利用轴发电机改善船舶效率外文翻译资料

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利用轴发电机改善船舶效率

摘 要：轴发电机（SG）系统长期以来被利用，因为它们存在几个吸引人的优势。 这种类型的发电机安装在主推进式柴油发动机的轴上，同时如果使用合适的电力电子装置，它们能够作为推进发动机升压装置运行。 在本文中，作出了与船舶运行优化相关的船舶电力系统效率提升中轴发电机作用的综合分析。 特别提到SG与电力管理系统的相互依赖，因为它们改变了推进发动机和发电机的操作点，影响了最佳工作点。

关键词：效率 更多电动船 轴带发电机

1. 简介

轴发电机（SG）系统已经被长期利用，因为它们比其对手即辅助发电机具有吸引力的优点。 这些优点中最重要的是以下^[1-3]：

（a）由于轴发电机系统可联接到主发动机，所以使用比柴油燃料便宜的燃料（即重质燃料油或天然气）生产电力。

（b）轴发电机的噪声水平被证明比传统发电机组的四冲程高速内燃机作为原动机的发动机（通常是柴油发电机）要低。

（c）电厂的总体空间要求低于仅使用辅助发电机时的要求。

（d）他们的生命被证明比辅机的寿命长。

（e）它们被证明具有比辅机更高的可靠性指标。

另一方面，在二十多年的运营中，已经有几个缺点被注意到了。 下面列举其中的一些缺点：

1.在几个不大多数情况下，很难在港口获得电力。

2.额外的主机负载改变了用于推进的主机的工作点

3.性能低下。

4.在大多数常见配置中，辅助发电机无并联运行

5.更高的复杂性，因为需要许多机械和电气部件。

轴发电机系统可以在远距离运输的船舶和大量货物中特别利用，其中与发电机运行相对应的船舶性能指标比对应于柴油发电机的船舶性能指标更具吸引力。在任何情况下，SG系统的运行应由适当开发的现代电力管理系统（PMS）进行控制，以适应船舶运行模式以及应满足的技术和环境限制的所有当前需求和趋势。现有的船舶，特别是过去十年建造的船舶，拥有足够的PMS，为所有设备提供在线监控和中央控制。然而，关于节能和环保运营的某些方面并不总是纳入。

在下列会议中，针对提供船舶效率的一般背景，以及采用的量化相对指标，从船舶效率角度对轴发电机的新观点进行开发，最后提到了一个针对上述指示的案例研究。

1. 背景：船舶效率

根据国际海事组织IMO的政策，船舶效率将通过以下指标进行定量评估^[4-6]：

-能效设计指标（EEDI）

-能效设计指数（EEOI）

它们都表达了每艘船容量和/或运输工作的CO₂，EEDI指数针对新船，而EEOI指数是现有的。二氧化碳的生产主要是由于主推进发动机和作为发电机原动机的辅助发动机的运行。更有效的船舶趋势是致力于调查将所有能源子系统（包括发电机组）转变为更有效率的动力。在许多情况下，涉及绿色电力技术的这项政策总结为“尽最大努力解决任何技术问题”。此外，船舶系统的广泛电气化，包括推进，已经成为一个非常有吸引力的替代方案，因为船舶电气化程度越高，效率越高。这个概念通常被术语“全电动船”（AES）描述，并且对于船东来说，这种概念不断变得越来越有吸引力。因此，AES系统的优化操作的检查正在变得非常有趣。

所提及的两个指标EEDI和EEOI均表示每艘船的生产能力和/或运输工作。 应注意的是，EEDI配方仅限于散货船，油轮，集装箱，船舶和RoRo船舶，而不包括包含全电动推进系统的船舶。也考虑到全电动推进船的影响^[7,8]。 该指数的另一个主要缺点是它只考虑一个操作条件（假定在额定安装推进功率的75％下运行），并不是为了准确计算船舶使用寿命期间的温室气体排放。 相反，EEOI指数就如此，被开发的更适合于在其使用寿命期间代表船舶气体排放，如果适当修改，可以容易地包括具有全电动推进的船舶。

