سیستم‌های پیشرانش تمام الکتریکی دریایی در سال‌های اخیر به یکی از مهم‌ترین فناوری‌های مورد استفاده در شناورهای تجاری، نظامی و تحقیقاتی تبدیل شده‌اند. استفاده از شبکه‌های قدرت الکتریکی به جای سامانه‌های مکانیکی سنتی، علاوه بر افزایش بازده انرژی، موجب کاهش مصرف سوخت، بهبود قابلیت کنترل، افزایش انعطاف‌پذیری در بهره‌برداری و کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری می‌شود. در این شبیه‌سازی، یک سیستم قدرت الکتریکی نماینده برای نیمه یک شناور دریایی مدل‌سازی شده است که بخش‌های مختلف مصرف‌کننده و تولیدکننده انرژی را به صورت همزمان در بر می‌گیرد. هدف از این شبیه‌سازی بررسی رفتار دینامیکی شبکه قدرت در شرایط مختلف کاری، تغییر بار و عملکرد سامانه پیشرانش الکتریکی است.

معرفی سیستم قدرت پیشرانش تمام الکتریکی دریایی

در این شبیه‌سازی، یک سیستم قدرت کامل برای یک شناور دریایی در نظر گرفته شده است که شامل منابع مختلف تولید انرژی، بارهای ثابت و متغیر و تجهیزات پیشرانش می‌شود. این ساختار نمونه‌ای از شبکه‌های قدرت مورد استفاده در کشتی‌های مدرن است که در آن تمامی تجهیزات اصلی توسط انرژی الکتریکی تغذیه می‌شوند. در چنین ساختاری، مدیریت توان تولیدی و توزیع مناسب انرژی بین مصرف‌کننده‌های مختلف اهمیت بسیار زیادی دارد.

یکی از ویژگی‌های مهم این مدل، امکان بررسی همزمان عملکرد چندین منبع تولید توان و بارهای مختلف در طول زمان است. تغییرات بار، راه‌اندازی تجهیزات جدید و تغییر توان مورد نیاز پیشرانش باعث ایجاد تغییرات دینامیکی در شبکه می‌شود که بررسی آن‌ها برای طراحی سیستم‌های کنترلی و حفاظتی اهمیت فراوانی دارد.

اجزای اصلی سیستم شبیه‌سازی

مدل ارائه شده از چندین بخش مهم تشکیل شده است که هر کدام نقش مشخصی در عملکرد کلی سیستم قدرت شناور دارند.

توربین گازی 30 مگاولت‌آمپری و ژنراتور سنکرون روتور استوانه‌ای

اصلی‌ترین منبع تولید انرژی در این سیستم، یک توربین گازی با ظرفیت 30 مگاولت‌آمپر است که توان مکانیکی مورد نیاز ژنراتور سنکرون روتور استوانه‌ای را تأمین می‌کند. این مجموعه وظیفه تأمین بخش عمده انرژی مصرفی شناور را بر عهده دارد و در شرایط مختلف بهره‌برداری، تغییرات بار را پاسخ می‌دهد.

ژنراتور سنکرون متصل به توربین گازی دارای قابلیت حفظ ولتاژ و فرکانس شبکه بوده و به عنوان منبع اصلی تغذیه تجهیزات مختلف شناور عمل می‌کند.

دیزل ژنراتور 5 مگاولت‌آمپری با ژنراتور قطب برجسته

در کنار توربین گازی، یک دیزل ژنراتور با ظرفیت 5 مگاولت‌آمپر نیز در سیستم حضور دارد. این واحد به عنوان منبع کمکی تولید توان مورد استفاده قرار می‌گیرد و در شرایط افزایش بار یا تغییرات ناگهانی مصرف انرژی، سهمی از توان مورد نیاز شبکه را تأمین می‌کند.

وجود دو منبع مستقل تولید انرژی موجب افزایش قابلیت اطمینان شبکه و کاهش احتمال خاموشی تجهیزات حیاتی شناور می‌شود.

