楊明國(guó)

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全電力船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真

楊明國(guó)

（海軍駐七一二所軍事代表室，武漢 430064）

本文介紹了全電力船舶的典型推進(jìn)系統(tǒng)并給出了仿真結(jié)果。由于模型的復(fù)雜性，仿真計(jì)算的工程量非常巨大。因此設(shè)計(jì)了一個(gè)可供替代的簡(jiǎn)化仿真系統(tǒng)。從船舶網(wǎng)絡(luò)的角度來看，簡(jiǎn)化系統(tǒng)的仿真結(jié)果和實(shí)際模型的結(jié)果十分接近。

船舶推進(jìn) 諧波失真 負(fù)載換相逆變器（LCI） 雙三相同步電動(dòng)機(jī)

0 引言

綜合電力系統(tǒng)（IEPS）中，電力推進(jìn)通常占整個(gè)電力負(fù)荷的50%。電力推進(jìn)需要各子系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)，中壓配電板，變壓器，推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，濾波器，中壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）之間的相互協(xié)調(diào)[1]。

船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們不僅需要深層次地了解各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系，更需要對(duì)全船電力系統(tǒng)和推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行深層次的評(píng)估，預(yù)見極端情況下可能出現(xiàn)的問題和故障。為此，建立推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高效和有效的仿真模型[2]很有必要。本文概述了一種典型的全電力船舶推進(jìn)系統(tǒng)，并進(jìn)行了仿真分析。

推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的詳細(xì)仿真是非常有用的，可以讓設(shè)計(jì)師深入了解其工作原理。然而模型復(fù)雜性，仿真計(jì)算量十分巨大。尤其是全船功率系統(tǒng)仿真，推進(jìn)系統(tǒng)模型與發(fā)電機(jī)和其他負(fù)載（中壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和低壓總線）相連接的時(shí)候，可能導(dǎo)致仿真計(jì)算的工作量過大而無法得出相應(yīng)的仿真結(jié)果。因此在電力需求和諧波失真方面需要采用新型的等效簡(jiǎn)化模型。本文給出了該簡(jiǎn)化模型并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1 推進(jìn)系統(tǒng)的概述

應(yīng)用于全電力船舶的最廣泛的電力推進(jìn)系統(tǒng)為基于負(fù)載換相逆變器（LCI）的同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。同步電動(dòng)機(jī)配備了兩個(gè)30°電角度偏移的三相定子繞組。每個(gè)三相繞組由單6脈負(fù)載換流晶閘管驅(qū)動(dòng)。雙繞組可以減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，通過消除5次和7次諧波而提高變頻器故障下電機(jī)的可靠性。每個(gè)LCI通過一個(gè)電感器連接12脈沖整流器，該系統(tǒng)由兩個(gè)晶閘管橋與雙繞組變壓器連接構(gòu)成，其中一個(gè)為星形連接，另一個(gè)為三角形連接。一般來講，相對(duì)于船舶推進(jìn)負(fù)載功率來講，12脈配置的船舶電網(wǎng)的能力無法滿足電能質(zhì)量的要求。因此，通常采用24脈的電網(wǎng)配置。通過在變壓器初級(jí)繞組端串聯(lián)輔助繞組，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)變壓器輸出端+7.5°和–7.5°相位偏移。

2 系統(tǒng)模型的概述

2.1 仿真模型的建立

圖2為L(zhǎng)CI同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖。它由兩個(gè)控制系統(tǒng)組成，其中一個(gè)為電機(jī)的速度控制。其通過外部的速度閉環(huán)控制和內(nèi)部的電流閉環(huán)控制。另一個(gè)通過作用于電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)完成電機(jī)磁通控制。

圖1 船舶推進(jìn)系統(tǒng)框圖

圖3 LCI同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖

電動(dòng)機(jī)側(cè)變流器由固定的開關(guān)角來進(jìn)行控制。電動(dòng)機(jī)的觸發(fā)脈沖必須和電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)保持同步，其通過計(jì)算電機(jī)終端的電壓完成相應(yīng)的過程。電壓在變流器工作時(shí)波動(dòng)較大，需要經(jīng)過濾波器的處理。目前存在的問題是低通濾波器會(huì)導(dǎo)致頻率的相移，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。濾波器能很好的集成反電動(dòng)勢(shì)，最終反應(yīng)在電機(jī)的定子通量上。電動(dòng)機(jī)的終端電壓（忽略定子電阻上的電壓降）和定子通量同相，觸發(fā)脈沖和電機(jī)通量能有效同步[4]。

