｎｅ ｃｎｒ ｌ ｇ ｓｓ ｔ ｏｉ ｅ ａｅ ｏｎ ｄ ｏ ｅ ｎ ｇｍｅ ｔ ａｅ ｌ ｒ ｃｉ
２．Ｊｍｅ Ｕ ｉｅｓ ｙ Ｘ ａ ｎ ３ １ ２ ，Ｃ ｉａ ｉ ｉ ｎｖ ｒｉ ， ｉｍｅ ６ ０ １ ｈｎ ） ｔ
船舶电力系统的动态调节与优化策略
船舶电力系统的动态调节与优化策略在现代船舶运行中，电力系统的稳定与高效至关重要。
船舶电力系统不仅要为船舶的航行、通信、导航等关键设备提供可靠的电力支持，还要满足船上各种生活设施和娱乐设备的用电需求。
随着船舶的大型化、自动化和智能化发展，对电力系统的性能提出了更高的要求。
为了确保船舶电力系统的安全、稳定和高效运行，深入研究其动态调节与优化策略具有重要的现实意义。
船舶电力系统是一个复杂的综合性系统，它由发电装置、配电装置、输电线路和用电设备等组成。
其中，发电装置通常包括柴油发电机组、燃气轮机发电机组等，它们为整个系统提供电能。
配电装置则负责电能的分配和控制，确保电能能够准确无误地输送到各个用电设备。
输电线路则是电能传输的通道，其质量和性能直接影响电能的传输效率和稳定性。
而用电设备则涵盖了船舶上的各种设备，如推进系统、照明系统、空调系统等。
船舶电力系统在运行过程中会面临各种各样的动态变化和干扰。
例如，船舶负载的突然变化、发电设备的故障、电网电压和频率的波动等。
这些动态变化和干扰如果不能得到及时有效的调节和控制，就可能导致电力系统的不稳定，甚至引发停电事故，严重威胁船舶的安全运行。
因此，为了确保船舶电力系统的稳定运行，必须采取有效的动态调节措施。
在船舶电力系统的动态调节中，频率调节是一个关键环节。
船舶电力系统的频率是衡量电能质量的重要指标之一，它必须保持在一个稳定的范围内。
当船舶负载突然增加时，系统的频率会下降；反之，当负载突然减少时，系统的频率会上升。
为了保持频率的稳定，船舶电力系统通常采用调速器来调节发电机组的转速，从而实现频率的调节。
调速器通过感知系统频率的变化，自动调整发电机组的油门开度或燃气供应量，使发电机组的输出功率与负载需求相匹配，从而维持系统频率的稳定。
除了频率调节，电压调节也是船舶电力系统动态调节的重要内容。
电压是电能质量的另一个重要指标，它直接影响用电设备的正常运行。
当船舶电力系统的负载发生变化时，系统的电压也会随之波动。
电力推进船舶直流网配电系统设计
电力推进船舶直流网配电系统设计在当今船舶建造中，电力推进技术已经成为主流，电力推进船舶重要的系统之一就是直流网配电系统。
本文将从直流网配电系统的基本原理、设计流程、设计方法和性能分析等方面进行介绍和分析。
一、直流网配电系统基本原理直流网配电系统的基本原理是将发电机产生的交流电转换成直流电，然后通过直流汇流条分别向各个用户配电。
直流网配电系统与传统的交流电配电系统相比，其具有如下优点：1、能够有效降低能量传输过程中的能量损耗，提高能量传输效率。
2、具有更高的电子学性能，可以实现更精确、更高效的控制。
3、具有更佳的系统可靠性，因为它没有额外的传输线路，从而可以避免一些相关的传输线路故障。
4、电池组可以作为备用电源，确保在船艇故障情况下的启动转移过程。
直流网配电系统的设计流程如下：1、根据电力系统的功率与容量要求制定电路规划，包括发电机、转换器、配电盘和用户端的数量和位置等详细信息。
2、选择相应的电路元器件，进行电路设计及电路模拟，确定各个元器件的参数。
3、制定一套防护措施，包括过电压、过流和过热的保护。
4、设计应该考虑到总体电力系统的稳定性，包括爬坡、爬高、划水等各方面的系统性能。
5、在更改原有设备或系统后，系统应经过全面测试，以确保系统性能。
6、系统电路图的制定。
7、系统动态测试，包括管理器、序列管理和控制器的监视和调用等。
8、确定系统的工作和维护考虑和文件编写。
1、提高配电系统的系统效率和容量，确保整个系统的可靠性和稳定性。
2、选择合适的电路元器件，考虑各个元器件的参数以保证系统出现的问题。
3、确定好功率与容量要求等，将系统分离成不同的子系统，尽量避免单点故障，提高大型系统的稳定性。
4、在选择电路规划时注意选择合适的类型和数量，避免过载与超过容量。
5、为每个组件增加保护装置，防止发生在电路中的电压波动和短路故障。
6、复合式倒装器和大容量输出过滤器，减小干扰信号。
四、直流网配电系统的性能分析1、船艇利用这种配电系统，效果更好。
船舶电力推进技术概况-文档
船舶电力推进技术概况船舶电力推进系统代表着当今船舶动力的发展方向。
传统的船舶推进方式是利用原动机直接推进，而船舶电力推进则由原动机带动发电机发电，经变频器把满足要求的电流送到推进电动机，从而驱动螺旋桨的推进方式。
跟传统的机械推进方式相比，采用电力推进系统的船舶在经济性、振动噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面具有明显优点。
1.电力推进的特点以柴油机和汽轮机为主的传统型船舶，发动机占据空间过大、工作环境差、振动大、噪声高、油污多、废气排放影响空气质量。
另外由于主机大而高，系统复杂，增加维护难度，加重维护工作量（轮机人员往往占船员的30%-45%）。
[4]船舶采用电力推进系统后，提高了柴油机效率约10%-15%，节约了维修保养费，显著提高船体空间利用率，同时船型优化，提供了安静的推进方式，并且通过柴油机在大于40%的负载匀速运转来减少了NOx和SOx的排放[4]。
除此之外，电力推进系统还将提高船舶的机动性、可靠性和电站的可利用率。
1.1 电力推进船相对于机械推进船的主要优势在于：⑴机动性能好。
由于电动机的控制性能优于传统的热力机械，电力推进船舶的机动性能较好，还具有紧急停车时滑行距离短、小角度回转和快速响应等优点。
⑵机舱小、布置灵活，可增加船舶的载货载客能力。
电力推进系统减少了尾轴、舵、传动装置以及热力系统所需要的大量辅机，节省了舱容。
⑶推进效率高。
由于吊舱式结构省去了舵，所以与传统的定距浆（特别是大功率船舶用双桨时）相比推进效率提高了6%-10%。
