摘 要
为了满足船舶越来越高的电力需求，提高船舶的经济性，合理的分配全船各系统的能量，成为了船舶动力系统发展的未来趋势，而在船舶上使用新型能源则被认为是绿色船舶发展的革新技术，然而作为混合动力系统，若将太阳能，风能以及燃料电池等能源运用于船舶混合动力系统中势必会带来各种各样的问题，例如太阳能和风能受环境影响巨大，若不能对其进行有效控制则将导致电网系统不稳，燃料电池则具有较差的动态性能而且并无储能能力需要由相应的动态性能较好的储能装置与其配合使用，因此为了紧密联系各个单元减小故障，扩大效益，均衡各个能源与储能单元间的特性，有效的能源管理系统PMS至关重要。本文的研究重点在于各种不同的基础能量管理系统之间的性能比较，以船舶电力推进系统为研究对象，不会涉及到太阳能，风能等清洁能源技术。主要在于船舶发电机的配置，通过对于不同策略的比较，得出目前最具性价比的管理策略。
关键词：控制策略，电力推进，功率分配，MATLAB建模
1 绪论
1.1 研究的背景与意义
1.1.1 研究背景
现如今，随着现代化发展的深入，船舶的现代化与自动化程度越来越高，船舶也开始广泛的使用电力推进系统，电力推进的使用最早可以追溯至100多年前，电力推进装置的出现也满足了经济效益，减少污染等方面的要求，当然，电力推进系统真正的适用于船舶还是在上世纪八九十年代的事情，这也得归功于变速可控电力马达的出现，在成本上电力系统具有了实际意义上的优势，随着时间的推进，海洋运输类的船舶使用电力推进系统的与装置的越来越多，电力推进的技术也趋紧于成熟[1]。
相对于传统的用柴油机直接带动螺旋桨推进的方式，电力推进系统具有众多的优点，尤其在于其具有灵活的机组配置与布置，拥有更好的安全性能和排放特性，必将成为船舶的主流推进方式。
目前，国外的PMS能量管理系统发展已基本成熟，有着各种稳定且可靠的产品应用于各个大型海洋运输类船舶，这些国内外的能量管理技术大多属于计算机网络型分布式PMS，而国内相对于国外的研究，还是有着明显的差距。
1.1.2 研究意义
现在整个行业对于船舶的性能和效率有了更高的要求，特别是在由于电力系统容量的增加以及如今国际上对于船舶排放的严格要求，对于系统的安全性和船舶的环保性的要求越来越高，这也反映出一般意义上的船舶电力系统已经无法满足现在的电力推进系统的发展需要。
拥有一个PMS能量管理系统明显能够提高电力推进系统的经济性与安全稳定性，一个优秀的PMS可以通过实现发电自动化，系统监测报警的等功能，通过综合工况进行整体考虑对发电机组供电，以及负载的控制管理优化船舶电力的可靠性，稳定性，为现代的船舶提供了更加安全经济的能源。从发电到用电优化配置，实现燃油最优消耗率，减少设备之间的磨损。因此，一个拥有着PMS能量管理系统的大型电力系统是现如今电力推进发展的大势所趋[2]。
能量管理系统发展至今市面上已经具有了多种能量管理控制策略，在如此众多的PMS技术中，如何选择最适合船舶的能量管理系统是一个值得研究的课题，本文会对于船舶的能量管理系统进行简单的阐述，并对现如今常用的几种能量管理系统进行建模分析和比较，从中比较出各方法的区别与优劣。
1.2 船舶电力推进系统的概述与发展
所谓的电力推进系统定义上指的是区别于用柴油机或燃气轮机直接带动螺旋桨推进的方式，改而通过使用直流电动机，交流电动机或者永磁电机来带动船舶的螺旋桨等推进器来驱动船舶的运动。
1.2.1 综合电力系统IPS
综合电力推进装置进一步发展成了综合电力系统，早期的综合电力推进装置主要分为三个部分，发电部分，推进部分和船用辅助电源，随着技术的发展，船舶的自动化程度越来越高，船舶对于电力的需求逐渐增大，传统的综合电力推进装置逐渐被跟不上时代，为满足现在及未来的船舶发展需要，引进了IPS的概念，对比传统的三个部分[3]，IPS具有更多更细化的模块，包含发电，配电，变电，负载等，按照系统划分则可大致分为发电系统，输电系统，推进系统，区域变配电系统和能量管理系统。综合电力系统IPS见图1.1，如今的综合电力系统的具有通用性和简易性，使用寿命被延长，噪声与油耗更低，具有更高的性能和更低的成本，便于综合管理。而本文所研究的PMS可认为是IPS的组成部分[4]。