本文中采用兩個(gè)仿真工具：PSIM和Simulink（包括其SimPowerSystems的專用工具包）?；赑SIM和Simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真，前者主要用于電力電子電路建模，后者主要用于自動(dòng)化控制的仿真應(yīng)用。采用PSIM的SimCouple模塊，可以支持PSIM和Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真。

變壓器、可控硅橋模型和控制系統(tǒng)框圖在仿真軟件的模型庫內(nèi)均可使用，而對(duì)于雙定子繞組的同步電動(dòng)機(jī)模型，需要基于原理進(jìn)行構(gòu)建。

基于MATLAB平臺(tái)所建立的9階非線性雙三相電動(dòng)機(jī)的模型接口，可以支持PSIM的應(yīng)用。由于Matlab庫中并沒有相應(yīng)的模型，需要根據(jù)電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一理論的Park方程在Matlab中構(gòu)建雙三相電動(dòng)機(jī)模型。d-q軸公式變換參考文獻(xiàn)[5]。需要注意的是，兩個(gè)星形繞組的磁耦合參數(shù)。本文考慮了典型推進(jìn)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，并通過文獻(xiàn)[6]中的有限元分析進(jìn)行了處理，最終得到符合三相定子電路的典型設(shè)計(jì)。

3 仿真結(jié)果

仿真模型完整的反映了推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)從起始狀態(tài)，變頻器強(qiáng)迫換相脈沖操作，直至轉(zhuǎn)速足夠高以使得能夠切換到負(fù)載換相模式的過程。

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速上升率受發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能的限制。如圖3所示，顯示了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升和下降受發(fā)電機(jī)限制范例，被用來作為仿真的速度模型。

圖3 速度斜率曲線

電動(dòng)機(jī)和水中螺旋槳的有關(guān)阻力矩方程即為電機(jī)轉(zhuǎn)速和船舶的函數(shù)方程。根據(jù)相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)方程組，阻力矩為其中的一個(gè)二次曲線方程式。然而，這是一個(gè)靜態(tài)曲線。因此，它可以被認(rèn)為電機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢變化情況的有效近似，因?yàn)樗]有考慮船舶速度和馬達(dá)速度的不同動(dòng)力學(xué)情況。

3.1 推進(jìn)模式

LCI中可控硅晶閘管之間的電流變化是由電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)。然而，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)近似為零或非常低，需要采用強(qiáng)迫脈沖的方法。通過切斷可控硅晶閘管、直流母線電流的電源，來促使電動(dòng)機(jī)電流為零。然后，直流母線電壓恢復(fù)以及隨后觸發(fā)可控硅晶閘管。這種情況下，電動(dòng)機(jī)速度從零增加到額定值的10%，這樣就可以切換到負(fù)載換相操作。

螺旋槳在非常低速的情況下運(yùn)行時(shí)，船舶并不會(huì)移動(dòng)。因此可以使用扭矩和電機(jī)速度的靜態(tài)曲線進(jìn)行分析。

16極電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)狀態(tài)的電流波形如圖4所示。由于其它相位的變化，可以觀察到脈沖電流在方波波形的中間點(diǎn)變?yōu)榱?。約5 s之后電動(dòng)機(jī)的速度達(dá)到每分鐘15 rpm，變頻器被切換到負(fù)載換相狀態(tài)。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)階段的推進(jìn)系統(tǒng)的母線電流曲線如圖5所示。其產(chǎn)生的原因是變頻器前端為24脈沖。由于脈沖的影響導(dǎo)致仿真算法的計(jì)算量很大，降低了仿真效率，并在計(jì)算過程中有可能內(nèi)存不足。但是脈沖操作在船舶電網(wǎng)上影響并不是很大，因?yàn)樗辉陔妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)階段維持短短幾秒鐘的時(shí)間并且饋電流幅值很小。因此，脈沖操作在船舶電網(wǎng)中可以忽略不計(jì)，這樣可能減少計(jì)算量，節(jié)省仿真時(shí)間，提高仿真效率。

圖4 電動(dòng)機(jī)起始階段的電流波形

3.2 簡(jiǎn)化模型的描述

根據(jù)圖3的曲線，電動(dòng)機(jī)速度從50%上升到額定值的速率較為緩慢，因此，可以使用負(fù)載轉(zhuǎn)矩的靜態(tài)曲線進(jìn)行近似處理。在電動(dòng)機(jī)緩慢的速度變化過程中，機(jī)械動(dòng)力學(xué)的部分可以忽略不計(jì)，轉(zhuǎn)速和給定相等。這導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)模型可以盡速采用R-L-E負(fù)載，其中為定子相位電阻，為電機(jī)側(cè)的換相電感，為電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)的控制電壓源。假如電動(dòng)機(jī)的磁通量在任何驅(qū)動(dòng)過程中都是固定的，控制電壓的幅值和頻率始終和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成比例關(guān)系。單三相設(shè)備中換相電感和d和q電感瞬態(tài)分量相等。