最近ABB和韩国三星船厂曾对一万箱的集装箱船舶进行了技术和经济论证，其结论是“对于电力推进船而言，推进效率与舱容的增加已抵消电力推挤装置初投资的增加和二次换能损耗”。
[5]⑷节能、环保。
减少各种燃油、滑油的消耗；减少废气排放和震动噪声污染。
⑸适合于特种船舶的应用。
如战舰、移动式平台、破冰船等。
这些船舶航行时一般不使用其他大功率的电力设备，若使用，则不航行，电站就获得了很高的使用率。
小型船舶电力推进改造项目研发主要内容及创新点
小型船舶电力推进改造项目研发主要内容及创新点随着我国海洋事业的蓬勃发展，小型船舶在海洋工程、渔业、水上运输等领域发挥着重要作用。
传统的柴油机推动方式在小型船舶上存在着诸多问题，包括噪音大、污染严重、维护成本高等。
针对这些问题，我国航海领域的科研单位积极探索新的动力推进方式，以实现小型船舶的节能、环保、安全等目标。
电力推进技术被认为是一种可行的替代方案，因其具有环保、噪音低、易维护等优点。
本文将介绍小型船舶电力推进改造项目的研发主要内容及创新点。
一、研发对象小型船舶电力推进改造项目主要针对渔船、游艇、水上观光船等小型水面船舶。
这些船舶一般使用柴油机作为动力来源，推进方式传统且存在许多弊端。
通过电力推进改造，可以有效解决这些问题，提升小型船舶的性能和环保性。
二、技术路线1. 电动机选型在进行电力推进改造时，首先需要选用高效、可靠的电动机。
针对不同类型的小型船舶，需要选择适合的电动机类型和功率。
考虑到船舶工作环境的复杂性，电动机的防水、防腐蚀性能也是非常重要的考量因素。
2. 能源管理系统电力推进系统需要一个稳定可靠的能源管理系统，以保证船舶的航行安全和续航能力。
这个系统需要能够监测和控制电池组的充放电过程，实现对能源的高效利用，并具备智能化管理功能，以维护电池组的性能和寿命。
3. 推进器设计推进器是电力推进系统中的核心部件，其设计直接影响船舶的航行性能和能源消耗。
在小型船舶电力推进改造项目中，需要设计适合的推进器类型和参数，以实现船舶的高效推进和灵活转向。
4. 配电系统设计配电系统是小型船舶电力推进系统的重要组成部分，其设计需要考虑船舶的动力需求和供电稳定性。
合理设计配电系统可以有效减少电能损耗，提升系统的整体效率。
5. 控制系统电力推进系统的控制系统需要具备智能化、自适应的特点，能够根据船舶的航行状态实时调整功率输出和推进方式，以提高船舶的操纵性和航行安全性。
三、创新点1. 电动机选用本项目针对小型船舶的特点，研发了一款具有高效、小巧、防水等特点的电动机，在维持良好的动力输出的尽可能减小电动机对船舶舱室空间的占用。
船舶综合电力推进系统
电缆和变压器参数计算
确定电缆截面积、绝缘材料和变压器 容量等，以满足系统电压、电流和功 率要求。
优化策略及实施方法
能量管理策略优化
01
通过智能算法和实时数据分析，优化能量分配和管理，提高系
统效率和稳定性。
设备布局与空间优化
02
合理布局设备，减少空间占用和重量，提高船舶载货量和航行
性能。
控制系统集成与优化
制技术等。
技术挑战分析
分析综合电力推进系统在市场推 广过程中遇到的困难，如成本较 高、船东接受度有限等，并提出 相应的解决策略。
市场推广难题
研究国际和国内法规政策对综合 电力推进系统发展的影响，以及 如何通过政策引导推动其更广泛 的应用。
2023 WORK SUMMARY
THANKS
感谢观看
REPORTING
控制策略
采用先进的控制算法和技术，如矢量控制、直接转矩控制等，实现推进装置的高 效控制和优化运行。
储能装置及其应用
储能装置
包括电池、超级电容、飞轮等储能设 备，用于储存和释放电能。
应用场景
在船舶电力推进系统中，储能装置可 用于峰值削峰、能量回收、备用电源 等场景，提高电力系统的稳定性和经 济性。
PART 03
02
采用先进的故障诊断算 法，及时发现并定位故 障点。
03
制定详细的故障排除流 程，指导船员快速有效 地解决故障问题。
04
建立故障数据库，对常 见故障进行分类整理， 为后续的故障预防提供 参考。
预防性维护计划制定
01
02
03
04
根据船舶电力推进系统的特点 和运行状况，制定针对性的预
防性维护计划。
合理安排维护周期和项目，确 保关键部件得到及时维护和更
全直流型船舶微电网多时间尺度综合能量管理
第27卷㊀第9期2023年9月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.9Sep.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀全直流型船舶微电网多时间尺度综合能量管理周荔丹1,㊀张明珠1,㊀姚钢2,㊀于天佑2,㊀赵敏3(1.上海电力大学电气工程学院,上海200090;2.上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;3.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240)摘㊀要:为了解决船舶微网在短期不同工况切换时功率波动大和长期运行经济性问题,采用多时间尺度分层控制的综合能量管理策略,在考虑船舶微网运行㊁负荷需求以及系统运行成本三者之间关系的基础上,对船舶微网系统进行了两层调控,其中针对短期运行下的负荷波动,采用基于规则的能量管理策略,通过对比所搭建的模型在不同模式以及不同运行工况下的仿真,结果表明当负荷处于短期波动时采用该策略能够在平抑功率波动的同时有效提高电能质量;长期运行下考虑可时移负荷对船舶运行经济性的影响,提出改进型的乌鸦搜索算法对燃料和储能电池总运行成本进行优化,通过算例分析表明:该算法考虑负荷时移性,不仅起到了削峰填谷的作用,而且相较于传统的乌鸦搜索算法经济性提高了4.4%㊂关键词:电能质量;功率平衡;全直流型船舶;综合能量管理;多时间尺度;基于规则;改进型乌鸦搜索算法DOI :10.15938/j.emc.2023.09.019中图分类号:U665.1文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)09-0180-13㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-11-08基金项目:国家自然科学基金(52077135)作者简介:周荔丹(1973 ),女,博士,副研究员,研究方向为电能质量分析与治理,动态无功补偿与有源滤波技术,综合能源管理;张明珠(1997 ),女,硕士研究生,研究方向为船舶能源管理系统;姚㊀钢(1977 ),男,博士,研究员,博士生导师,研究方向为柔性交流输电系统FACTS 技术,新能源并网接入技术,储能技术㊂通信作者:姚㊀钢Multi time scale integrated energy management of full DCmarine microgridZHOU Lidan 1,㊀ZHANG Mingzhu 1,㊀YAO Gang 2,㊀YU Tianyou 2,㊀ZHAO Min 3(1.School of Electrical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;2.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.School of Naval Architecture,Ocean &Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract :In order to solve the problems of large power fluctuations and long-term operational economy in the switching of ship microgrids under different operating conditions in the short term,a comprehensive energy management strategy with multiple time scales and hierarchical control was adopted.Based on the consideration of the relationship between ship microgrid operation,load demand,and system operating costs,a two-layer regulation was carried out on the ship microgrid system.Among them,a rule-based en-ergy management strategy was adopted for short-term load fluctuations.By comparing the simulation re-sults of the built simulation model under different modes and operating conditions,it shows that this strat-egy can effectively suppress power fluctuations while improving power quality when the load is in short-term fluctuations;Considering the impact of time-varying load on the economic efficiency of ship opera-tion in long-term operation,an improved crow search algorithm was proposed to optimize the total operat-ing cost of fuel and energy storage batteries.Through example analysis,it is shown that considering thetime-varying load not only plays a role in peak shaving and valley filling,but also improves the economic efficiency by4.4%compared with traditional crow search algorithms.Keywords:power quality;power balance;full direct current ship;integrated energy management;multi time scale;based on rules;improved crow search algorithm0㊀引㊀言近年来,以综合电力推进系统为标志性技术特征的全直流型船舶,具有可靠性高㊁机动能力强以及维修成本低等优点而成为未来船舶的重要发展方向[1-2]㊂相较于传统微网,船舶微网无法在航行过程中与主网交换功率,且由于船舶运行工况处于不断变化的状态,以及叠加的各类航行环境随机变化等因素都会影响船舶运行的可靠性㊂为了保障船舶能够安全可靠运行,将作为能量缓冲设备的储能系统应用在船舶中[3],且相关船舶综合电力系统能量管理方面的研究内容,已引起了国内外大量学者的广泛关注[4-6]㊂电能质量管理方面:文献[7]提出了一种基于节点源荷差分电流的控制策略,在提高响应速度和精度的同时能够降低直流母线电压的波动;文献[8]提出了一种基于直流微网技术的新型能馈系统,能够实现系统源荷储之间功率的合理分配和减小直流母线电压的波动;文献[9]建立了一个集成混合储能系统的全电船舶模型,基于动态下垂控制方法有效改善了电能质量;文献[10]在短时间尺度场景中,在提高全电船舶电能质量的前提下平抑了功率波动;文献[