1. 轴类发电机的新视角开发：从船舶效率的角度
2. 调查发电机系统在欧洲MARINELIVE项目中的作用

MARINELIVE是一个欧洲资助的项目，旨在在海军学院建立海洋电气工程领域的卓越中心（CoE）雅典国立技术大学建筑与海洋工程（NAME-NTUA），以及建立欧洲“全电动船”（AES）研究与技术社区。在这个MARINELIVE框架内，研究了通过改进其电力系统（包括轴发电机）的相应性能来实现“更环保和更有效”的船舶的选择。轴发电机方案目前具有某些缺点，因为它们包括复杂的构造以便实现与常规发电机相同的性能。因此，电力电子转换器连接在发电机的下游，以便将发电机的输出频率与电网的其余部分的输出频率相匹配。此外，目前，同时配套的同步电动机也被连接起来，以提供轴发电机系统的无功功率（当前应用的电力电子转换器的技术不允许无功功率的循环）。该同步电动机作为（旋转）电容器，因此，当它无负载运行时，不会增加整体损耗。为了消除上述缺点，或许大多数可以检查几个修改/增强。 例如，在轴带发电机中安装复杂的4象限功率转换器可以消除旋转同步电容器及其所有操作和维护成本。 而且，这种四象限功率转换器将有利于轴带发电机作为轴带电动机的反向操作，该轴带电动机作为紧急推进发动机或辅助推进发动机作为升压装置。

B.PMS的作用：优化船舶电力系统的效率

PMS的概念是陆基应用中的常见做法，因此在文献中提出了几个基于岸地对应的想法。越来越多的依赖电力的现代船舶开始类似于陆基混合动力系统，意味着有几个电源，一个或多个储能系统（ESS）和各种负载和外负载。

关于船舶PMS，有几种配置正在提出^[9-12]，而由于一方面，船舶的电力系统拓扑结构仍然正在发展从传统的传统交流网络配置到多区域中压直流配置^[10]，另外还有不足的实验数据支持模拟结果。然而，在每种情况下，由于船舶电力系统的复杂性高以及不同功率模块的相互依赖性，特别是在所有电动船（AES）配置情况下，分级^[13]和分散式^[14]方案越来越受到关注。在每种情况下，现代PMS应该承担两个不同的作用：发电优化和负载管理。

首先确保电源的成本效益和高效运行，而第二个地址负载供电满意度和电力系统稳定性。 燃料消耗最小化与发电优化直接相关，并且由于排放的惩罚增加了船舶的运营成本，因此它的意义越来越大。 发电应优化考虑到以下几个方面：

1.每个电源的特殊性施加的操作限制（即标称参数，响应时间，操作特性，高负载极限）

2.影响运行和维护成本的因素（即电源开始/停止频率，额定负载以下运行）

3.与安全和负载需求相关的约束（即生成和消费之间的平衡，频率稳定性，冗余，避免停电）

因此，一个PMS应该一方面旨在最大限度地降低运行和维护成本，另一方面确保整体可靠和安全运行。 然而，上述限制和考虑因素并不总是能够准确或明确地量化。另外，关于成本的若干计算可能会根据船舶的运行状况或船员施加的具体要求而有变化。 此外，在AES的情况下，几个电源的参与，每个具有独特的操作特性和限制，进一步使优化过程复杂化。

此外，应该注意的是，在整体优化问题中还要考虑到环境保护政策所产生的限制，在本文第二节进行了分析。 在此框架内，不得超过涉及CO₂排放和船舶运输工作的EEOI指数的最大值。

因此，可以使用各种适当修改形式的EEOI，例如不等式（1）中使用的形式。

其中，FC是每千瓦时特定的燃料消耗量（gFuel / kWh），P是实际产生的功率（kW），V是船舶平均速度（kn），c是燃料克对CO排放克的转换因子（gCO₂ / g燃料），LF是船舶装载系数，i_th表示船舶发电机。 LF估计取决于被检船的类型，例如 货船或客船。显然，负载系数，船舶速度和时间的乘积代表等效的运输工作。 应该提到的是，发电优化应该并行和实时地并行运行与船舶电力系统相关的其他不同操作，如单位承诺，负载管理等。

关于负荷管理，由于船舶不在港口时，不受陆上电力系统的支持，因此有几种情况不能总是满足需求。 当发电功率不足以为系统中的所有负载供电时，只有较高优先级的负载被通电，并且一些非重要或较低优先级的负载被排出，以避免发电机过载和船舶的电力系统变得不稳定。 因此，在不能满足负载需求的情况下，为了有效地分配发电，对不同的船舶负载进行优先排序是至关重要的。 在发电优化的情况下，涉及的大量负载和现代船舶动力系统的复杂性阻碍了必须实时执行的负载管理过程。此外，必须考虑动态负载，因为它们可能会影响控制器的运行。

C.将轴发电机操作场景集成到SEEMP / PMS

轴带发电机模式：轴带发电机作为发电机运行。 产生的功率流向电网负载和/或电能节约装置（分别用于存储或电力质量改进，例如电池或超级电容器）。

轴带电动机模式：轴带机器作为电动机运行。 辅助发电机产生的功率供给轴带机器，转化为机械推进式。

为了评估轴发电机关于EEDI指数的有效性，对实际的Ro-Ro船舶情况进行了计算^[15]。 结果如表I所示。

对于两种特定场景：一种具有轴带发电机的应用，另一种不具备。 在表1中，PTO（动力起动）意味着通过轴带发电机向船舶的辅助能量网络供电，其转换了主推进发动机最初产生的机械动力。 相反，当发生PTI（电力接收）时，由发电厂产生的一部分辅助能量供给主发动机，因此被认为是主推进能量。

