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船舶动力装置系统模拟器
摘要：现代船舶电动的动力装置有许多的系统。这些系统的相互作用和整合对于研究系统的效用是至关重要的。特别是考虑到故障的情节、恶劣天气和复杂的海洋运行时这些系统的研究尤其重要。本文提出了一个结合定位系统和电力系统的运动模拟器进行分别研究，作为海洋系统模拟器MATLAB / Simulink库的扩展。并给出了预期的用例和相应的设计选择。新的子系统模型包括功率基础的电子总线模型，以及对已建立的模型进行仿真验证。此外，对发电机、蓄电装置、推进器和柴油机模型建立的平均值进行了总结，并提供了丰富的参考。三个案例研究表明了多领域的模拟器的应用：1）半潜式钻井平台在环境干扰下进行持续工作；2）用电力动力装置重新配置的同一船舶; 3）具有混合动力装置的供应船。
关键字：船舶技术，船舶动力装置，动力系统仿真，动态定位。
引言：
一、船上的电气系统
船载的电力系统对于进行高级操作的大多数现代船舶至关重要。柴油-电力推进系统在海上石油开采船和天然气船以及具有动态定位（DP）的巡航/客船中很常见。
根据水流、波浪和风荷载进行持续工作和操纵的能力取决于发电厂的容量。电量不足可能导致DP性能下降和位置丢失。更严重的是完全电力损失导致失去对船舶的控制， 即停电。
合理分布功率容量以及使发电机组数量产生冗余可以减轻电力系统故障的风险。但是，使发电机组数量冗余的费用是昂贵的。经济费用在设备投资方面都很重要，而且冗余的发电机组大部分时间都不需要运转的，但机器运行会导致更频繁的维护，同时还会增加的排放和燃料消耗。
上述问题促使新电厂控制策略的发展和新电源的引入。由于船上发电厂有复杂但强烈的互联性以及是弱电网的特点，即对产生和消耗的电力的变化敏感。数值模拟是在设计、实施和操作等所有阶段研究这种影响的有价值的工具，这些步骤并非无足轻重。
二、之前做的准备工作
目前存在许多海洋电厂模拟解决方案。预期用途的范围从商业到学术，以及从一些状态方程到完整软件套件的内容。选择如下：
Marine Cybernetics的Cyber Sea技术平台包含流体动力学，电子力学和传感器模型。它用于独立的在环（HIL）测试和动态能力分析（DynCap）的硬件。
美国海军研究所的电子船研究与开发联盟研究包括HIL模拟器，高等级模型以及混合动力的扩展。
海洋系统模拟器（MSS）用于MATLAB / Simulink的库和模拟器是于2004年合并的：海洋GNC工具箱，MCSim 和DCMV。它具有船舶动力学、环境（波浪，表面海流和风）载荷和先进的推进器模型。
DNV GL的Sesame Marine风险管理软件包括Marintek的海洋操作模拟（SIMO）运动和站点保持模拟器。该系统能够对多体系统和灵活系统进行建模。
意大利综合电厂船舶模拟器包括在Simulink环境中实施的集成电力系统模型。
NTNU模型包括推进器功耗和电源管理系统功能。
NTNU键合图模型库包括容器模型。该库也通过全面实验进行了验证。
一些解决方案主要关注电气系统而不关心实际DP性能和相关消耗，而其他解决方案则相反。
三、系统模拟器的设计
本文介绍的模拟器是一个系统模拟器。这意味着目的是模拟整个系统的每个子系统之间的交互，并且它应该是灵活的，这样可以研究许多不同的情况。模块化设计实现了这一点。
模拟器的用例将决定我们建模和参数化所需的动态。在这样的多物理场模拟器中，动态的最小和最大时间尺度的大小差异可能是几十年。因此，必须确定特定研究的重要时间表。
