PMS能量管理系統(tǒng)及其在電力推進型船舶中的應用

1、PMS能量管理系統(tǒng)及其在電力推進型船舶中的應用隨著我國船舶行業(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 代發(fā)展的需求。 PMS 能量管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電自動化、用 電設備管理、系統(tǒng)檢測報警等功能，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 力推進型船舶中的應用?！娟P鍵詞】 PMS 系統(tǒng) 電力推進型船舶PMS系統(tǒng)是船舶自動化系統(tǒng)的重要組成部分，應用于大型船舶中能降低燃油消耗、防止失電，同時能夠保護電力設 備安全運行，提高船舶性能。 PMS 系統(tǒng)應用于電力推進型船 舶中必須要分析電力推進的優(yōu)點和系統(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)是一個集監(jiān)測、控制、管理與保護為一體的綜合性船舶管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)涉及的技術比較多，比如網(wǎng)絡通 信技術、信息處理技術、系統(tǒng)決策技術、傳感技術以及計算 機技術等。其運行的目標是根據(jù)船舶的實際工況來確定功率 應用。 PMS 系統(tǒng)主要由 5 個部分構(gòu)成，其系統(tǒng)功能框架見圖1.1 PMS 控制原理 電力推進型船舶自動化系統(tǒng)主要包含發(fā)電機控制系統(tǒng)、 推進系統(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 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荷， 限制船舶大

3、功率負荷，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)對調(diào)速器性能要求比較高，因為船舶環(huán)境比較復雜，通常模擬量調(diào)節(jié)信號容易受到電磁信號的干擾，所以 必須實施速度調(diào)控處理， PMS 系統(tǒng)在利用數(shù)字量信號實施調(diào) 控時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 準確性。1.2.2 控制系統(tǒng)PMS系統(tǒng)一般選擇德國西門子 SIMATICH冗余處理器400H系列CPU412H型號，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份處理。在系統(tǒng)運 行的過程中對整數(shù)和浮點數(shù)的運算量要求比較大，所以在這 之前必須對系統(tǒng)運算實施預估計算分析， 412H 處理器運算速 度能夠達到預期效果。在此基礎上S

4、IMATICH系統(tǒng)利用光纖電纜對雙處理器實施熱備份冗余，而后利用系統(tǒng)擴展設計實 現(xiàn) I/O 冗余，大大提高系統(tǒng)的可靠性。1.2.3 負荷分配器PMS 系統(tǒng)中負荷分配器一般使用的是多機組并網(wǎng)控制， 這類型的分配器具有很多應用功能，比如邏輯編程功能、保 護電機功能和監(jiān)測功能等。 如果 PMS 系統(tǒng)在實際運行過程中 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)電機保護功能實現(xiàn) PMS 系統(tǒng)的實時監(jiān)控和保護來 提高系統(tǒng)運行安全性。1.2.4 變送器PMS系統(tǒng)在運行過程中對發(fā)電機的控制參數(shù)要求比較高， 所以在船舶運行過程中最好選擇一些相應時間比較少的變 送器。變送器相應時間 50

5、ms，這個范圍符合 PMS系統(tǒng)的信 號采樣指標，可以提高變速器工作效率。2 系統(tǒng)關鍵技術和解決方案2.1 速度控制技術分析在船舶運行過程中, PMS 系統(tǒng)可以同時對多臺發(fā)電機進 行速度調(diào)節(jié),使各臺發(fā)電機的調(diào)速依據(jù)其自身調(diào)節(jié)量進行垂 直移動,達到平衡。如果系統(tǒng)僅僅調(diào)節(jié)一臺發(fā)電機的速度, 可能會影響并網(wǎng)發(fā)電機負荷分配情況,所以大電機速度調(diào)節(jié) 的過程中應該同時調(diào)控多臺速度供給,以便達到修正系統(tǒng)總 頻率的效果。PMS系統(tǒng)與調(diào)速系統(tǒng)的接口一般為兩個數(shù)字量 開關信號,系統(tǒng)通過控制這兩個信號的通斷時間,調(diào)節(jié)速度 給定值。同時系統(tǒng)運行過程中調(diào)速頻率的快慢可能會影響負 荷調(diào)節(jié)效果,因為大電機本身存在固有的調(diào)速滯

6、后性,所以 系統(tǒng)調(diào)速并不是調(diào)速越快越好，應該根據(jù)當時系統(tǒng)運行的實 際情況實施速度調(diào)節(jié)，一次調(diào)速結(jié)束后才能開始另一次調(diào)速， 以免系統(tǒng)慣性和沖擊給調(diào)速帶來的影響。2.2 負荷、頻率控制PMS 系統(tǒng)運行過程中如果是單臺機組的運行， 系統(tǒng)發(fā)電 機的頻率會自動調(diào)節(jié)并設定頻率，這個過程中發(fā)電機的頻率 是保持不變的。在 droop 模式下發(fā)電機一般會依據(jù)機組情況 實現(xiàn)實際功率的變化，當改變調(diào)速機構(gòu)時系統(tǒng)會自動設定速 度，并根據(jù)調(diào)速特點實施上下平行移動，系統(tǒng)頻率會根據(jù)移 動特點做出相應的改變。在系統(tǒng)中如果是多臺發(fā)電機進行負 荷分配，這時必須將各機組的調(diào)差率進行統(tǒng)一設置，如果不 進行統(tǒng)一設置，可能會影響機組分配

