英语原文共 25 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

3.电力推进

电力推进在20世纪早期就已经出现了，一段简短的历史回顾电力推进是被包括在 Moreno and Pigazo.20世纪90年代，电力推进在游轮工业和重要海军舰艇上得到了巨大的发展（见图1）。一种典型的电力推进系统结构（如图13所示）。多个柴油发电机组(1)给电动公交车提供一个固定频率的高电压(2)这辆公交车由电动机驱动（5）和相关负载（6）在大多数情况下通过一个变压器（3）电动机由一个电力电子转换器(4)用于控制轴线路速度,由此控制船的速度。

3.1 电力推进的优点和挑战

首先，电力推进是一种燃油效率高的解决方案，因为随机负载占推进动力需求的很大一部分，而且运行模式也多种多样，因为发电机的动力可以通过电动机和辅助系统[39]来提供。为了实现这一目标，电力管理系统(PMS)将运行引擎的数量与所需的综合推进力和随机负载功率相匹配。这种控制策略保证了引擎在部分负载下不会效率低下的工作，而它通常被称为电站概念。

1. 电力推进的氮氧化物排放量可能比机械推进的排放量要少，因为在大多数情况下，全船速度下的推进动力是分散在更多的发动机上的，这是因为它们的单个功率较低，但运行速度较高。例如，一艘有20兆瓦的电力推进的游艇每根轴上通常安装5台运行在720转/分钟的柴油机，一艘有20兆瓦的机械推进装置的游轮每根轴上通常有两个20兆瓦的主机，每个主机的最高转速为500转/分的四冲程柴油机或80转/分的二冲程柴油机。对于第二级，这意味着电力推进的柴油发电机循环平均氮氧化物产量为9.7 g/kWh而四冲程（二冲程）柴油的电力推进的柴油发电机为10.5g/kWh（14.4g/kWh）。此外，由于电站概念的电力推进，柴油发电机运行更接近他们的设计点，在这一点上他们通常生产较少氮氧化物排放或者燃油消耗量从而提高氮氧化物减排量。此外,他们总是以额定速度运行，不同于在部分负载下以较低速度运行的、由于较长的氮氧化物生成时间而产生更多氮氧化物的机械推进的发动机（如图4所示）。
2. 电力推进的第三个优点是减少了维护负荷，因为发动机既提供推进负荷又提供辅助负荷，而在不需要的时候就关闭。
3. 电力推进可以降低辐射噪声因为从引擎转到螺旋桨之间没有机械传动路径。为此，设计了电动机和电源变频器必须优化，以使扭矩波动最小。动力（操作）情况对电力推进的噪声影响似乎还没有出现。

电力推进的第五个好处是其潜在的高可用性，至少动力和推进装置是为此目的而设计的。

相反，电力推进还面临以下挑战：

·由于电力转换器和电动机的额外的转换阶段，电力推进因此增加损失。这些损失导致了燃油消耗率的增加，尤其是在接近船舶最高速度的时候。

·当运行备用发动机以获得高可用推进力时(这是机动DP操作所必需的)，发动机在低负载下运行。这导致燃料消耗增多和大量的排放

·大多数电力推进的船舶使用浮点处理机，因为有变速传动装置的电动机可以提供最大的扭矩在每一个速度甚至运行在反向。Vrijdag[27]已经表明在固定螺旋桨螺距和使用速度的情况下，空穴引起的辐射噪声会增大，这就电气的标准控制策略马达。因此,空穴可能在机动情况下增加，尤其是在固定螺旋桨螺距和速度控制下，也适用于使用浮点处理机的机械推进的船舶。

·因为所有的负载都在电网电压和频率下工作、电压和频率在故障条件下波动会导致电力系统关闭，因此减少可靠性和可用性。特别是在有大量变速驱动器的电力系统中，恒功率负载不稳定是可能发生的。Sulligoi [40]描述了这一现象，提出了用两种建模策略分析风险的方法，并讨论了缓解策略。

至于控制战略的目标应是解决这些挑战。或者，当控制策略不能充分改进这些性能标准时，可以选择另一个系统体系结构。

3.2电力推进的应用

尽管发电站概念所节省的燃料大部分被增加的电力损耗所抵消，电力推进在游轮行业还是非常成功的。这主要归功于电站概念的稳健性;柴油发电机故障对船舶[39]的运行影响不大。此外，电力推进允许灵活的机械空间定位，由于没有传统上决定机舱布局的轴系。最后，由于轴系的缺失，通过将柴油发电机组安装在灵活的隔声装置上，还可以隔绝柴油发动机的噪音。

由于其在游轮行业的成功，电力推进也被应用于渡轮、港口钻探船、电缆层、破冰船和皇家海军舰艇。在Moreno和Pigazo[38]中可以找到这些应用以及应用电机和转换器技术的相关发展。在这些船舶上选择电力推进主要是由它们不同的操作配置决定的，因为这些为电站概念带来了巨大的好处。