在电气系统中，容器的最小时间尺度为毫秒级。另一方面，诸如磨损影响的静态研究大约是数月和数年。为了模拟短路，必须对快速动力学进行建模，同时可以假设环境和磨损的影响是恒定的。另一方面，当模拟DP操作时，可以假设电气系统处于稳定状态，因为电气系统的时间尺度远小于船舶运动的时间尺度。图1列出了模拟器组件的时间尺度。对于某些组件，不应进行模型缩减，如后面各章节所述。
图1 模拟器中的组件列表及其时间范围。
系统模拟器的复杂性随着组件数量和质量水平的增长而增长。通过提高硬度水平，需要更多具有更高阶模型结构的参数，以及更彻底的验证和验证。此外，通常会降低计算速度。 对于需要高质量水平的研究，并不是所有的子模型都需要高质量，只要模型减少得到正确和小心的完成。通过使用模块化设计，很容易使用低质量模型来识别需要更高的质量。然后可以用高精度模型替换这些模型。
由于高复杂性，验证对系统模拟器而言具有挑战性。每个子模型都可以自行验证，但这并不能验证它们的集成。小规模或全规模测试可用于验证，但这是昂贵且耗时的。在许多情况下，拥有一组训练有素的操作员的经验是验证预期系统级性能的最实用方法。
四、应用实例
该模拟器已被用于多项研究，考虑了DP与柴油-电力推进和消费者，如船舶负载和钻井，压缩机和泵的电机。
以下是一些典型用例：
实际功耗分布：由于DP控制器和推进器模型与发电厂互连，因此功率负载波动以实际方式表示。包括许多控制子系统之间的相互作用，如PMS、推力分配、推进器扭矩或速度控制。因此，模拟器可用于生成时间序列，以供稍后在隔离子系统模拟（例如，柴油发动机模拟）中使用。
故障后果分析：可以模拟发生电气故障时的设备行为，例如发电机组的损失。由此产生的DP性能也是可用的。这可以改进传统的能力分析，其是在推进系统处于稳态的情况下计算的。实际上，系统重建过程中的瞬变可能是至关重要的。
操作优化：详细的建模级别包括每个子模块的许多状态，例如温度和功率输出。基于这些，可以在排放，维护或燃料消耗方面优化操作。
概念评估：代表新子系统（如能量存储设备（ESD））的子模块可以连接到模拟器。这允许调查新的电源及其对船舶电厂的整体控制和性能的影响。
必须强调的是，模拟器不仅限于柴油-电力推进，也不限于DP操作。
五、贡献
本文重点介绍电力系统集成模拟器所需的模型和方法，以及包括DP系统在内的船舶运动。其次，建立并验证了一些新模型以实现所需的硬度水平和性能。大多数模型都是文献中的验证模型。模拟器的范围从高级控制系统（例如定位系统和电源管理系统（PMS））到发电机、存储器和动力机械（例如发电机组，电池和推进器）的高精度模型。由于系统的复杂性，模拟器的精度仅在定性上得到验证。电厂的定量验证仍在进行中，并且被认为超出了本文的范围。
本文是的扩展，包括模型的更多细节。此外，还介绍了新模型和新案例的验证。
六、论文概述
本文由三部分组成，模型在第一部分中介绍，新模型在第二部分中进行了验证，模拟在第三部分中进行了说明。建模部分首先概述模拟器，然后是电源管理系统的详细信息。然后使用配电盘和发电机呈现电气部件。接下来，介绍两种型号的柴油发动机，其次是推进器型号。最后介绍了船舶的水动力模型，环境力和DP控制系统。在第二部分中，介绍了电动公交车模型和简化柴油发动机模型的验证。在最后一部分中，在使用电池进行模拟之前，在DP操作中模拟钻机，然后显示故障模拟。
I．建模（建立模型）
A．模拟器概述
模拟器的主要假设是：
