PMS能量管理系統(tǒng)及其在電力推進(jìn)型船舶中的應(yīng)用

1、PMS能量管理系統(tǒng)及其在電力推進(jìn)型船舶中的應(yīng)用隨著我國(guó)船舶行業(yè)逐漸向現(xiàn)代化和大型化方向發(fā)展， 電力推進(jìn)系統(tǒng)被大力推廣，傳統(tǒng)的電站系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足時(shí) 代發(fā)展的需求。 PMS 能量管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電自動(dòng)化、用 電設(shè)備管理、系統(tǒng)檢測(cè)報(bào)警等功能，提高了大型船舶電力系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。 本文主要分析 PMS 能量管理系統(tǒng)在電 力推進(jìn)型船舶中的應(yīng)用?！娟P(guān)鍵詞】 PMS 系統(tǒng) 電力推進(jìn)型船舶PMS系統(tǒng)是船舶自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)用于大型船舶中能降低燃油消耗、防止失電，同時(shí)能夠保護(hù)電力設(shè) 備安全運(yùn)行，提高船舶性能。 PMS 系統(tǒng)應(yīng)用于電力推進(jìn)型船 舶中必須要分析電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)和系統(tǒng)配置，并分析其控

2、制 層次結(jié)構(gòu)、具體功能，從而最大限度的滿足使用工況。1 PMS 系統(tǒng)概述PMS系統(tǒng)是一個(gè)集監(jiān)測(cè)、控制、管理與保護(hù)為一體的綜合性船舶管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的技術(shù)比較多，比如網(wǎng)絡(luò)通 信技術(shù)、信息處理技術(shù)、系統(tǒng)決策技術(shù)、傳感技術(shù)以及計(jì)算 機(jī)技術(shù)等。其運(yùn)行的目標(biāo)是根據(jù)船舶的實(shí)際工況來(lái)確定功率 應(yīng)用。 PMS 系統(tǒng)主要由 5 個(gè)部分構(gòu)成，其系統(tǒng)功能框架見(jiàn)圖1.1 PMS 控制原理 電力推進(jìn)型船舶自動(dòng)化系統(tǒng)主要包含發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)、 推進(jìn)系統(tǒng)、配電板以及 PMS功率管理系統(tǒng)，其中 PMS系統(tǒng) 一般利用配電板集中分配船舶的電能，可以直接控制發(fā)電機(jī) 的轉(zhuǎn)速，并調(diào)節(jié)電網(wǎng)的工作頻率，合理分配船舶電站負(fù)荷， 限制船舶大

3、功率負(fù)荷，保障電站供電質(zhì)量和安全。1.2 PMS系統(tǒng)的重要器件選擇1.2.1 電子調(diào)配器PMS系統(tǒng)對(duì)調(diào)速器性能要求比較高，因?yàn)榇碍h(huán)境比較復(fù)雜，通常模擬量調(diào)節(jié)信號(hào)容易受到電磁信號(hào)的干擾，所以 必須實(shí)施速度調(diào)控處理， PMS 系統(tǒng)在利用數(shù)字量信號(hào)實(shí)施調(diào) 控時(shí)要盡量選擇性能較高的數(shù)字量調(diào)速器，提高電能調(diào)控的 準(zhǔn)確性。1.2.2 控制系統(tǒng)PMS系統(tǒng)一般選擇德國(guó)西門(mén)子 SIMATICH冗余處理器400H系列CPU412H型號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份處理。在系統(tǒng)運(yùn) 行的過(guò)程中對(duì)整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算量要求比較大，所以在這 之前必須對(duì)系統(tǒng)運(yùn)算實(shí)施預(yù)估計(jì)算分析， 412H 處理器運(yùn)算速 度能夠達(dá)到預(yù)期效果。在此基礎(chǔ)上S

4、IMATICH系統(tǒng)利用光纖電纜對(duì)雙處理器實(shí)施熱備份冗余，而后利用系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計(jì)實(shí) 現(xiàn) I/O 冗余，大大提高系統(tǒng)的可靠性。1.2.3 負(fù)荷分配器PMS 系統(tǒng)中負(fù)荷分配器一般使用的是多機(jī)組并網(wǎng)控制， 這類(lèi)型的分配器具有很多應(yīng)用功能，比如邏輯編程功能、保 護(hù)電機(jī)功能和監(jiān)測(cè)功能等。 如果 PMS 系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中 的模式為roop或ISO,那么可以利用系統(tǒng)自帶的斷路器控制 功能和發(fā)電機(jī)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn) PMS 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和保護(hù)來(lái) 提高系統(tǒng)運(yùn)行安全性。1.2.4 變送器PMS系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)發(fā)電機(jī)的控制參數(shù)要求比較高， 所以在船舶運(yùn)行過(guò)程中最好選擇一些相應(yīng)時(shí)間比較少的變 送器。變送器相應(yīng)時(shí)間 50