11]提出了一种适用于多微电网互联的不同时间尺度阶梯控制方法,提高了并网的可靠性和安全性;文献[12]提出了一种基于模糊逻辑控制的能量管理系统,在稳定直流侧母线电压的基础上能够根据储能的荷电状态改变其充放电速率,提高了储能的使用寿命㊂多目标优化的长时间尺度下负荷经济调度方面:文献[13]提出一种实时模型预测控制能量管理策略,在减小母线电压波动和储能损耗的前提下能解决混合储能系统负载功率波动大的问题;文献[14]提出一种基于优化荷电状态反馈的混合储能能量管理策略,在平抑负载功率和直流波动的前提下延长了储能的使用寿命;文献[15]采用启发式和模型预测控制相结合的混合能量管理算法,能够实现功率的动态平衡;文献[16]提出一种考虑蓄电池寿命损耗的最优船舶储能系统经济调度模型,有效地减小了船舶负荷峰谷差和延长了储能设备的使用寿命,具有较高的经济性;文献[17]提出一种虚拟电阻电容下垂控制和二次荷电状态恢复控制方法用于船舶中压直流系统,有效地缓解了推进负荷和脉冲负荷动态变化引起的功率波动;文献[18]提出一种基于最小使用成本及储能状态平衡的孤岛直流微电网能量管理方法,能够在满足电压稳定和功率平衡的基础上,通过系统底层和顶层之间的协调控制,更好地完成整个系统的能量管理㊂由于上述电能质量管理和长时间尺度下负荷经济调度方面的文献没有进行综合能量管理㊂因此本文提出一种多时间尺度下分层控制的综合能量管理策略,将短期和长期两个时间尺度结合起来,分别提出相应的控制策略,最后通过仿真和算例验证所提策略在短期负荷波动下能够实现直流侧母线电压的稳定和供需功率的平衡,在长期运行下不仅提高船舶微网的经济性,还起到削峰填谷和平滑负荷曲线的作用㊂1㊀本文问题描述1.1㊀系统拓扑船舶微电网系统拓扑结构如图1所示,该系统由发电机㊁储能单元㊁各类变换器㊁推进器以及其他生活负荷共同构成,其中发电单元和储能单元两者共同作用通过输电线路为各类推进器及生活负荷提供电能㊂1.2㊀船舶运行模式柴电混合动力船舶的驱动动力源由柴油发电机和储能设备共同组成,其运行模式和运行工况种类较多,本文总共考虑了5种船舶运行工况,分别是启动并逐级加速㊁遇到障碍物转向后继续加速运行㊁到达安全区域后减速运行㊁悬浮前进以及低速前行㊂重点研究以下3种运行模式(具体的能量流动如图2所示)㊂1)发电机推进运行模式㊂该模式适用于当船舶处于低速前行等负载需求功率较小的运行工况,此时仅靠发电机的出力就可以满足系统的功率需求,储能如果未达上限则对其进行充电,否则其处于备用状态㊂181第9期周荔丹等:全直流型船舶微电网多时间尺度综合能量管理图1㊀船舶微电网系统拓扑结构Fig.1㊀Topological structure of ship microgrid system㊀㊀2)发电机和储能共同推进运行模式㊂该模式适用于当船舶处于加速或负载突增等运行工况,由于发电机的输出特性不能快速响应功率突变,此时应由发电机和储能两者共同作用来满足航行中负载功率的需求㊂3)主动减载模式㊂该模式适用于发生一些突发状况如果发电机的出力无法满足系统功率需求时,此时负荷若正常工作,将因功率不平衡导致直流母线电压出现较大幅度的下降,在仿真中可以根据负荷的重要程度切除一部分生活负荷以保证重要负荷的可靠供电㊂图2㊀船舶运行模式示意图Fig.2㊀Schematic diagram of ship operation mode1.3㊀船舶多时间尺度分层控制船舶系统结构较为复杂且设备种类繁多,其动态过程的时间跨度较大,包含微秒时间尺度下的开关器件换向过程㊁毫秒到秒短时间尺度下的电压稳定和功率实时平衡以及分钟到小时长时间尺度下的安全经济运行等等㊂由于不同时间尺度的复杂程度以及对控制实时性的要求都不同,因此针对该问题,本文从各时间尺度出发,提出了如图3所示的船舶多时间尺度分层控制结构㊂本文的研究重点即在该分层控制结构框架下,研究短期大功率推进器接入所带来的负荷功率骤增所带来的电压稳定和供需功率平衡问题以及长期运行下满足船舶可靠性和经济性的要求,搭建了以燃料费用和储能电池使用成本总运行费用最低的运行成本模型,并采取智能算法来迭代优化供电单元的出力㊂系统关于短期和长期的总体运行策略如图4所示㊂281电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图3㊀船舶多时间尺度分层控制结构Fig.3㊀Ship multi time scale hierarchical controlstructure图4㊀船舶能量管理总体运行策略Fig.4㊀Overall operation strategy of ship EMS2㊀船舶能量管理模型2.1㊀系统建模2.1.1㊀发电机模型船舶发电单元一般通过船舶微网将柴油机所产生的电能合理分配给各类负荷,以满足船舶用电的可靠性㊂对于传统柴油发电机的燃料成本模型[19],本文采用多项式来近似表示柴油能耗特性函数,其能耗特性F (t )=c 1P die (t )+c 2P dier (t )㊂(1)式中:P die (t )为t 时刻单台柴油发电机组输出的平均发电功率;P dier (t )为单台柴油机组的额定功率;c 1381第9期周荔丹等:全直流型船舶微电网多时间尺度综合能量管理和c2是多项式系数㊂本文取c1和c2为0.23和0.0575,则柴油发电机组的燃料成本C die(t)可表示为C die(t)=ð24t=1mF(t)㊂(2)式中m为柴油的价格㊂2.1.2㊀储能单元模型储能充放电模型如下:P b i=V b i I b i,B ch i P b iɤ0,B dis i P b iȡ0; SOC i=Q0-ʏt0I b i d t Q max; SOC i,minɤSOC iɤSOC i,max㊂üþýïïïïïï(3)式中:V b i㊁I b i为储能电池i的输出电压和输出电流; P b i为储能电池i的输出功率;B ch i㊁B dis i为储能电池i 的充放电状态;Q0㊁Q max为储能电池的初始容量和最大容量;SOC