СУДОВЫЕ ГИБРИДНЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ШИНОЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Отмечается, что целью развития морского транспорта является сокращение потребления ресурсов, затрачиваемых на генерирование электроэнергии и улучшение параметров электрической сети. Направлением данного исследования является гибридизация источников генерирования и устройств накопления электрической энергии. Данная концепция основана на разделении или одновременном использовании нескольких различных источников энергии, выбор и комбинация которых предназначены для улучшения параметров энергетических систем. Подчеркивается, что подавляющее большинство современных морских судов используют системы распределения переменного тока. Однако с внедрением силовых электронных преобразователей в энергосистемы сети постоянного тока с интеграцией источников и устройств накопления электрической энергии, подключенных к распределенной шине постоянного тока, все чаще находят применение на флоте. Отмечается, что данное направление является одним из решений для минимизации расхода топлива в особенности для судов, требующих высокой степени маневренности и разнообразных рабочих циклов. В статье определены возможности судовой гибридной электроэнергетической системы. Выполнено сравнение различных архитектур данной системы. Рассмотрена блок-схема гибридной электроэнергетической системы. Приведены формулы для расчета статической нагрузки. Записаны уравнения, описывающие электромагнитные процессы асинхронного электродвигателя в качестве гребного электродвигателя. Рассмотрено устройство накопления электрической энергии. Выполнен расчет энергии, выделяемой гребным электрическим двигателем при торможении или реверсе, которая может направляться как на тормозной резистор, так и запасаться в специальных системах накопления электрической энергии. Составлена компьютерная модель рассматриваемой гибридной электроэнергетической установки на базе компьютерной программы SimInTech. Сняты графики изменения напряжения на распределенной шине постоянного тока и токов гребного электрического двигателя в процессе изменения частоты вращения гребного винта.

гребная электрическая установка, система с распределенной шиной постоянного тока, суда вспомогательного флота, устройства накопления электроэнергии

1. Hmam S. Techno-economic optimization of a supercapacitor-based energy storage unit chain: Application on the first quick charge plug-in ferry / S. Hmam, J. C. Olivier, S. Bourguet, L. Loron // Applied Energy. - 2015. - Vol. 153. - Pp. 3-14. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.04.054.

2. Dedes E. K. Assessing the potential of hybrid energy technology to reduce exhaust emissions from global shipping / E. K. Dedes, D. A. Hudson, S. R. Turnock // Energy policy. - 2012. - Vol. 40. - Pp. 204-218. DOI: 10.1016/j.enpol.2011.09.046.

3. Stevens L. Is new emission legislation stimulating the implementation of sustainable and energy-efficient maritime technologies? / L. Stevens, C. Sys, T. Vanelslander, E. Van Hassel // Research in transportation business & management. - 2015. - Vol. 17. - Pp. 14-25. DOI: 10.1016/j.rtbm.2015.10.003.

4. Романовский В. В. Использование постоянного тока в перспективных гребных электрических установках / В. В. Романовский, О. А. Зубин, А. Г. Гостев // Морское образование: традиции, реалии перспективы: мат. науч.-практ. конф. 31 марта 2015 г. - СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2015 - С. 211-215.

5. Thounthong P. Energy management of fuel cell/battery/supercapacitor hybrid power source for vehicle applications / P. Thounthong, S. Rael, B. Davat // Journal of Power Sources. - 2009. - Vol. 193. - Is. 1. - Pp. 376-385. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2008.12.120.

6. Zahedi B. Optimized efficiency of all-electric ships by dc hybrid power systems / B. Zahedi, L. E. Norum, K. B. Ludvigsen // Journal of Power Sources. - 2014. - Vol. 255. - Pp. 341-354. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.01.031.

7. Doerry N. History and the status of electric ship propulsion, integrated power systems, and future trends in the US Navy / N. Doerry, J. Amy, C. Krolick // Proceedings of the IEEE. - 2015. - Vol. 103. - Is. 12. - Pp. 2243-2251. DOI: 10.1109/JPROC.2015.2494159.

8. Doerry N. Naval power systems: Integrated power systems for the continuity of the electrical power supply / N. Doerry // IEEE Electrification Magazine. - 2015. - Vol. 3. - Is. 2. - Pp. 12-21. DOI: 10.1109/ MELE.2015.2413434.

9. Григорьев А. В. Теоретические вопросы расчета токов короткого замыкания в судовых электроэнергетических системах с распределением электроэнергии на постоянном токе / А. В. Григорьев, А. Ю. Васильев, Ю.А. Кулагин // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2017. - Т. 9. - № 5. - С. 1095-1103. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-5-1095-1103.

10. Lan H. Optimal sizing of hybrid PV/diesel/battery in ship power system / H. Lan, S. Wen, Y. Y. Hong, C. Y. David, L. Zhang // Applied energy. - 2015. - Vol. 158. - Pp. 26-34. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015.08.031/

11. Liu H. Estimation of PV output power in moving and rocking hybrid energy marine ships / H. Liu, Q. Zhang, X. Qi, Y. Han, F. Lu // Applied Energy. - 2017. - Vol. 204. - Pp. 362-372. DOI: 10.1016/j.apenergy.2017.07.014.

12. Григорьев А. В. Исследование дизель-генератора, работающего с переменной частотой вращения, на компьютерной модели / А. В. Григорьев // Электросистемы. - 2006. - № 2 (14). - С. 17-19.

