PDF《Aalborg Universitet》

0 引言 随着全球能源安全与环境恶化等问题的日益凸 显,航运业对节能减排的呼声越来越高.根据国际 海事组织(International Maritime Organization, IMO)的测算,2012 年全球航运业的温室气体排放 量已相当于全球总排放量的 2.6%,氮氧化物占总 排放的 15%,硫氧化物占总排放的 13%,并且到

2050 年航运污染预计增加

1 倍,全球船舶业急需升 级转型[1] .我国是一个造船和航运大国,造船业与 航运业已成为国民经济发展的支柱性产业之一.船 舶电力系统是船舶赖以生存的基础,其科学技术的 进步将极大地促进我国造船与航运行业的发展.当 前船舶电力系统主要为交流供电,舰船主要采用直 流供电[2,3]. 从本质上说,船舶电力系统是一个独立运行的 微电网,即船舶微电网.船舶微电网和基于可再生 能源的微电网之间有很多共同特征, 例如独立运行, 使用较多的电力电子变换器.因此,可再生微电网 的相关协调控制与能量管理技术可以扩展到船舶微 电网.但是,船舶微电网主要负荷为大功率推进装 置和各种泵类,同时船舶运行对电力系统可靠性的 要求很高.因此,在船舶微电网的研究中,功率变 换器拓扑结构设计与控制,电网层的协调控制与功 率能量管理等更为复杂. 船舶电力推进是一种电机直接驱动螺旋桨的推 进方式,相比传统的机械式推进,具有节省空间、 可操控性强等优势,成为发展的主流之一[4] .船舶 艏侧推进是一种产生船舶横向推力的特殊推进装 置,用来增强船舶在停靠、驶离港口的操纵性以及 避碰过程中的灵活性,属于船舶电网中的短时脉动 负载[5] .其作为船舶辅助操纵装置,主要应用于港 口内船舶,例如近海支援船和平台供应船.艏侧推 进功率需求如图

1 所示.由于功率推进电机的频繁 操控,因此船舶供电电源(例如,柴油发电机组) 很难快速跟踪负荷功率变化.且艏侧推进器的大功 率脉动供电需求可能导致船舶微电网频率和电压波 动,影响系统稳定运行[6] .

20 t/min

0 P /kW

50 100

150 0 图1艏侧推进器功率需求 Fig.1 Power demand of bow thruster. 当前针对船舶电力推进器的设计进行了大量研 究[6-8] .文献[9]基于实验平台建立船舶主推进器变 频调速矢量控制系统,优化电力推进船舶的操纵性 和稳定性.文献[10]利用转子磁场定向控制策略对 异步推进电机进行控制,通过实验模拟各种工况下 船舶电力推进系统的特性,并研究了推进电力在运 动过程中对电网的影响.文献[11]对船舶艏侧推和 船舶停靠系统进行研究,主推进器和侧推进器相互 协调建立二阶数学模型并通过实验进行验证.文献 [12]提出使用超级电容器减少艏侧推进器对船舶微 电网质量的影响. 根据艏侧推进器的运行特性,本文提出用蓄电 池驱动艏侧推进电机方法,蓄电池提供短时频繁启 动艏侧推进电机所需能量,减少瞬时启动电流对船 舶电网的冲击, 增加船舶柴油发电机燃油利用效率, 并存储推进器频繁快速制动产生的制动能量.为了 满足大功率艏侧推进电机运行,文献[13]提出三相 交错并联 DC/DC 变换器应用于电力储能系统,该 方案增加变换器的容量降低了输出电流纹波.文献 [14]提出 DC/DC 变换器电流前馈控制策略,通过电 流比例环节修正模型误差,进而实现变换器的快速 响应. 本文并提出自适应 PI 电压控制器提高变换器 的带载能力,在艏侧推进器频繁启动时稳定直流母 线电压[15] . 本文第二部分介绍系统结构,第三部分介绍储 能三相交错并联 DC/DC 变换器的结构及其控制方 法和艏侧推进器驱动控制方法.第四部分分析了用 于DC/DC 变换器的控制器设计依据.第五部分给 出系统仿真结果,最后给出本文结论.