i为储能单元i的荷电状态,储能单元SOC的限制范围为0.4ɤSOCɤ0.9㊂2.1.3㊀负荷模型在船舶综合电力系统中,需求侧负载一般可分为以下三类[20]:刚性负荷㊁可时移负荷㊁可中断负荷㊂刚性负荷是维持船舶基本航行的负荷,这类负荷中断将会造成重大的设备损坏,产生很严重的影响,如推进负荷等;可时移负荷指的是短时重复使用的负载,如空调之类的负荷等;可中断负荷指的是偶尔短时使用的负载,如探照灯等之类的负荷㊂1)刚性负荷建模㊂在自然坐标系下对刚性负荷永磁同步电机进行建模,其磁链方程㊁转矩方程和推进功率方程[21]为:㊀㊀㊀ψs=L ss i s+ψf;(4)㊀㊀㊀T e=12p θ(i T sψs);(5)㊀㊀㊀P pr t=T eωm㊂(6)式中:i s为六相定子电流;ψs是六相定子磁链向量; L ss是六相定子电感矩阵;ψf是转子磁链矩阵;T e是电磁转矩(N㊃m);p是极对数;θ是转子位置角; P pr t(t)为t时刻的船舶推进功率;ωm是转子机械角速度(rad/s)㊂2)可时移负荷建模㊂可时移负荷的运行特点是功率不随时间而变化,通过将时间点进行转移,避开用电高峰期,可以提高长期航行的用电质量,其时移区间如图5所示㊂图中:T sh为可时移负荷移动的范围;T start sh和T end sh为可时移负荷移动的起始值;T a为可时移负荷运行的时间段㊂图5㊀可时移负荷时移区间Fig.5㊀Times shifting load time shifting interval可中断负荷与可时移负荷的特性较为类似,这里不再重复,可时移负荷建模如下:S sh(t)={0,1},tɪ[T s,T e];S sh(t)=0,t∉[T s,T e]㊂}(7)㊀㊀S sh(t)ȡT a[S sh(t+1)-S sh(t)],tɪ(T s-1,T end sh];(8) E sh=ðτ+T a t=τ+1P sh S sh(τ),τɪ[T s-1,T end sh]㊂(9)式中:S sh(t)表示负荷的状态,为1表示负荷处于运行中,为0表示设备未运行;P sh为可时移负荷的功率;E sh为可时移负荷的总功耗㊂2.2㊀系统协调控制2.2.1㊀永磁同步电机矢量控制六相永磁同步电机的控制策略采用i d=0的转子磁场定向矢量控制策略,该控制的优点在于控制方法简单易实现,可以避免转子永磁体退磁㊂基于矢量空间解耦理论得到六相电机的控制模型,模型中包含涉及能量转换的基波dq子空间和z1z2子空间㊂得到dq轴下的数学模型[21]为:u d=R s i d+L eqd i dd t-ωL eq i q+e d;u q=R s i q+L eqd i qd t+ωL eq i d+e q㊂üþýïïïï(10)式中:u d㊁u q㊁e d㊁e q分别为dq轴上的电压和感应电动势;R s为定子电阻;i d㊁i q分别为dq轴电流;L eq为等效电感;其中等效电感等于电机定子等效电感与变流器桥臂等效电感之和㊂由式(10)可知,u d不仅与i d㊁e d有关,还与i q存在耦合关系,同样u q也是如此,因此在仿真中可采用前馈解耦方法来控制,用来消除电机感应电动势扰动和i d㊁i q之间的耦合㊂同时对谐波电流采用PI 闭环控制来抑制z1-z2子空间的谐波分量在定子绕组产生的损耗,具体控制方程如下:481电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀u ∗d =(k p +k is )(i ∗d -i d )-ωL eq i q +e d ;u ∗q =(k p +k i s)(i ∗q -i q )+ωL eq i d +e q ;u ∗z 1=(k p1+k i1s)(i ∗z 1-i z 1);u ∗z 2=(k p1+k i1s)(i ∗z 2-i z 2)㊂üþýïïïïïïïïïï(11)式中:k p ㊁k i ㊁k p1㊁k i1分别为PI 控制的比例和积分系数;u ∗d ㊁u ∗q ㊁u ∗z 1㊁u ∗z 2分别为前馈解耦之后的dq 轴电压和PI 闭环控制之后的z 1-z 2空间的电压㊂其中,变流器采用转子磁链定向控制时满足e d =0,e q =ωψf㊂图6㊀六相PMSM 矢量空间解耦控制框图Fig.6㊀Block diagram of six phase PMSM vector spacedecoupling control六相PMSM 电流i abc 与i xyz 经过变换之后得到i d ㊁i q 与i z 1㊁i z 2(参见图6所示的矢量控制框图),由于采用的是中性点隔离结构,所以o 1-o 2子空间中的电气分量不予考虑㊂将得到的dq 轴电流再与速度环输出的电流给定量进行比较,然后经过PI 调节之后得到相应的dq 电压,最后经过矢量SVPWM 模块产生PWM 信号来驱动IGBT㊂2.2.2㊀储能单元控制储能单元采用双向DC /DC 变换器,当直流母线电压较低时其处于Boost 工作模式,为负荷供电;当直流母线电压较高时其处于Buck 工作模式,储存多余的电能来平抑负荷波动,其控制框图如图7所示㊂图中:U ∗dc为直流母线电压期望的额定值;U dc 为母线电压的实际值;i dcb 为变换器的输出电流;i Lb 为电感电流㊂2.2.3㊀负荷控制负荷包括刚性负荷㊁可中断负荷和可时移负荷,其中刚性负荷的控制策略见图6所示,后两种负荷只需要保证有稳定的电压,采用电压单闭环控制策略就可以实现,其控制结构如图8所示㊂图8中,U dcref 为负荷单元所期望的电压参考值;U l 为负荷电压的实际值㊂图7㊀储能单元及其控制框图Fig.7㊀Energy storage unit and its control blockdiagram图8㊀负荷控制框图Fig.8㊀Load control block diagram2.3㊀系统运行成本函数1)目标函数㊂以船舶微网系统的运行成本最低为目标函数,运行成本主要由燃料费用和储能电池使用成本组成,因此目标函数可表示为min C =ð24t =1[C die (t )+C bat (t )]㊂(12)储能单元的寿命主要取决于充放电深度和充放电循环次数㊂文献[16]提出储能设备寿命损耗成本为BTde=ðNi =1B inv unit E bL b,i (d b i ,P avgi );E b 为储能的容量;B inv unit 为储能的单位容量成本;L b,i (d b i ,P avgi )为储能的实际循环寿命㊂本文为方便分析,采用简化计算,设t 时刻储能的折旧成本为C bat (t )=|ΔW bat (t )|nC B2NQ B㊂(13)式中:N 为储能电池的循环使用寿命;C B 为单组储能电池的价格;n 为储能电池的个数;Q B 为储能电池581第9期周荔丹等:全直流型船舶微电网多时间尺度综合能量管理组的额定容量;ΔW bat(t)为t时刻储能电池的电量变化㊂2)约束条件㊂①系统功率平衡:P die(t)ʃP bat(t)=P load(t),∀tɪ[1,T]㊂(14)式中:P load(t)为t时刻负荷需求功率的总和;P bat(t)为t时刻储能电池的输出/吸收功率;T为一天24小时㊂②柴油发电机运行功率约束:0ɤP die(t)ɤP dier(t),∀tɪ[1,T]㊂(15)③储能电池电量约束:两相邻时刻间储能电池的电量约束为W bat(t)=W bat(t-1)+ΔW bat(t),∀tɪ[1,T]㊂(16)式中W bat(t)为t时刻储能电池的电量㊂储能电池存储和释放电量的上下限约束为:0ɤ|E ch i(t)|ɤE chmax i,∀tɪ[1,T];(17)0ɤ|E dis i(t)|ɤE dismax i,∀tɪ[1,T]㊂(18)式中:E ch i(t)㊁E dis i(t)分别为储能电池i在t时刻存储和释放的电量;E chmaxi㊁E dismax i分别为储能电池i存储和释放电量的最大值㊂④发电机推进运行模式功率约束:P die(t)=P load(t)-P bat(t),∀tɪ[1,T]㊂(19)⑤主动减载模式功率约束:P load(t)>P bat(t)+P die(t),∀tɪ[1,T]㊂(20) 3㊀模型分析与求解3.1㊀模型分析本文所提的分层控制结构涉及短期负荷波动下维持直流侧电能质量和系统功率平衡的仿真问题,另外还涉及长期运行下提高船舶微网系统日运行成本经济性的算例优化问题,因此拟采用结构分解的方法将本文所提的多时间尺度分层控制结构分为两层分别进行求解㊂3.2㊀模型分解本文将1.3节所提出的船舶多时间尺度分层控制结构分解为两部分,分别是采用基于规则的能量管理策略来解决短时间尺度下负荷大功率波动所带来的电能质量和功率平衡问题以及长时间尺度下采用改进型乌鸦搜索算法(crow search algorithm,CSA)对船舶微网系统的日运行成本进行优化㊂3.2.1㊀短期负荷波动下的能量管理在船舶行驶过程中,由于短期大功率推进器的突然接入将导致系统功率骤增,会对母线电压产生一个短时间的波动,此时如果某供电单元无法响应负荷突变可能会导致电能供应不足,因此有必要研究系统在短时间尺度下的控制策略㊂针对负荷的短期波动采用基于规则的能量管理策略㊂该策略是目前应用最为广泛的一种方式,具有设计简单,鲁棒性强,技术成熟等优点㊂该方法以推进电机负载转矩的变化来模拟系统处于不同的运行工况,并根据要实现的目标㊁系统当前的需求功率以及各设备的运行情况,来完成功率的分配㊂具体的规则如图9所示㊂图9㊀基于规则的功率控制流程图Fig.9㊀Power control flow chart based on rules 3.2.2㊀采用改进型CSA算法的模型求解针对船舶长期处于孤岛运行方式,在满足船舶供需能量平衡的基础上,基于船舶电力系统长期运行经济性的要求,采用改进型CSA算法对系统的运行成本函数进行优化㊂1)算法原理㊂CSA是一种基于种群间觅食行为的新型智能优化算法,主要通过从给定的求解空间中的所有可行解中找到满足约束条件的最优解,其寻优机制简单和可操作性强,但是该算法在解决复杂㊁非线性优化问题时容易处于局部最优状态,且收敛速度较慢㊂因此针对该算法的缺陷,本文提出一种改进型CSA 算法,并将其应用到船舶微电网系统中求解日运行成本最低的问题㊂681电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀①传统CSA 算法㊂在算法的每一次迭代中,个体i 会随机选择另一个个体j 进行跟踪,试图接近它的藏食之处m iter j ㊂在此可以将其分为以下两种情况:情况1:当认知概率AP 小于所生成的随机数r i时,说明个体j 并不知晓被跟踪,则最终个体i 会找到个体j 隐藏食物的地点;情况2:当认知概率AP 大于所生成的随机数r i时,说明个体j 已知被跟踪,为了使隐藏食物的地点不被发现,个体j 会随机飞往空间中的其他位置㊂上述两种情况下的位置更新公式如下:x iter +1i=x iteri+r i ˑf 1ˑ(miter j-x iter i),r i ȡAP ;a random position,otherwise㊂{(21)式中:xiter i为个体i 第iter 次迭代的位置;f 1为飞行长度;r i 为[0,1]之间均匀分布的随机数;m iter j 为个体j 隐藏食物的位置,AP 为认知概率㊂②基于改进型CSA 算法㊂为了使得算法的搜索空间更大,同时避免陷入局部最优的情况,本文采用改进型CSA 算法,相较于传统CSA 算法做了以下两点改进:(a)引入权重系数㊂引入权重系数来对个体的位置更新公式进行修正,借此拓宽个体的搜索空间,这样更有利于搜索到全局最优解,从而降低个体落入局部最优的概率,新的位置更新公式如下:xiter +1i=witerˑx iter i+r i ˑf 1ˑ(rg best -x iter i);(22)w iter =w max -(w max -w min )ˑiteriter max㊂(23)式中:rg best 为当前迭代过程中的最优解;w iter 为第iter 次迭代之后的惯性权重;iter max 为最大迭代次数;w