7、功率不均，影響系統(tǒng)功 能的提高。3 PMS 系統(tǒng)在電力推進型船舶中的應用3.1 速度調(diào)節(jié)方法比較常用的船舶電力推進系統(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)一般會選擇異 步電動機作為其驅(qū)動電機。但在船舶電力推動系統(tǒng)中一般選 擇同步電機作為驅(qū)動電機，因為同步電動機氣隙比較大，具 有較高的性能，比較適合應用于大功率的場合。3.2 供電方式目前，我國很多電力推動型船舶的電源仍然以柴油發(fā)電 機組為主，但是隨著全球石油資源的枯竭，未來電力推進船 舶極可能會占主導地位。PMS系統(tǒng)首先要保障供電的平衡性， 分區(qū)供電時主要設備要根據(jù)

8、所有電能配置狀態(tài)實施，并自動 選擇其他供電帶的電力能源，做到電能的合理分配。在供電 過程中要注意人機界面的使用，主要包括報警功能、人機界 面的動態(tài)顯示功能，其中報警功能主要對發(fā)電機組的動態(tài)進 行監(jiān)測故障報警，并對故障實施相應的處理；人機界面的顯 示能夠?qū)崿F(xiàn)界面的動態(tài)監(jiān)測，分析發(fā)電機組的運行狀態(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)推進器工作在低負荷或低速時，推進器不會對 頻率產(chǎn)生大的波動。因此，該增益就取決于期望的推進器加 載，如下：（ 1）式中： kc 表示比例增益， Qnp 表示每個螺旋槳期望的額定轉(zhuǎn)矩或期望的轉(zhuǎn)矩參考值：每個螺旋槳的轉(zhuǎn)矩參考值能夠直接從推

9、進器的參考值 進行計算：（2）式中：KQO和3叩表示推力和轉(zhuǎn)矩系數(shù)使用設計的PRS能直接限制柴油機的負載率。這與現(xiàn)存的負載率限制預先就確定推進器數(shù)量和在網(wǎng)發(fā)電機數(shù)量 等方式相反，在成功設定柴油機負載率限制后，不需要測量 單獨發(fā)電機的負載、速度以及螺旋槳的加載。估計總的機械 轉(zhuǎn)矩后，所有在網(wǎng)發(fā)電機的柴油機將有相同的負載率限制。3.4 動態(tài)仿真及結(jié)果分析 該仿真使用 Matlab/SIMULINK 。發(fā)電機組工作在同步模式，轉(zhuǎn)速恒定3叩和HNon=2s。發(fā)電機建模使用 PID調(diào)速器 對頻率進行控制，油門執(zhí)行器模型。電網(wǎng)電壓假設為恒定， 因此在該模型中只考慮有功，同時只考慮柴油機的響應影響。 推進器

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，并且與推進器加載和損失有關。信號在被送 入推進器速度控制器之前先通過低通濾波器，kgp/(0.01S+1)。表1展示了典型的海洋工程支持船舶的參數(shù)。仿真中過程中計算兩分段主匯流排的一邊。兩個推進器 在工作， 即 2.3MW 尾推進器和 1MW 艏側(cè)推進器及其它輔助 負載。兩臺發(fā)電機組在網(wǎng)，每臺 1.5MW ，所有系統(tǒng)的發(fā)電能 力為 3.0MW 。4 結(jié)語PMS 能量管理系統(tǒng)實際上是一個綜合控制系統(tǒng)， 是未來 船舶綜合電力推進系統(tǒng)的一個關鍵子系統(tǒng)。在實際發(fā)展中必 須深入分析 PMS 能量管理系統(tǒng)的工作原理和關鍵技術， 才能 更好的實現(xiàn)船舶電站控制，保障船舶安全、穩(wěn)定運行。參考文獻1 潘志強 .電力推進船舶能量管理系統(tǒng)控制策略研究D.武漢理工大學， 2014.2 譚？電力推進型船舶 PMS電站管理系統(tǒng)設計J電 子世界， 2013，12： 47.3 羅成漢，陳輝船舶能量管理系統(tǒng) PMS對策J.中國航 海， 2007， 04： 87-91.4 龔喜文，鄭元璋，石林龍.船舶PMS控制器設計及關 鍵技術研究J.上海船舶運輸科學研究所學報， 2010，02： 83-87+97.5 韓旗， 黃一民， 張紀元， 王碩豐 .船舶能量管理系統(tǒng)技 術J.船舶工程，2009，S1： 102-104.6 李欣