电力推进的稳健性也有助于其在海上领域的成功，因为电力推进体系结构允许很容易地添加发电机、推进器和不同类型的推进器等额外组件。电力推进系统的这一特性对于保证故障状态下的定位尤为重要。例如，运行备用发电机作为运转备用，保证在故障条件下有足够的功率可用。

然而，运行额外的发动机会导致低负荷运转，从而降低效率，增加氮氧化物排放，如图4所示。此外，在最坏情况下，需要足够的运转备用和足够的安装功率来维持数据处理能力，这也会增加安装功率，从而增加投资成本。为了克服这个问题，Wartsila（瓦锡兰）提供了商业标准交流电架构的一种专利变体，如图14所示，其中两个发电机组的母线通过变压器彼此隔离。这减少了对相移推进变压器(用于常规推进驱动)的需求，并将母线故障的影响从50%降低到25%[41,42]。

商业船舶电力推进的成功和降低运行成本的动力，促使英国和美国的海军驱逐舰采用电力推进的重大发展计划[43-52]。这些发展方案的目标是用先进技术提高功率密度，包括新的永磁和高温超导电机技术，以适应护卫舰的电力推进和满足军事需要。

这些发展计划已经导致了电力推进在皇家海军S-45型驱逐舰[53,54]和伊丽莎白女王航空母舰[55]上的应用，以及在美国海军s DDG-1000驱逐舰[52]。尽管开发了新的电机技术，这些海军应用仍然是基于先进的感应电机(AIM)与脉冲宽度调制(PWM)变频器驱动。这种目标驱动是异步电机技术的一种先进发展。这些海军应用包括传统的固定频率高压交流发电机组与传统的控制策略，尽管计划发展直流架构。因此，海军动力和推进系统也可以用图13所示的典型推进系统布局来表示。然而，他们的转换器可以连接到馈电母线没有变压器。这些变压器的缺乏增加了谐波，这是由无源和有源滤波器[53]减轻。

3.3电网控制策略

电力推进体系结构的控制策略包括两个部分:其一是对电力固定频率网络的控制从而为所有电力用户提供稳健的电力供应;电力推进的控制，其二是推动船舶以一定的速度和方向前进。

3.3.1电压和频率的控制

目前电力推进体系结构是由固定频率的交流电力网构成。电网的频率通常由调速器中的下垂速度控制或调速器之间的电力负载均分来维持。在第一种情况下，多个发电机并联，调控器中的下垂控制了发电机之间有功功率的负载分配。类似地，自动电压调整器(AVR)保持所需的电压并控制并联发电机之间的无功负载分配。这些控制循环形成主控制级[56]。

固定频率电网的主要缺点是柴油发电机总是以额定转速运行。图3可以表明，在设计工况下，典型发动机在降低功率和公称转速下的燃油消耗率明显高于在螺旋桨曲线上运行时的比油耗。类似的观点也适用于二氧化碳和其他与燃料相关的排放。但是，当发动机在发电机组上运行时，氮氧化物排放通常较低(见图4)。此外，当发动机在部分负荷下以额定转速运行时，发动机的离心力和发动机磨损较大。

另一种方法是在Simmonds[57]中提出的变频电网。这可以为一台典型的柴油发电机组节省大约5%的燃料。然而，为变频交流网络设计的电气设备是有限的。此外，还需要额外的功率转换来为定频辅助负载提供电力，从而会增加转换损耗。或者，可以选择直流电网

3.3.2二次电源管理控制

电源管理系统执行二次控制，如图15所示。它控制速度和电压设定值，以保持电压和频率在系统的运行的动态范围内。此外，在负荷变化期间，电源管理系统控制发电机组的自动启动和停止，并确保在网发动机不会因限制推进装置和其他必要负荷而过载。最后，电源管理系统可执行防止停电、关闭故障系统部件、停电后重新配置电网等保护功能。这些控制操作通常都是基于规则的[58]，也可以由操作员发起。特别是对于高可用性要求的船舶，如DP船，电力管理系统还负责确保有足够的运转备用。

下一节将介绍一些先进的控制策略，这些策略可以改善电源管理系统在故障条件下维持电压和频率的功能。

3.3.3基于实时模型的电源管理

Amgai和Abdelwahed[59]提出了交互平衡原理，它是利用负载和电源的子模型来计算每个电源的最佳频率设定值，以实现全局定义的目标频率。交互平衡原理可以使发电机断电后的系统频率维持在规定的范围内，而没有二次控制的调速系统在这种情况下会降到规定的最小值以下。然而，与电力等时负载共享调速器或中央二次控制的性能比较还没有进行。

3.3.4功率跟踪

Seenumani等人提出了一种多时间尺度方法来跟踪具有不同动态特性的两个电源功率的方法。实验结果表明，该方法具有较高的计算效率，可以保证功率跟踪的快速性和高效性。然而，该系统架构高度简化，发动机负荷的约束似乎没有得到应用，因为在目前的结果中发动机负荷增长非常陡峭。