min ㊁w max 分别为惯性权重系数的最小值和最大值㊂(b)引入随机扰动因子㊂当检测到个体位置停止更新时,说明算法可能已经陷入局部最优解(本文设置函数迭代到第150次时,陷入局部最优),此时为了个体能够跳出当前局部最优,引入随机扰动因子,使算法可以进入一个更好的寻优空间,从而找到全局最优解㊂具体计算公式如下:x iter +1i =x iter i+r i ,iter ȡ150㊂(24)改进型CSA 算法和传统CSA 算法对比而言,只有每次迭代的惯性权重系数是不一样的,其他的参数如最大迭代次数iter max ,种群数量N ,飞行长度f 1㊁认知概率AP 以及变量个数pd(指的是个体i 和个体j 两个变量)是初始化的时候就已经定义好的,两者是一样的㊂详细参数见表2所示㊂2)算法执行步骤㊂综上所述,本文采用的改进型CSA 算法具体执行步骤如下:①初始化各种可调参数,并针对所研究的问题来完成相应目标函数的定义;②初始化个体的位置及其记忆位置,且假设个体的初始位置为其记忆位置;③根据目标函数来计算个体记忆中的最佳位置;④判断算法是否陷入局部最优,如果是,则转到步骤⑤,如果否,将按照式(22)引入权重系数来对位置更新公式进行修正;⑤陷入局部最优时,按照式(24)引入随机扰动,使得算法可以跳出当前局部最优的状态;⑥重新计算个体的适应度函数,并更新相应的记忆位置和最优位置信息;⑦重复以上步骤③~⑥,直至达到设置的最大迭代次数时终止循环操作;⑧输出个体在更新过程中所搜索到的最优目标值㊂4㊀短时仿真与实验分析4.1㊀仿真参数本文针对图1船舶微电网拓扑结构图在MAT-LAB /Simulink 中搭建了相应的仿真模型,系统各个部分的参数如表1所示㊂表1㊀系统仿真模型参数Table 1㊀Parameters of system simulation model分类参数数值发电机组发电机750kW /1500r /min 各类负荷主推500~750kW /300r /min 侧推50kW /300r /min ˑ2上/下推15kW /300r /min 生活负载15~55kW 储能电池磷酸铁锂电池组560kW ˑ2电池额定电压459V 电池额定容量150Ah 电池最大充电电流70A 电池最大放电电流150A 直流母线直流侧电压1000V781第9期周荔丹等:全直流型船舶微电网多时间尺度综合能量管理4.2㊀仿真结果分析短时间尺度的仿真时间设置为4.2s,在该时间尺度下,将发电机推进运行模式和主动减载模式合并为模式一,相关的仿真结果如图10所示㊂图10(i)中的Δ|U|为电压的偏移率,计算不同曲线的电压最大偏移量和直流侧电压基准值两者之间的比值,这样就可得到不同曲线的电压偏移率㊂图10㊀系统处于模式一和模式二下的短期仿真结果图Fig.10㊀Short term simulation results of the system un-der mode one and mode two881电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀图10(a)~图10(i)是系统处于不同模式下的仿真结果㊂在模式一储能单元处于空闲备用状态时,其中考虑到图10(a)模式一在1.8~2.4s 时间段内仅靠发电机的出力无法满足系统推进负荷和生活负荷的功率需求㊂通过仿真结果图10(i)可以看出在不进行任何操作且无储能的情况下,电压偏移率为3.5%,在无储能但进行减载操作之后,电压的偏移率下降到1.8%,此时若储能参与系统调节,则电压偏移率进一步降低到1.4%,最后在储能参与调节的基础上并加上基于规则的能量管理策略,电压偏移率仅为1.2%㊂通过以上对比,可以明显地看出在系统处于短时过负荷工况下,进行负荷减载操作或由储能提供超出发电机最大出力的那部分功率需求,都能有效地减小直流侧电压的波动,从而提高系统的稳定性㊂由上述仿真结果可以看出,系统在模式一和模式二不同工况下都能实现供需功率的平衡和直流侧电压的稳定㊂4.3㊀实验结果分析为了验证所提方法的有效性,本文搭建了如图11所示的实验平台㊂由于示波器探头数目有限,因此采用一根探头分别对不同模式不同工况下的直流侧母线电压波形进行观察㊂图11㊀实验平台Fig.11㊀Experimental system㊀㊀由于仿真时系统刚性负荷中推进电机的功率参数较大,实验时系统刚性负荷的参数和仿真有所区别,具体参数如表2所示㊂表2㊀系统刚性负荷的实验参数Table 2㊀Experimental parameters of system rigid load参数数值发电机主推侧推上/下推功率/kW 5050105极数12121212转速/(r /min)200200450450相直轴电感/mH 13.92611.14 6.9017.604相交轴电感/mH 13.92611.14 6.9017.604磁链/Wb0.54600.44990.13630.1639转动惯量/(kg㊃m 2)5.46062.65750.12090.0575㊀㊀当系统处于模式一无储能状态时,系统运行稳定后的直流侧母线电压实验波形如图12(a)所示,通过示波器可以读出,其电压偏移率分别为6.6%和9.4%;对比于图12(b)系统处于模式一有储能状态时直流侧母线电压的实验波形图可以看出,其电压偏移率分别由6.6%降为6.4%㊁9.4%降为6.3%;当系统处于模式二有储能且采用基于规则的能量管理策略时,系统运行稳定后的直流侧母线电压实验波形如图12(c)所示,通过示波器可以读出,其电压偏移率进一步下降为4.2%和3.5%㊂实验时不同模式不同工况下直流侧母线电压的偏移率对981第9期周荔丹等:全直流型船舶微电网多时间尺度综合能量管理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
PMS和EMS
• Energy Management Ｓystem(EMS)