1.2.2 船舶电力推进系统的发展
前文中提到，最早的电力推进系统可以追溯到100多年以前，而运用于船舶上是上世纪的八九十年代，此时欧美国家对于相关的技术发展都制定了不同的战略研究计划，现如今，船舶的电力推进系统已经广泛的应用于各大海洋运输船舶中，进入了发展成熟期，西方国家对于船舶电力推进系统的研究可以根据IPS分系统的特点划分为两代[5]，目前，欧美国家重点在于对二代技术的探索和研究，放眼于如今西方的研究成果，无论是英美还是荷兰，船舶地的主要能量形态都为电能，都选择将电力系统和推进动力系统相结合，为对于这样的一个综合电力系统，推进能量将占比巨大，而不同的电源与负载之间也会同时起到相互影响的作用，此时便凸显出能量管理进行负载分配，运行控制的重要性。
1.3 能量管理系统
1.3.1 能量管理系统现状
船舶的能量管理系统PMS由陆地电网PMS发展而来，是针对IPS船舶的实际需求而产生的，传统的机械推进船舶的能量管理只分析网路上的电流，频率等参数的状况，只考虑有限数量的用电设备及其控制，且有船舶作员手动进行管理，目前建立的综合推进船舶PMS在传统电站的基础上增加许多高级功能，不仅对船舶的效率进行管理，还对能量的产生，转换，传递及分配等环节进行控制，根据以往功率的消耗情况及未来需求对功率进行监测和控制，同时，与推进系统，IPS和动力定位系统等形成一个综合元素。随着功能的不断增多，当前的PMS被称为EMS或PEMS[6]。
能量管理系统作为未来船舶研究的核心领域之一，由于船舶具有多种负荷，负载的变化较大容易对船舶电力系统造成影响等特点，PMS的出现有助于船舶实现能量的优化管理，船舶的能量管理系统需要对船舶的整体特性进行综合考虑，其中包括发电机特性，柴油机特性，电网特性，以及对于船舶可能遭遇的突发情况的反馈处理[7]，由于海洋船舶运输的特殊性，船船舶的工作经常处于恶劣的环境条件下，因此，船舶的能量管理系统更多在于复杂的动态情况下进行考虑。
1.3.2 能量管理系统的功能描述
基于柴油机的最佳运行条件为其最大连续出力的85%，能量管理系统需要使柴油机长时间在高负荷的情况下运行，为了满足负载的功率要求，提高柴油机的性能与经济性，PMS需要控制发电机并入电网的台数，但柴油机在长时间高负荷的运行情况下，很有可能导致故障的发生，若出现某一台发电机停止运行，负载的突然变化将会导致其余发电机过载，进而导致全船失电的情况发生，造成损失。因此能量管理系统也应具有故障保护功能，对于能量管理系统的要求也就主要包括电网的失电监测与恢复，发电机组的启动与停车，功率的限制功能，以及卸载功能，重载启动的询问功能和发电机组的自动投入和调频调载功能。
由于现在的船舶在考虑到安全性和可靠性之余，更多的开始关注到经济性[8]，制定控制策略的重点在于如何最大限度的利用燃油，通过船舶的运行条件，各发电机的优化功率，不同的管理策略会对燃油利用率，以及船舶性能产生很大的影响。因此现如今的船舶能量控制策略发展可大致总结为以下几点。
（1）如今的能量系统已经不单纯的满足于优化柴油机的工作区域，而是对于整个的船舶电力与动力系统进行综合分析，如何对于整个船舶的电力系统进行效率优化，同时解决防止失电的问题，考虑负载限制，提高船舶性能。
（2）业界同时开始分析研究混合动力的控制方法，在不同的环境下使用不同的燃油，提高船舶的经济性和环保性以满足如今的排放要求，由于混合动力型船舶采用了不同的发电单元[9]，对于能量管理控制也有了更高的要求。对于使用混合电力推进船舶，为了克服使用单一能源的局限性，开始使用多种能量管理策略。