5、ms，這個(gè)范圍符合 PMS系統(tǒng)的信 號(hào)采樣指標(biāo)，可以提高變速器工作效率。2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和解決方案2.1 速度控制技術(shù)分析在船舶運(yùn)行過(guò)程中, PMS 系統(tǒng)可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn) 行速度調(diào)節(jié),使各臺(tái)發(fā)電機(jī)的調(diào)速依據(jù)其自身調(diào)節(jié)量進(jìn)行垂 直移動(dòng),達(dá)到平衡。如果系統(tǒng)僅僅調(diào)節(jié)一臺(tái)發(fā)電機(jī)的速度, 可能會(huì)影響并網(wǎng)發(fā)電機(jī)負(fù)荷分配情況,所以大電機(jī)速度調(diào)節(jié) 的過(guò)程中應(yīng)該同時(shí)調(diào)控多臺(tái)速度供給,以便達(dá)到修正系統(tǒng)總 頻率的效果。PMS系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的接口一般為兩個(gè)數(shù)字量 開(kāi)關(guān)信號(hào),系統(tǒng)通過(guò)控制這兩個(gè)信號(hào)的通斷時(shí)間,調(diào)節(jié)速度 給定值。同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中調(diào)速頻率的快慢可能會(huì)影響負(fù) 荷調(diào)節(jié)效果,因?yàn)榇箅姍C(jī)本身存在固有的調(diào)速滯

6、后性,所以 系統(tǒng)調(diào)速并不是調(diào)速越快越好，應(yīng)該根據(jù)當(dāng)時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí) 際情況實(shí)施速度調(diào)節(jié)，一次調(diào)速結(jié)束后才能開(kāi)始另一次調(diào)速， 以免系統(tǒng)慣性和沖擊給調(diào)速帶來(lái)的影響。2.2 負(fù)荷、頻率控制PMS 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中如果是單臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行， 系統(tǒng)發(fā)電 機(jī)的頻率會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)并設(shè)定頻率，這個(gè)過(guò)程中發(fā)電機(jī)的頻率 是保持不變的。在 droop 模式下發(fā)電機(jī)一般會(huì)依據(jù)機(jī)組情況 實(shí)現(xiàn)實(shí)際功率的變化，當(dāng)改變調(diào)速機(jī)構(gòu)時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)設(shè)定速 度，并根據(jù)調(diào)速特點(diǎn)實(shí)施上下平行移動(dòng)，系統(tǒng)頻率會(huì)根據(jù)移 動(dòng)特點(diǎn)做出相應(yīng)的改變。在系統(tǒng)中如果是多臺(tái)發(fā)電機(jī)進(jìn)行負(fù) 荷分配，這時(shí)必須將各機(jī)組的調(diào)差率進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，如果不 進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)置，可能會(huì)影響機(jī)組分配

7、功率不均，影響系統(tǒng)功 能的提高。3 PMS 系統(tǒng)在電力推進(jìn)型船舶中的應(yīng)用3.1 速度調(diào)節(jié)方法比較常用的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的調(diào)速方法是交流調(diào)速 系統(tǒng)，這種調(diào)速方法主要利用的是晶閘管整流橋反并聯(lián)方式 而實(shí)施的一種調(diào)控系統(tǒng)。常規(guī)循環(huán)變流器系統(tǒng)一般會(huì)選擇異 步電動(dòng)機(jī)作為其驅(qū)動(dòng)電機(jī)。但在船舶電力推動(dòng)系統(tǒng)中一般選 擇同步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因?yàn)橥诫妱?dòng)機(jī)氣隙比較大，具 有較高的性能，比較適合應(yīng)用于大功率的場(chǎng)合。3.2 供電方式目前，我國(guó)很多電力推動(dòng)型船舶的電源仍然以柴油發(fā)電 機(jī)組為主，但是隨著全球石油資源的枯竭，未來(lái)電力推進(jìn)船 舶極可能會(huì)占主導(dǎo)地位。PMS系統(tǒng)首先要保障供電的平衡性， 分區(qū)供電時(shí)主要設(shè)備要根據(jù)