R-L-E有源負(fù)載通過理想的三繞組變壓器連接到兩臺(tái)LCI（即圖1中的LCI-A和LCI-B），確切地說其連接到次級(jí)星形變壓器電路。而兩個(gè)主變壓器電路，由LCI-A和LCI-B提供，分別采用三角形連接方式和星形連接方式。因此，從LCI輸出端子來看，變壓器和R-L-E有源負(fù)載的連接組合可以看成雙三相電動(dòng)機(jī)，其中兩相移相30°。另外，繞組之間的換相現(xiàn)象的產(chǎn)生原因是理想變壓器兩個(gè)主電路之間的磁耦合。

圖5 推進(jìn)系統(tǒng)母線電流

值得注意的是，上述的簡(jiǎn)化模型并不適合學(xué)習(xí)電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的電氣和機(jī)電特性。然而，它已被證明在集中仿真驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)之間的關(guān)系，可以有效減少仿真的復(fù)雜程度。

這個(gè)結(jié)論可以通過比較兩組仿真結(jié)果來進(jìn)行證實(shí)：一組采用詳細(xì)的電氣和機(jī)電特性的雙三相電動(dòng)機(jī)模型，另一組采用簡(jiǎn)化模型。

3.3 詳細(xì)模型的仿真結(jié)果

詳細(xì)模型的仿真結(jié)果顯示：電動(dòng)機(jī)電流和母線饋電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖6和圖7所示。其中母線電流的THD約為12.9%。

圖6 電動(dòng)機(jī)負(fù)載換相模式電流（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速? 112.5 rpm）

3.4 簡(jiǎn)化模型的仿真結(jié)果

簡(jiǎn)化模型的仿真結(jié)果顯示：電動(dòng)機(jī)電流和母線饋電流隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速變化如圖8和圖9所示。其中母線電流的THD約為12.4%，和詳細(xì)模型的結(jié)果十分近似。

圖7 母線電流（電機(jī)轉(zhuǎn)速? 112.5 rpm）

另一方面，圖6和圖8之間的比較清楚地表明電動(dòng)機(jī)側(cè)電流波形的變化取決于是采用簡(jiǎn)化模型還是復(fù)雜模型，其中最敏感的參量為與直流母線電流波動(dòng)相關(guān)聯(lián)的波紋振幅。

4 結(jié)束語

本文闡述了典型的全電力船舶的典型推進(jìn)系統(tǒng)，并構(gòu)建了推進(jìn)和負(fù)載狀態(tài)下詳細(xì)的系統(tǒng)模型，得出了相應(yīng)的仿真結(jié)果。然而，即使采用最先進(jìn)的PC硬件條件，復(fù)雜模型的仿真仍然會(huì)導(dǎo)致非常高的計(jì)算量，并消耗很長(zhǎng)的時(shí)間，甚至有可能出現(xiàn)內(nèi)存不足的問題。由于這個(gè)原因，基于對(duì)船舶電網(wǎng)影響不大的原則下簡(jiǎn)化了全船IEPS的仿真模型，即通過用R-L-E負(fù)載替代電機(jī)模型。并通過對(duì)兩種模型的推進(jìn)系統(tǒng)母線電流的幅值和波形進(jìn)行了分析，證明了簡(jiǎn)化模型和復(fù)雜模型具有良好的一致性。

圖8 簡(jiǎn)化模型的電動(dòng)機(jī)電流（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速? 112.5 rpm）

圖9 簡(jiǎn)化模型母線電流（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速? 112.5 rpm）

[1] C.G.Hodge, D.J.Mattick and J.O.Flower, “The integration of electrical marine propulsion systems”, in proc. of IEE Int. Conf. on Power Electronics, Machines and Drives, pp.7-11, April 2002.

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Modeling and Simulation of Electric Propulsion Systems for All-Electric Cruise Liners

Yang Ming Guo

(Naval Representatives Office of 712 Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM728

A

1003-4862（2012）06-0019-04

2014-04-10

楊明國(guó)（1966-），碩士，高級(jí)工程師。研究方向：機(jī)電一體化。