13. Chan C. C. Electric, hybrid, and fuel-cell vehicles: Architectures and modeling / C. C. Chan, A. Bouscayrol, K. Chen // IEEE transactions on vehicular technology. - 2009. - Vol. 59. - Is. 2. - Pp. 589-598. DOI: 10.1109/TVT.2009.2033605.

14. Chen J. S. Energy efficiency comparison between hydraulic hybrid and hybrid electric vehicles / J. S. Chen // Energies. - 2015. - Vol. 8. - Is. 6. - Pp. 4697-4723. DOI: 10.3390/en8064697.

15. Wang E. System design and energetic characterization of a four-wheel-driven series-parallel hybrid electric powertrain for heavy-duty applications / E. Wang, D. Guo, F. Yang // Energy Conversion and Management. - 2015. - Vol. 106. - Pp. 1264-1275. DOI: 10.1016/j.enconman.2015.10.056.

16. Hebner R. E. Electric ship power system-research at the University of Texas at Austin / R. E. Hebner // IEEE Electric Ship Technologies Symposium, 2005. - IEEE, 2005. - Pp. 34-38. DOI: 10.1109/ESTS.2005.1524649.

17. Романовский В. В. Анализ схемных решений гребных электрических установок с распределенной шиной постоянного тока / В. В. Романовский, В. А. Малышев, А. С. Бежик // Вестник Государствен-ного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2019. - Т. 11. - № 1. - С. 169- 181. DOI: 10.21821/2309-5180-2019-11-1-169-181.

18. Rahimi A. M. Active damping in DC/DC power electronic converters: A novel method to overcome the problems of constant power loads / A. M. Rahimi, A. Emadi // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2009. - Vol. 56. - Is. 5. - Pp. 1428-1439. DOI: 10.1109/TIE.2009.2013748.

19. Emadi A. Constant power loads and negative impedance instability in automotive systems: definition, modeling, stability, and control of power electronic converters and motor drives / A. Emadi, A. Khaligh, C. H. Rivetta, G. A. Williamson // IEEE Transactions on vehicular technology. - 2006. - Vol. 55. - Is. 4. - Pp. 1112-1125. DOI: 10.1109/TVT.2006.877483.

20. Денисов В. А. Сравнительный анализ переходных процессов в асинхронном двигателе / В. А. Денисов, М. Н. Третьякова, О. А. Бородин // Электротехника. - 2018. - № 3. - С. 2-7.

21. Kopyrin V. A. Simulation Modeling of the Submersible Asynchronous Motor’Soperation Modes / V. A. Kopyrin, O. V. Smirnov, M. V. Deneko // 2018 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). - IEEE, 2018. - Pp. 1-5. DOI: 10.1109/FarEastCon.2018.8602539.

22. Guo Z. The Study on Mathematical Model and Simulation of Asynchronous Motor Considering Iron Loss / Z. Guo, Q. Zhang //Journal of Physics: Conference Series. - IOP Publishing, 2018. - Vol. 1060. - Is. 1. - Pp. 012085. DOI: 10.1088/1742-6596/1060/1/012085.

23. Shestakov A.V. Modeling and Experimental Analysis of Dynamic Characteristics of Asynchronous Motor / A.V. Shestakov // 2019 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). - IEEE, 2019. - Pp. 1-4. DOI: 10.1109/ICIEAM.2019.8743061.

24. Dung N. A. A novel low-loss control strategy for bidirectional DC-DC converter / N. A. Dung, P. P. Hieu, Y. C. Hsieh, J. Y. Lin, Y. C. Liu, H. J. Chiu // International Journal of Circuit Theory and Applications. - 2017. - Vol. 45. - Is. 11. - Pp. 1801-1813. DOI: 10.1002/cta.2373.

25. Wu H. High step-up/step-down soft-switching bidirectional DC-DC converter with coupled-inductor and voltage matching control for energy storage systems / H. Wu, K. Sun, L. Chen, L. Zhu, Y. Xing // IEEE Transactions on Industrial Electronics. - 2016. - Vol. 63. - Is. 5. - Pp. 2892-2903. DOI: 10.1109/TIE.2016.2517063.

26. Geng Z. Modularized High Power Density Bidirectional Buck-Boost DC-DC Converter for EV Battery Management / Z. Geng, D. Gu, T. Hong, K. Qi, K. Zhang, J. Ambrosio // 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC). - IEEE, 2018. - Pp. 164-167. DOI: 10.1109/ITEC.2018.8450230.

27. Малышев В. А. Расчет и выбор тормозных резисторов гребной электрической установки танкера ледового класса / В. А. Малышев, В. С. Иванов, В. С. Соловей // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. - 2016. - № 5 (39). - С. 172-184. DOI: 10.21821/2309-5180-2016-8-5-172-184.

28. Хорошенький А. В. Торможение судна с винторулевыми колонками / А. В. Хорошенький // Материалы VII Межвузовской научно-практической конференции аспирантов, студентов и курсантов «Современные тенденции развития водного транспорта России». - СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адм. С. О. Макарова, 2016. - С. 202-205.

29. Андронников Д. Особенности выбора и применения резисторов в силовой технике / Д. Андронников // Силовая электроника. - 2007. - № 12. - С. 4-8.

30. Калачев Ю. Н. SimInTech: моделирование в электроприводе / Ю. Н. Калачев. - ДМК Пресс, 2019. - 98 c.