3.4推进控制策略

电力推进体系结构控制的第二部分是推进控制。推进控制必须为船舶提供推力，在可操纵的推进器的控制下以推动船舶以一定的速度和方向前进。大多数电力推进系统使用固定螺距螺旋桨，因为电力驱动可以在前进和后退的每一个速度运行，并在每一个速度提供额定扭矩。因此，船的速度可以完全控制，不需要一个可调螺距螺旋桨。因此，电力推进电机驱动的控制策略是以达到要求的轴速为目标。通过控制整流器变换器的开关信号来控制推进电机的转矩和磁通量，实现了这一目的。控制策略示意图如图16所示。

根据这种控制需要有多精确，可以采用现场定向转矩控制、直接转矩控制或直接自控制。这些转矩控制策略通常与外部速度控制回路结合使用。在Trzynadlowski[61]中可以找到对这些感应电动机控制方法的详细描述和相关文献的参考文献。这些现代控制策略可以实现对电机转矩的几乎瞬时控制，从而满足对驱动器的任何要求。此外，电动机可以在任何速度下提供全扭矩，并可以在短时间内提供超过额定扭矩的扭矩。然而，柴油发电机必须提供来自电网的负荷。因此，控制速度直接影响柴油发电机的负荷，因此，柴油发电机对电动机的控制受到限制。

3.4.1转矩和功率控制

虽然大多数电力推进驱动采用速度控制，如图16所示，但是转矩和功率控制的电力驱动可以显著降低推力、转矩和功率波动[62]，正如Faber[33]对于机械推进已经得出的结论。Sorensen和Smogeli[62]比较了速度、转矩和功率控制，并得出结论，通过转矩和功率控制，可以显著减少大风浪天气中的推力损失。在正常情况下，转矩和功率的组合控制器表现出最稳健的跟踪性能。然而，在极端条件下，由于恶劣的天气，螺旋桨可以提升出水面或忍受空转。在这种情况下，转矩和功率控制会导致螺旋桨超速。Smogeli等人[63]提出了两种防止螺旋桨超速的控制策略:一种是通过PID控制动作限制螺旋桨转速，另一种是通过检测通风并随后降低扭矩或功率来将轴速降低到不再发生推力损失的值。当第一种策略防止螺旋桨超速时，第二种策略获得最小的推力损失和最高的推进效率。与这些策略类似，Zhao等人[64]提出在通风时采用调速控制策略来降低轴速设置，以减少推力损失。

4混合燃料推进

当辅助负载仅为所需推进功率的一小部分时，与电气转换相关的损耗会导致电力推进系统燃料消耗增加[65]。额外的电气设备也会导致重量、尺寸和成本的增加[66]。因此，经常低速运行的船舶可以受益于混合推进系统[67,68]。在混合动力推进中，直接机械驱动(1)提供高速高效推进。此外，电动机(2)通过齿轮箱(3)与同一轴连接，或直接与驱动螺旋桨的轴连接，在低速情况下提供推进，从而避免了在部分负载情况下主机运行效率低下。该电机也可以作为发电机用于船舶电力网络(4)。这种混合推进系统的典型布局如图17所示。

当机械驱动主机运行时，这个系统允许来自发电机或发电机组的发电能力。通常，规则的控制或操作者决定发电能力。

4.1混合动力推进的优点和挑战

因为混合推进是电力和机械推进的结合，它可以受益于两者的优点，如第2节和第3节所讨论的。然而，为了实现这些好处，一个适当的设计(混合推进)是需要的，并且经常需要在这些要求之间进行权衡。该控制策略允许一个最佳的权衡，可以利用额外的控制程度，将电力从机械驱动器传输到电网，反之亦然。混合推进设计的主要挑战是平衡所有需求和设计控制策略之间的平衡。

4.2混合推进的应用

混合动力和推进系统的典型应用是海军护卫舰和驱逐舰[67,68]，拖曳船[69]和近海船[8,9]。Castle和Bendre[67]描述了基于规则控制的美国海军DDG51级混合推进系统的经济效益。美国海军使用燃气轮机作为主要动力，也用于船舶发电机。燃气轮机低负荷比油耗很差，比柴油发动机差很多。相比燃气轮机，混合动力推进可以显著节省燃料。Sulligoi等人[68]讨论了意大利海军FREMM护卫舰配置柴油发电机和斯普林特燃气涡轮主发动机。然而，他们没有讨论经济利益。Wijsmuller和Hasselaar[69]比较了用于应急拖船的多种混合推进结构的经济效益。根据这艘船的运行情况，在90%的运行时间内，发动机功率为20%或更少。对于给定的操作剖面，最经济的配置是混合推进，每个轴上有一个大的和小的发动机，有效地支持中等巡逻

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[237446]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word