全電力船電力系統建模與仿真

閻學范

（江蘇科技大學 江蘇 鎮江 212003）

下一代軍艦將以綜合電力系統（IPS）[1]為顯著標志，綜合電力系統包括主要電源和輔助電源[2]，由它們給推進發電機組提供動力，同時，給船舶電力負荷提供能量。隨著發電系統的整合，新技術的引進，如集成電力電子系統，智能控制系統和能量存儲技術。如何進行實時的電源管理和電力系統重構變的尤為重要，尤其是在設備故障和戰斗損耗的情況下。電源管理的主要目標是確保持續的為電力負荷供應電力，從而提高艦船電力系統的可靠性和生命力。

全電力船（AES）的電網通常擁有電力推進系統，電子武器系統和船舶服務相關的電力負荷。目前，新建艦船越來越多的使用區域配電系統[3]（Zonal Electric Distribution System），區域配電系統 （ZEDS）可以增強配電網絡的可靠性和生命力。不同與傳統的輻射狀配電系統，區域配電系統（ZEDS）采用兩個主總線（右舷總線和左舷總線）為重要負載提供冗余路徑。這樣，在不同的戰況下，區域配電系統（ZEDS）可以動態重構，以響應不同優先級的負載的實時潮流。

圖1說明了艦船綜合電力系統的單線圖。綜合電力系統（IPS）主要包括發電模塊（PGM），電源轉換模塊（PCM），能量存儲模塊（ESM），電推進模塊（EPM）和重要/非重要負荷。發電模塊可以是燃氣渦輪機，柴油發動機或燃料電池。由于這些動力源有不同的響應時間，負載有不同的運行特性，穩定性，效率和性能對電力系統電源管理的動態優化是至關重要的。電源管理系統[4]要面對的問題主要包括：1）如何協調電源與電源轉換器，以確保重要負載的不間斷電力供應？2）如何重新配置系統，以取得最佳效果和最大可靠性？3）如何實現重新配置，以確保在暫態電能質量和系統運行的完整性？

圖1 艦船綜合電力系統的單線圖Fig.1 One-line diagram of Shipboard Integrated Power System

1 綜合電力系統（IPS）的模塊化建模

由于綜合電力系統（IPS）是一個大規模電力系統，含有許多高頻電源開關或其他模擬起來非常耗費內存的組件，模擬和調試這樣一個大系統非常費時。另一方面，將這個復雜的系統作為一個整體參數整定非常困難。而且，在區域配電系統（ZEDS）的子系統中含有許多相似和可重復使用的地方。因此，可以采取模塊化建模方法。主要分成發電模塊（燃氣渦輪機和燃料電池），電力推進模塊和區域配電系統。區域配電系統本身包括許多電源轉換模塊和電力負荷。

1.1 燃氣渦輪模型

艦船電力系統可以使用很多種能源系統，其中多數艦船使用燃氣渦輪/發電機組作為船上的主要推進動力。在建立燃氣渦輪模型時主要依據經驗關系[5]。圖2所示即為船舶電力系統的燃氣渦輪機的模型的原理圖。

圖2 燃氣渦輪機的模型的原理圖Fig.2 Schematic of the fuel cell system

燃氣渦輪機模型由壓縮機，渦輪，燃燒室模型和渦輪機、壓縮機之間的動態耦合旋轉。壓縮機和渦輪機的模型由實驗數據的經驗關系得到[6]。燃氣渦輪機驅動發電裝置，并由發電裝置將機械能轉換成電能產生電壓為4 160 V和頻率為60 Hz的三相交流電源。

圖3 開環模擬燃氣輪機：需求與產生的電能Fig.3 Open loop simulations of gas turbine:demand vs generated power

1.2 燃料電池模型

燃料電池（FC）一直以來都被認為是一種清潔和高效的綜合電力系統（IPS）的輔助動力源。艦載設備通過燃料處理系統從普通大氣中獲得純凈氫氣。其他模型代表著不同的燃料轉化技術，如柴油的自動熱轉化也可以使用。燃料處理過程與燃料電池相比速度較慢。燃料電池—燃料處理系統（FCFPS）的模式由J.Pukrushpan[5]建立，其原理如圖4所示。

圖4 燃料處理系統的示意圖Fig.4 Schematic of the fuel processing system

FC-FPS的模型包括加氫脫硫劑（HDS），部分催化氧化劑（CPOX），水煤氣閥（WGS）和順序氧化劑（PROX），陽極和堆棧電壓等模型。加氫脫硫劑，水煤氣閥和順序氧化劑以一階延遲建模。最重要的是動態模擬部分催化氧化劑溫度，陽極壓力和陽極氫分壓。文獻[7]中的堆棧電壓模型計算出的堆棧輸出電壓作為當前的負載電流，陽極、陰極壓力和水化膜的函數。燃料電池（FC）系統的輸出電壓通過DC/DC轉換器連接到PCM4中。對于特定的系統，FC-FPS的總輸出功率為80 kW至330 kW。燃料電池的負載電流開環階躍變化模擬結果如圖5所示?？梢钥闯?，相比燃氣渦輪機/發電機組，燃料電池具有較低的響應。

圖5 燃料電池開環模擬：負載電流和電池功率Fig.5 Open loop simulations of fuel cell:current demand and generated power