现在的能量管理系统是综合电力系统的重要组成部分，如何最大化防失电能力，提高燃油的利用率，减少维修的成本，降低故障率，通过能量管理系统最大化发挥船舶的性能是热门的研究方向[10]。
2 电力推进系统
2.1 电力推进系统组成
典型的电力推进船舶大致可分为发电系统，配电输电系统，推进系统[11]如下图2.1所示。发电机原动机的选择一般为将柴油机作为原动机来驱动发电机组对电网供电，区域配电系统将发电系统所提供的电能分配用于推进器和各处的配电板，配电板在将电能进一步细化供给给船舶各处的辅机装置以及应用于生活用电。下面将依次对各个组成系统进行分析：
2.1.1 发电系统
发电系统的布置具有很大的多样性，除去上文所说的以原动机带动发电机组的形式外，还包括以电动机带动发电机，蓄电池等多种多样的形式，当然，目前的船舶多半仍采用原动机带动发电机的形式产生电力以向电网供电，
现如今的电力推进系统一般使用中等压力的直流供电为全船提供动力，原动机主要以柴油机和燃气轮机为主，动力源一般会使用全燃气轮机或者一半燃气轮机和一半柴油机即在小负荷时会使用中高速度的柴油机，在大负荷时则换用燃气轮机。本文所仿真的船舶将采用的原动力不涉及混合动力，由柴油机作为原动机。
2.1.2 配电输电系统
配电单元和输电单元组成了配电输电系统，其中输电单元为全船所有输电电缆及其结构所组成的电网，该电网可以将电能传输给全船的各个用电设备整个电网设施按照功能可以分为动力电网和照明电网等。
配电单元一般由各种电气设备依据一定要求组合而成，是将由发电系统所传出的电能进行统一管理并根据管理策略向各负载分配能量的自动化配电装置，船舶对发电系统所产生能量的控制，分配，管理都需要由配电单元完成，向用电负载输送电能并提供过压过载保护，依据功能划分，配电单元可以分为主配电板，应急电板，岸电箱等装置。
2.1.3 负载系统
负载系统中主要为推进负载，这部分负载使用了大部分电能，是能量的主要消耗，而除此之外的小部分能量则在照明，导航等其它用电负载中被消耗，一般来说，推进负载的由三部分组成，分别是推进变频器，推进电机和螺旋桨。变频器可以转换电源频率，以用以控制和调整推进电机的转速，现如今有可以同时应用于交流和直流的脉宽调制变频器，推进电机则是电力推进船舶的动力驱动设备，在控制系统中属于被控对象随着历史的发展和科技的进步，推进电机也从最开始的直流电机发展到交流电机整流驱动，当然在如今的市场上，直流电机由于其良好的技术性能仍在大范围的应用，而交流电机可以解决功率不够高的问题如今也越发受到业界的重视。螺旋桨是最终将电能转换为机械能，推动船舶前进的装置，它在电力推进系统中由电机带动旋转，而不是传统中直接由原动机带动[14]，这样做的好处是更加灵活便利，也有利于效率的提高。
2.2 电力系统特点
电力推进系统相对于传统机械推进系统来说有以下几个特点：
设计更加灵活多变，系统在更加紧密的联系下拥有更高的运行效率。能有更多的数字化与自动化控制，减少人工成本与人工操作。
在拥有充足的动力源的情况下，综合电力系统可以根据需要使用电机组，需要较少的发动机，由于电力推进各个负载都有相应的原动机提供动力，有效的提高了船舶的控制效率，提高了操作性。
电力推进系统的布置更加灵活多变，且电力驱动时不存在机械连接，可以有效的降低噪声，提优化工作环境。原动机不在直接与推进螺旋桨直连，节省了大部分空间，更利于合理分配空间。
能量管理策略可以认为是能量管理系统PMS的核心内容，能同时优化控制能量的转换与传输，在综合电力船舶使用混合动力系统时，能量管理策略可以用来解决大规模非线性及约束条件优化的问题，对能量流进行合理分配。不同的能量管理策略之间居于很大的区别，不同的能量管理策略会对燃油的经济性和电源的动态特性产生很大的影响。根据现在的业界情况，能量管理策略可大致分为三种，基于规则的能量管理策略，基于优化控制的能量管理策略以及基于智能控制算法的能量管理策略。