بار پایه 11.5 مگاولت‌آمپری

بار پایه نشان‌دهنده تجهیزاتی است که در تمام مدت بهره‌برداری کشتی فعال هستند و تقریباً توان ثابتی مصرف می‌کنند. این تجهیزات شامل سامانه‌های کنترلی، تجهیزات ناوبری، سامانه‌های ارتباطی، تجهیزات ایمنی و سایر مصرف‌کننده‌های دائمی هستند.

در مدل حاضر، ظرفیت این بار برابر با 11.5 مگاولت‌آمپر در نظر گرفته شده است.

بار خدماتی قابل قطع و وصل با ظرفیت 6 مگاولت‌آمپر

یکی دیگر از اجزای سیستم، بار خدماتی یا Hotel Load است. این بخش شامل تجهیزات رفاهی، سیستم‌های تهویه، روشنایی، تجهیزات اقامتی و سایر مصرف‌کننده‌های غیرپیشرانشی کشتی می‌شود. ویژگی مهم این بار، قابلیت اتصال و جداسازی در زمان‌های مختلف شبیه‌سازی است که امکان بررسی رفتار سیستم هنگام تغییر ناگهانی بار را فراهم می‌کند.

یکسوساز پیشرانش با ظرفیت متوسط 20 مگاولت‌آمپر

بخش پیشرانش الکتریکی توسط یک یکسوساز متوسط با ظرفیت 20 مگاولت‌آمپر تغذیه می‌شود. این تجهیز انرژی الکتریکی مورد نیاز موتورهای پیشران را تأمین کرده و امکان تغییر تدریجی توان خروجی جهت کنترل سرعت حرکت شناور را فراهم می‌کند.

استفاده از یکسوسازهای متوسط موجب ساده‌تر شدن مدل‌سازی سیستم و کاهش زمان اجرای شبیه‌سازی می‌شود، در حالی که رفتار کلی شبکه همچنان با دقت مناسبی حفظ خواهد شد.

رانشگرهای جانبی قفس سنجابی با ظرفیت 1 مگاولت‌آمپر

رانشگرهای جانبی یا Bow Thrusters برای کنترل موقعیت و مانور کشتی در هنگام پهلوگیری یا حرکت در سرعت‌های پایین مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این مدل، موتورهای القایی قفس سنجابی با راه‌اندازی مستقیم به شبکه انتخاب شده‌اند تا اثر جریان هجومی اولیه و تغییرات توان مصرفی آن‌ها بر شبکه قدرت بررسی شود.

توالی رویدادهای شبیه‌سازی

برای ارزیابی عملکرد سیستم قدرت، مجموعه‌ای از رویدادهای زمانی در طول اجرای شبیه‌سازی تعریف شده است. این رویدادها شرایط مختلف بهره‌برداری واقعی یک شناور را شبیه‌سازی می‌کنند.

ثانیه دهم

در زمان 10 ثانیه، بار خدماتی از شبکه جدا می‌شود. این اتفاق موجب کاهش ناگهانی بار مصرفی شده و سیستم تولید توان باید خود را با شرایط جدید تطبیق دهد.

ثانیه بیستم

در زمان 20 ثانیه، سامانه پیشرانش فرآیند افزایش تدریجی توان را آغاز می‌کند. این افزایش به صورت رمپ انجام می‌شود تا از ایجاد شوک الکتریکی و مکانیکی در تجهیزات جلوگیری شود.

ثانیه سی‌ام

در این لحظه، سیستم پیشرانش به حداکثر توان عملیاتی خود می‌رسد و شناور با قدرت کامل به حرکت ادامه می‌دهد. در این شرایط، منابع تولید توان بیشترین میزان بار را تأمین می‌کنند.