稳态电子系统：假设电力系统处于稳定状态，这样做是为了获得实时能力。模拟器以时间缩放至1秒捕获动态。然而，电气系统的动态通常以毫秒为单位，因此假设处于稳定状态。这在第II-A节中得到了验证。模拟的电气变量是频率、电压、有用功率和无用功率。因此，可以模拟故障，例如低频/过频、慢速发展/过电压故障和逆变器。然而，模拟相位不平衡、瞬态电压故障、短路和谐波失真是不可能的。
平均值发动机模型：柴油发动机由平均值发动机模型建模。这意味着柴油发动机系统中的大多数部件基于物理定律在数学上建模。然而，缸内处理可以提供非常规的输出平均输出扭矩，以及燃烧气体的质量和能量流量。
电源管理系统：PMS的目标是确保电厂安全高效。更多细节在第I-B节中给出。
保护继电器：保护继电器未建模，因为断路器可能被定时器触发。这意味着需要进行一些包括模拟局部停电的一些包括保护措施的重新保护。或者，后处理可用于检测何时应打开断路器。
固定螺距、变速推进器：假定推进器是固定螺距螺旋桨，可以以可变速度运行。可以模拟可以在任何方向上旋转的推进器，方位推进器和固定方向推进器（例如，隧道推进器）。
面向对象的建模结构已被用于模拟船舶发电厂。这意味着模拟器中的每个块表示容器中的物理组件，并且其他子系统块表示较大系统的内部物理组件。
图2中示出了该视图的示例。该视图表示用于运动控制的信息流.ADP控制器已经在该示例中使用。或者，可以在运输，机动或其他没有DP控制的操作期间手动给出这些点的推进器。
图2 顶层视图示例，包括容器模型、观察器、DP控制器、推力分配和电气系统。 电气系统在图3中进一步示出。中央块用于常见计算。
图3 发电厂视图示例，包括母线断路器、推进器、发电机组和其他负载块。 该电厂用于第III节中的钻机仿真。
对于这种情况，视图包含
1）观察员：根据测量结果估算船舶的位置和速度。
2）DP控制系统：计算所需的推力命令。
3）推力分配（TA）：将所需的船舶推力指令转换为每个推进器的推力指令。
4）带推进器模型的电气系统：将推力指令转换为实际推力和电力消耗。
5）环境模型：为环境生成实际负载。
6）容器模型：计算出推进器和环境负荷的情况。
7）中央处理器：此块用于常见计算。
电力系统是在电力系统内部建模的。图3所示的电力设备示例包括：
1）发电机组：由变速器（例如柴油发动机）、发电机、调速器和自动电压调节器（AVR）组成。
2）推进器驱动器：由变频器、电动机、螺旋桨和控制器组成。
3）其他组成部分：这可以是酒店和钻井负载，其被建模为功耗的时间序列。然而，该块也可以用于能量存储，例如具有频率转换器的电池。当它消耗能量时，负载能够阻挡力和积极性。
4）配电盘：接负载和发电机。
5）断路器：连接和断开组件。
选择Simulink是为了扩展MSS工具箱，包括更好的推进器模型和电厂。选择Simulink的缺点是互连建模。该系统难以划分为Simulink子系统架构所要求的水平。在船舶控制系统中，电力系统是系统的视图，并且它是模拟单线图的系统。 在案例研究中，硬求解器ode15s用作数值求解器，因为局部控制器给出了刚性模型。
一些第一级低通滤波器用于避免代数环路，其中滤波器的时间常数选择为小于相关模型的最快动态。这是必要的，因为我们忽略了一些快速动态。因此，过滤器可以被视为被忽略的动力学的简化模型，是可用的信号。由于可用功率取决于功耗，因此发生代数环路，而可用功率也限制功耗。这可以通过在可用功率信号上添加低通滤波器来解决，这比消费者的时间尺度更快。或者，可以使用离散时间和这些信号的延迟，但这会降低所选隐式解算器的性能。
B．电力管理系统
PMS的目标是确保始终有足够的电力来防止停电。如果发生停电，应尽快恢复供电。 当连接的生产商的过剩电力容量太低时，PMS