情况A和C是指使用轴带发电机的情况。 在情况A中，主发动机轴速度被认为受到轴带发电机运行的影响，而在情况B中，推进系统减速做补偿。

可以看出，在两种情况下都是轴带发电机CO₂排放量低于特定船舶的基准线排放量，特别是轴速度降低的情况A似乎是最有利的。 后一个结果表明，应该进一步探索轴带发电机的应用，因为它可以使得总体减排。

1. 控制设计与建模配置

轴发电机（SG）系统的控制可以分为机械和电气控制的两个主要部分：机械控制系统是指为了保持发电机的速度而使用的螺距螺旋桨控制和齿轮比控制不变。 电气控制系统是指通过功率转换器及依赖发电机的类型，控制发电机的电压，频率和有功功率。

1. 控制策略

在本文中，设计了一种绕组转子同步发电机的电子满量程转换器控制，如图1所示。

它由直流/直流升压转换器控制器（控制器1）和电网侧逆变器控制器（控制器2）组成。 电网侧控制器使用AC电压取向参考系，即d轴来控制有功电流，而q轴控制无功电流。 直流/直流升压转换器和轴式交流发电机系统中的电网侧转换器的控制基于级联的两个控制回路：一个非常快速的内部电流控制器，将电流调节到外部较慢的参考值。电源控制器在升压转换器中，电流控制器为脉冲宽度调制（PWM）控制转换器提供适当的脉冲，而在电网侧转换器中，电流控制器为d和q轴提供空间矢量调制（SVM）的参考信号。受控于电源转换器。 同步发电机的励磁电流由单独的交/直流整流器提供，并保持其参考值。

B.升压转换器控制

DC / DC升压转换器的通用控制如图1所示。 它包括两个PI控制器，其外部将有功功率调节到参考值，并参考I_L分配功率，即直流环路电流和极快速内部控制器，将直流电流调节到其参考值 。

C.电网侧逆变器控制

电网侧逆变器控制器的结构如图1所示。 d轴控制器由2个PI控制器组成，外部控制直流母线电压达到参考值，内部控制器控制更快，从而调节变频器的有效电流I_d。 很明显的是，通过将直流电路电压调节到参考值，通过控制直流电路的电流，可以容易地调节轴带发电机向电网供电的有功功率，作为有功功率P = V_dcI_L 。

q轴控制器由3个PI控制器组成。 有一个外部电压PI控制器，为轴带交流发电机系统所需的无功功率提供必要的参考值，以保持电网电压不变。 接下来，无功功率由中间PI控制器调节，为有效电流I_q提供必要的参考值，该电流由更快的PI 控制的q轴电流调节器调节。

最后，上述电网侧逆变器控制器，通过提供无功功率，有助于保持船舶电网电压不变。

D.系统配置

上述分析的SG系统在实际Ro-Ro船的电网上进行了仿真^[16]。 在特定船舶中，SG是PTO / CGR拓扑结构，没有电气控制系统。 安装机械控制系统，特别是可调桨距螺旋桨，以保持SG的速度恒定。 由于机械控制系统对外部条件（海洋，天气条件，机动）的依赖性，避免了SG和DG的并行性。 在所提出的配置中，上面分析的电气控制系统取代了SG的机械控制系统，因此后者可以与DG并联运行。 拟议的船舶动力系统如图4所示。 该船电网由三台DG，两台SG，一台变压器和电力负载组成。 电力负荷由三个主要部分组成：

1. .电机控制中心（MCC），由几种小型电机组成，例如 空气压缩机，泵，电机移动锚。
2. .弓和船尾推进器，是高功率感应电机，负责船舶操纵。
3. .低电压消耗者，如厨房，灯，空气调节器，电子设备

发电机（DG和SG），变压器，负载和电网电网的主要特点如表二所示。 螺旋桨的额定旋转速度为120 rpm，而固定比例为1:10的变速箱以1200 rpm的速度转换发电机的转速。 因此，如果螺旋桨的转速不同于120rpm，则上述的电气控制系统负责保持SG系统的频率恒定。电网有两个电压，440V，230V，额定频率为60Hz。 当船舶在海上航行时，负载仅包括MCC和低压消耗者，而推进器仅在船舶操纵时才启动。 电力系统在MATLAB/ Simulink上进行了仿真。

5 结果与讨论

在三

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