ثانیه چهلم

در زمان 40 ثانیه، توان مورد نیاز سامانه پیشرانش به صورت تدریجی کاهش پیدا می‌کند. این کاهش نیز به شکل رمپ انجام شده تا پاسخ دینامیکی سیستم به خوبی قابل مشاهده باشد.

ثانیه پنجاهم

در این مرحله، رانشگرهای جانبی راه‌اندازی می‌شوند. به دلیل راه‌اندازی مستقیم موتورهای القایی، جریان راه‌اندازی نسبتاً بزرگی از شبکه دریافت شده و اثر آن بر عملکرد ژنراتورها قابل بررسی خواهد بود.

ثانیه شصتم

در پایان شبیه‌سازی، بار خدماتی مجدداً به شبکه متصل می‌شود. این تغییر باعث افزایش بار کل سیستم شده و واکنش منابع تولید توان نسبت به این افزایش مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

مدل شبیه‌سازی

مدل طراحی شده تمامی تجهیزات اصلی سیستم قدرت را در یک شبکه الکتریکی واحد ترکیب می‌کند. هر یک از ژنراتورها دارای مدل دینامیکی مناسب بوده و بارهای مختلف نیز مطابق شرایط واقعی تعریف شده‌اند. همچنین تغییرات زمانی بارها و تجهیزات پیشرانش به صورت خودکار در طول شبیه‌سازی اعمال می‌شود.

این مدل امکان بررسی کیفیت ولتاژ، توزیع توان، تغییرات فرکانس، پاسخ ژنراتورها، عملکرد بارهای متغیر و رفتار کلی شبکه را فراهم می‌کند و می‌تواند به عنوان بستری مناسب برای توسعه الگوریتم‌های کنترلی و مدیریت انرژی مورد استفاده قرار گیرد.

نتایج شبیه‌سازی

نتایج استخراج شده از Simscape Logging عملکرد منابع تولید توان را در طول فرآیند شبیه‌سازی نمایش می‌دهد. یکی از مهم‌ترین نمودارهای خروجی، تغییرات توان تولیدی دیزل ژنراتور و توربین گازی است.

در ابتدای شبیه‌سازی، هر دو منبع متناسب با بار اولیه شبکه در حال تولید انرژی هستند. پس از جدا شدن بار خدماتی، توان خروجی ژنراتورها کاهش پیدا می‌کند. با آغاز افزایش توان سامانه پیشرانش، توان تولیدی هر دو منبع نیز به تدریج افزایش یافته و در زمان رسیدن به حداکثر توان پیشرانش، بیشترین مقدار تولید انرژی مشاهده می‌شود.

پس از کاهش تدریجی توان پیشرانش، توان خروجی ژنراتورها نیز کاهش یافته و هنگام راه‌اندازی رانشگرهای جانبی تغییرات لحظه‌ای در تولید توان مشاهده می‌شود. در انتهای شبیه‌سازی نیز با اتصال مجدد بار خدماتی، منابع تولید توان بار دیگر توان خروجی خود را افزایش می‌دهند تا تعادل شبکه حفظ شود.

جمع‌بندی

این شبیه‌سازی نمونه‌ای جامع از یک سیستم قدرت پیشرانش تمام الکتریکی دریایی را ارائه می‌دهد که در آن منابع مختلف تولید انرژی، بارهای ثابت و متغیر، سامانه پیشرانش و تجهیزات کمکی به صورت یکپارچه مدل‌سازی شده‌اند. بررسی تغییرات توان ژنراتورها، پاسخ شبکه به تغییرات بار و عملکرد تجهیزات مختلف، دید مناسبی نسبت به رفتار دینامیکی سیستم فراهم می‌کند. این مدل می‌تواند برای آموزش، تحلیل عملکرد شبکه‌های قدرت دریایی، طراحی سیستم‌های مدیریت انرژی، توسعه روش‌های کنترلی و ارزیابی قابلیت اطمینان تجهیزات در محیط Matlab مورد استفاده قرار گیرد.

“`