Модель судовой энергетической установки

Дизель-аккумуляторная судовая энергетическая установка: управление моментом гребного винта

В данном примере представлена мультидоменная физическая 1-D модель судовой энергетической установки, объединяющая дизель-генераторную установку, аккумуляторную батарею, силовую электронику и синхронный двигатель с постоянными магнитами (СДПМ), приводящий в движение гребной винт.

Модель позволяет исследовать взаимосвязанные электрические, электромеханические и гидродинамические процессы при разгоне и маневрировании судна, а также отрабатывать алгоритмы управления энергетической установкой и моментом гребного винта.

Возможности модели

1. Проверка алгоритмов совместного управления ДГУ и аккумуляторной батареей
   Исследование режимов разгона и маневрирования судна с распределением мощности между дизель-генератором и накопителем энергии.

2. Оценка топливной эффективности
   Анализ влияния аккумуляторной батареи на режим работы дизеля и оценка потенциального снижения расхода топлива за счет использования накопленной энергии в переходных режимах.

3. Настройка закона управления моментом гребного винта
   Исследование динамики системы при различных параметрах регуляторов и заданных законах изменения момента, скорости вращения и мощности СДПМ.

4. Исследование электромагнитных переходных процессов
   Расчет поведения электрооборудования при коротких замыканиях, сбросах и набросах нагрузки, изменениях режима питания и других аварийных воздействиях.

5. Исследование динамики разгона гребного винта и судна
   Учет механической инерции привода, присоединенных масс, момента сопротивления гребного винта, скорости течения, волнового сопротивления и других гидродинамических факторов.

Введение

Современные суда представляют собой сложные технические системы, в которых механическая и электрическая части тесно связаны между собой. Рост требований к энергоэффективности, маневренности и надежности судовых энергетических установок приводит к широкому применению дизель-электрических комплексов, аккумуляторных систем накопления энергии и регулируемых электроприводов.

Описание модели

• Две ДГУ по 3 МВт — основные источники генерации;

• СНЭ 3 МВт — компенсация пиковых нагрузок;

• Базовая нагрузка 0,5 МВА;

• Коммутируемая нагрузка 1,5 МВА;

• Коммутируемая нагрузка на DC-шине;

• Кабельные линии 10,5 кВ;

• Преобразовательный комплекс — выпрямитель и инвертор;

• СДПМ — электропривод гребного винта;

• Гребной винт — механическая нагрузка привода;

• Масса судна — учитывается при моделировании динамики разгона;

• Модель течения — учитывает влияние скорости набегающего потока на режим работы гребного винта.

Описание модели ДГУ

Модель ДГУ представлена в виде генератора в фазных координатах, модели дизельного двигателя с регулятором скорости, АРВ-М и возбудителя:

Описание модели СНЭ

Обобщенная модель СНЭ в составе судовой энергетической установки выглядит следующим образом:

Описание модели электропривода гребного винта

Модель электропривода включает инвертор, систему управления, СДПМ, механическую передачу, гребной винт и модель движения судна.

Электрическая часть

Управление СДПМ реализовано на основе векторного dq-управления. Заданный момент преобразуется в управляющие воздействия по продольной и поперечной составляющим тока. В контурах регулирования используются ПИ-регуляторы, формирующие требуемые управляющие напряжения. Далее выполняется генерация ШИМ-сигналов, поступающих на силовой инвертор DC/AC. Инвертор формирует трехфазное напряжение для питания СДПМ и обеспечивает регулирование его электромагнитного момента и скорости вращения.

Вращательная и поступательная механика

Механическая часть модели учитывает инерцию ротора и гребного винта, демпфирование подшипников и механическую нагрузку винта.

Гребной винт связан с моделью движения судна. При его вращении формируется тяговое усилие, обеспечивающее движение судна. В модели также учитывается скорость потока воды, которая определяет относительную скорость набегающего потока на гребной винт и, соответственно, влияет на создаваемую винтом тягу и момент сопротивления.

Блок Ship Resistance рассчитывает встречное сопротивление движению судна. В зависимости от скорости судна определяется сила сопротивления воды, направленная против движения. Это усилие формирует дополнительную механическую нагрузку на движительную установку и непосредственно влияет на динамику разгона и установившуюся скорость судна.

Результаты симуляции

0 - 20 с — тестирование сглаживания нагрузки на ДГУ с помощью СНЭ при набросе-сбросе AC нагрузки;

20–40 с — тестирование работы ДГУ при переменной нагрузке на DC-шине;

40–100 с — исследование работы электропривода при разгоне и торможении судна.

График мощности:

По графику видно что на первом промежутке моделирования СНЭ эффективно сглаживает скачки AC-нагрузки. На втором этапе моделирования при скачках DC-нагрузки СНЭ не реагирует, ДГУ берет нагрузку на себя. На 30 секунде происходит пуск СДПМ, судно разгоняется.

График скорости судна:

До 30 секунды судно сносит течением, скорость отрицательная.

График скорости вращения гребного винта:

На графике показ сигнал скорости вращения СДПМ.

График момента СДПМ:

На графике показы два сигнала: фактический момент и референсного момент.

График мощности потребляемой СДПМ:

На графике показаны сигнала активной и реактивной мощности потребляемой СДПМ.

График суммарного расхода топлива ДГУ 1 и 2:

На графике показаны сигналы суммарного расхода топлива каждой ДГУ. За 100 секунд моделирования ДГУ расходует ~1,5 литра дизельного тоалпива.

Выводы

Разработана цифровая модель судовой энергетической установки на базе ДГУ и СНЭ с гребным приводом СДПМ. По результатам симуляции видно, что модель отражает электромеханические процессы, механику судна и гидродинамику для тестирования переходных режимов и настройки автоматического регулирования.