3 船舶电力推进系统能量管理系统PMS研究
3.1 能量管理系统PMS功能与要求
船舶PMS由陆地大电网PMS发展而来伴随着船舶的自动化程度程度的不断提高，电力推进系统船舶的功率容量不断增大，针对PMS系统的要求也不断的提高，船舶的电力系统越发复杂庞大，因而为了保证全船的用电，目前的PMS既包括了对发电机组的控制与管控，也包含了对推进负载的监测与管理，用以满足船舶的实际应用情况，目前的能量管理系统主要需满足安全可靠于经济性方面的要求。能量管理的优化关系见图3.1。
由于PMS是基于电力推进系统的要求而设计，因此其功能也与电力推进系统相对应，基于功能可大致将PMS归为如下几类：
（1）发电管理：对发电电压与频率进行监控，通过其数据的变化进而控制整个发电系统，集成了发电机组的监测，控制与安全系统，其中的主要功能包括根据负荷的情况来决定发电机的启停，监测发电机有功负荷和无功负荷的分配比例以及通过预报警系统防止原动机的突然停机。
（2）负载管理：监测系统的可用功率，协调系统的功率限制功能，PMS对推进设备及其它大功率用电设备进行启动联锁和功率限制。其功能主要包括进行负载的限制，对推进负载需求的响应以及重载询问，在功率不足的情况下，自行启动发电机组，保证功率。
（3）配电管理：根据船舶实际情况与操作的要求控制配电系统的配置和序列，通过管理母线线路的切断与链接，由实际情况隔离分段线路，例如在故障发生时，快速短路，断开母联开关，隔离故障，保证了系统的运行安全。
3.2 PMS总体结构特点与设计要点
3.2.1 PMS结构特点
根据PMS的主要功能，电力推进船舶的能量管理系统需要实现对于船舶电力系统稳定可靠的自动控制，保障船舶拥有稳定的电力供应，在出现系统故障时，能及时反应并发出故障信号，记录故障信息以便接下来的维护与故障维修。因此PMS主要可依据功能设计为上机位的监控显示和下机位控制。
因此在PMS的上机位中需要拥有一个足够友好的交互界面可供操作人员使用，操作人员可通过交互界面准确的认识电站系统信息，此信息是由下机位通过电气连接对发电机组，电网和负载进行监测并发出的，而上机位操作人员识别信息之后可以通过交互界面发出控制指令，然后通过下机位的PLC程序实现对系统的控制，经典的硬件配置见图3.2。
3.2.2 PMS设计要点
在现如今的PMS能量管理系统中，首先，由于PLC控制系统的优越性，抗干扰能力强，可靠性相对单片机，继电器等控制系统高的多，PMS一般会选择PLC控制器。
系统多采用分布式能量管理系统结构使用以态网路，根据上机位的功能，操作人员需要通过上机位了解系统的各项信息内容，了解PMS的运行状况，并给出相应的控制指令，上机位需为操作人员提供友好交互界面作为窗口监视船舶电力系统，因此PMS上层一般时由计算机和服务器所组成，会根据系统的性能与安全进行综合考虑。
下层则使用CAN等现场总线技术，由多个总线区域网组成下层冗余网，此举可将PLC与各种电气设备相连，此时上层通过网口与下层通信，由中央控制中心实现能量优化分析与信息处理，分区的管理站对所在区域进行监控。
系统一般以PLC控制器为核心，整个控制过程可以概述为下机位的PLC程序会监测并获取发电机，电网总线的信息，作为控制系统的输入信号，通过传感器等控制环节传输给PLC，PLC将信息再次传输至上机位，由上机位监控系统的运行，在上机位的操作人员给出控制指令以后，会相应的调取PLC模块实现对整个电气系统硬件多得多控制。
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