8、所有電能配置狀態(tài)實(shí)施，并自動(dòng) 選擇其他供電帶的電力能源，做到電能的合理分配。在供電 過(guò)程中要注意人機(jī)界面的使用，主要包括報(bào)警功能、人機(jī)界 面的動(dòng)態(tài)顯示功能，其中報(bào)警功能主要對(duì)發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)進(jìn) 行監(jiān)測(cè)故障報(bào)警，并對(duì)故障實(shí)施相應(yīng)的處理；人機(jī)界面的顯 示能夠?qū)崿F(xiàn)界面的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，分析發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、電 能分配情況及 PMS 的參數(shù)修改。3.3 PRS參數(shù)分析 電力系統(tǒng)推進(jìn)器工作在低負(fù)荷或低速時(shí)，推進(jìn)器不會(huì)對(duì) 頻率產(chǎn)生大的波動(dòng)。因此，該增益就取決于期望的推進(jìn)器加 載，如下：（ 1）式中： kc 表示比例增益， Qnp 表示每個(gè)螺旋槳期望的額定轉(zhuǎn)矩或期望的轉(zhuǎn)矩參考值：每個(gè)螺旋槳的轉(zhuǎn)矩參考值能夠直接從推

9、進(jìn)器的參考值 進(jìn)行計(jì)算：（2）式中：KQO和3叩表示推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)使用設(shè)計(jì)的PRS能直接限制柴油機(jī)的負(fù)載率。這與現(xiàn)存的負(fù)載率限制預(yù)先就確定推進(jìn)器數(shù)量和在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量 等方式相反，在成功設(shè)定柴油機(jī)負(fù)載率限制后，不需要測(cè)量 單獨(dú)發(fā)電機(jī)的負(fù)載、速度以及螺旋槳的加載。估計(jì)總的機(jī)械 轉(zhuǎn)矩后，所有在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)將有相同的負(fù)載率限制。3.4 動(dòng)態(tài)仿真及結(jié)果分析 該仿真使用 Matlab/SIMULINK 。發(fā)電機(jī)組工作在同步模式，轉(zhuǎn)速恒定3叩和HNon=2s。發(fā)電機(jī)建模使用 PID調(diào)速器 對(duì)頻率進(jìn)行控制，油門(mén)執(zhí)行器模型。電網(wǎng)電壓假設(shè)為恒定， 因此在該模型中只考慮有功，同時(shí)只考慮柴油機(jī)的響應(yīng)影響。 推進(jìn)器

10、建模只考慮有功功率消耗。在仿真中，HNon 的參數(shù)誤差也被考慮，并且與推進(jìn)器加載和損失有關(guān)。信號(hào)在被送 入推進(jìn)器速度控制器之前先通過(guò)低通濾波器，kgp/(0.01S+1)。表1展示了典型的海洋工程支持船舶的參數(shù)。仿真中過(guò)程中計(jì)算兩分段主匯流排的一邊。兩個(gè)推進(jìn)器 在工作， 即 2.3MW 尾推進(jìn)器和 1MW 艏側(cè)推進(jìn)器及其它輔助 負(fù)載。兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組在網(wǎng)，每臺(tái) 1.5MW ，所有系統(tǒng)的發(fā)電能 力為 3.0MW 。4 結(jié)語(yǔ)PMS 能量管理系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)綜合控制系統(tǒng)， 是未來(lái) 船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵子系統(tǒng)。在實(shí)際發(fā)展中必 須深入分析 PMS 能量管理系統(tǒng)的工作原理和關(guān)鍵技術(shù)， 才能 更好的實(shí)現(xiàn)船舶電站控制，保障船舶安全、穩(wěn)定運(yùn)行。參考文獻(xiàn)1 潘志強(qiáng) .電力推進(jìn)船舶能量管理系統(tǒng)控制策略研究D.武漢理工大學(xué)， 2014.2 譚？電力推進(jìn)型船舶 PMS電站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)J電 子世界， 2013，12： 47.3 羅成漢，陳輝船舶能量管理系統(tǒng) PMS對(duì)策J.中國(guó)航 海， 2007， 04： 87-91.4 龔喜文，鄭元璋，石林龍.船舶PMS控制器設(shè)計(jì)及關(guān) 鍵技術(shù)研究J.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)， 2010，02： 83-87+97.5 韓旗， 黃一民， 張紀(jì)元， 王碩豐 .船舶能量管理系統(tǒng)技 術(shù)J.船舶工程，2009，S1： 102-104.6 李欣