1.3 ZEDS模型

圖1給出了一個包含PGM，EPM，ESM和ZEDS的雙區域綜合電力系統（IPS）。由于直流區域結構相對于交流區域結構具有很多優點，在模型中采用直流ZEDS。直流ZEDS中至關重要的部件是重要/非重要負載和電源轉換模塊，其原理圖如圖6所示。

圖6 PCM1的模型Fig.6 Model of PCM1

1）PCM1：圖6描述了PCM1的模型。PCM1是有 3個可重構開關的降壓直流/直流轉換器。控制這3個開關可以重構每個區域功率流動的路徑。直流母線故障和恢復的仿真也可以通過對開關的控制來實現。該PCM1輸出電壓為900 V比主總線少200 V。正常情況下PCM1為一個非重要負荷和一個重要負荷供電。在設備故障或戰損情況下，如果對面的主總線或PCM4/PCM1失常，同時將接入對面的重要負荷。

圖7 ZEDS中PCM的簡圖Fig.7 Diagram of PCMs in ZEDS

2）PCM2/5：圖 7（a）描述了 PCM 2/5 的模型。 PCM2/5 是直流/交流逆變器。由于它們為重要負荷供能，它們在任何情況下都不應該失電，所以設計了一個自動總線傳輸電路，它可以在較靠近總線輸入端口和較遠離總線輸入端口間自動選擇。通常情況下，較靠近總線輸入端口比較遠離總線輸入端口有更高優先級，只有其電壓下降到比較較遠離總線輸入端口低100 V時，才會自動切換。但是，為了平衡兩個直流總線負載，其電壓恢復至比高50 V時，較靠近總線輸入端口會再次接管。

3）PCM3/6：圖 7（b）描述了 PCM 3/6 的模型。 PCM3/6是直流/直流轉換器。沒有自動總線傳輸電路，因為PCM 3/6主要為非重要負載供電。如果主總線或次總線失電，該非重要負荷將直接失去電源。

4）PCM4：圖 7（c）描述了 PCM 4 的模型，這是一個交流/直流轉換器，通過控制整流器觸發角將三相交流電轉換成為直流。在我們的模型中，PCM 4的能源來自交流主總線和燃料電池。

5）負載：重要/非重要負荷做為恒功率負載建模。所以負荷都可以根據能源管理模塊中的指令從直流母線獲得能源。

1.4 推進模塊

1）電力推進模型：電力推進模型是一種三相交流/直流/交流變頻調速與傳輸系統在低速，高轉矩永磁同步電動機（PMSM）下驅動的螺旋槳。交流/直流整流器按照SimPower-Systems工具箱中的Universal Bridge建模。

2）船舶動態模型：電力推進電機的負載扭矩是由船舶動態模型計算速度和船舶螺旋槳速度，流體力學決定的。 筆者采用了文獻[8]給出的船舶模型。它包含了大量附加水動力和力矩作用在船上。在這個模型中，給出一個預定的船舶速度，可以計算出所需的電機轉速和轉矩，并反饋到推進電機控制單元。

2 模型集成，分布及初步模擬

2.1 模型集成及分布

綜合電力系統（IPS）模型集成有兩個階段。首先，ZEDS模塊和推進模塊分別集成和測試。正如在前面幾節討論的，ZEDS，負載和PCM，關鍵組件是單獨建模和測試。然后，PCM和負載相互連接，形成了兩個區域的ZEDS。對船舶動態模型和推進模型集成是非常簡單的。所需的螺旋槳扭矩和速度是由船舶動態模型計算出信號并發送到推進模型電機。然后ZEDS和推進模塊與發電模塊相互連接。

綜合電力系統（IPS）是一個具有許多不同特性子系統的大型系統。例如，燃氣渦輪模型和燃料電池的動態模擬是相對緩慢的，1 ms的時間步長就足夠了。另一方面，電力轉化模型具有較高的高頻功率開關，在模型中該子系統的時間步長為50 μs，比電力產生模型短很多。

2.2 初步仿真

圖8描述了在故障和重構過程中的負載消耗，其中4種情況分別為：

圖8 在故障和重構過程中的負載消耗Fig.8 Power consumed by load satfailure and reconguration scenarios

方案1：左舷總線或PCM1/PCM4失電，非重要負載失電，重要負荷從右舷總線供電。

方案2：左舷總線重構或PCM1/PCM4恢復供電，所有負載平均從兩側總線供電。

方案3：右舷總線失電，這導致了右舷總線側非重要負載失去能源。重要負載切換到左舷總線供電，進而正常工作。

方案4：兩個總線同時失電，因此所有的負載都失去電源。這樣可以驗證ZEDS模型的故障仿真和重構能力。

圖9描述了推進電動機航速從0節加速到8節的瞬態。為了提高螺旋槳轉速，實際轉矩明顯比在啟動期間所需的扭矩大。實際轉矩和速度曲線與期望的曲線非常吻合。

3 結 論

圖9 推進電動機航速Fig.9 Dropulsion motor speed

初步的仿真結果驗證了全電力船/綜合電力系統仿真可以仿真不同腳本，如故障模擬，潮流路徑重構和能源管理。該仿真可以結合不同I/O硬件可以支持其他系統的開發活動，如硬件在環仿真，快速控制原型，進行全面的分析。

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[6]Moraal P，Kolmanovsky I.Turbo charger modeling for automotive control applications[EB/OL].（1999）.http://papers.sae.org/1999-01-0908.

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