目前，能量管理系统功能已经扩大，一些先进控制功能 加到能量管理中，通过监测和控制功率的流动，调节 电能的产生和消耗，使燃料消耗最少，并且为了优化 瞬态功率的流动，必须考虑历史功率使用情况和未来 功率的需求。
PMS和EMS
Power Plant
Vessel Loads Propulsion Auxilliaries
Energy Management System
Energy Production and Distribution Prime movers
Energy Consumers Thrusters Pumps
• Energy Management (EMS)
– Ensure that intended operation can be performed with minimum fuel consumption
PMS和EMS
• PMS
– 早期能量管理系统能监测负载实际的功率需求，与 可用的功率相比，并根据负荷的变化，按预先设计 好的启动、停车顺序设定，自动启动、停止发电机 组。 – 能量管理的目标是针对实际运行工况，确保有足够 的功率供应，防止电力供应中断。对电力系统优化 运行和控制的最基本要求是安全运行并且能量消耗 最少。
POWER SYSTEM CONTROLS
Power Consumption - West Venture
Total active power 22 20 18 16 14 MW 12 10 8 6 4 2 0 0 100 200 300 400 500 600 Time [s] 700 800 900 er and Energy Management System
• Power Management (PMS)
– Optimal operation, automatic start/stop – Heavy consumer handling, start prevention – Blackout prevention, load reduction and load shedding – Black-out restart, automatic restoration of power system after blackout
Transformers
HVAC
控制功能
• 在电力系统，自控系统的各个部分控制着它们 各自的。如动态定位系统控制侧推器的运转， 卸载控制系统控制货物泵的运转，程序控制系 统控制压缩机和加热/制冷系统等。所有动力装 置的联系之处就是电源分配系统。 由于启动时的冲击、浪涌冲击、负荷的变化以 及电网谐波影响，负载与发电机会相互地作用 与影响。 对电力系统的最佳操作与控制是很有必要的， 以实现安全操作并保证燃料消耗最低。 能源控制系统（能源和电源能量管理系统）， 它总体上监控着电源能量系统，它把电力、自 动和定位系统综合在一起。
– To keep power system running at optimal conditions under constraints for the actual operation
• Vessel Management System
– Manual / Semi- / Automatic remote and local control of vessel systems
Measured
Control Hierarchy
User Interface - Operator Stations
System Level Control - Controllers / PLCs
Low Level Control - Governors, AVR, Protection
控制功能
PMS能量管理系统的体系结构
PMS能量管理系统的体系结构
PMS系统采用二层冗余计算机网络体系结构。上层 为双冗余以太网络，它将中央控制中心互连，组成 一个上层系统实现管理及智能操控；下层为CAN现 场总线双冗余网，实现了发电自动化、监测报警、 输配电监控保护、主要用电设备监控管理等功能。
• Propulsion and Positioning Control
Sub Systems
OS
Controllers
Local Control I/O Auxilliaries VMS Propulsion PMS
Real System
Auxilliaries
VMS
Propulsion
PMS
Power and Energy Management System
Generators
Compressors Separators Winches ...
Switchboards
Propulsion Control System
Vessel
Management
System
Other Control Systems
1. 2. 3.
1. 2. 3. 4. 系统控制功能 电源管理—能量管理 船舶管理 推进和动态定位 底层控制功能 发动机的保护和调速器 自动电压调节器 保护继电器 推进控制
System Level Control Functions
• Energy / Power Management System
• Energy Management Ｓystem(EMS)
– ＥＭＳ包括：能量管理、失电保护、推进装置和其它 调速负载的功率控制、燃油优化（如提高原动机的利 用率，降低燃油消耗），ＥＭＳ是整个船舶控制系统 的有机组成部分。 – ＥＭＳ的功能设计和性能与船舶的运行模式、电力系 统的配置、电力系统的保护、故障容忍紧密相连。
PMS和EMS
• 能量管理系统是船舶控制设备的评判部件,不是分 配在各个隔离的单元中,通常分布在操作站、过程 控制站、远程处理站等不同控制站中，它们能共同 操作并共享信息。能量管理系统具备功能综合、信 息分散的特点。所有的PMS子站接受来自本站的 信息，并接受来自其它PMS子站的共享信息，执 行PMS计算。 • 一旦出现紧急情况，必须断开联络开关（电力系统 被分成二个或多个相互隔离的子系统）。每个子系 统有自己的PMS子站，每个PMS子站能作为独立 单元工作。