某船電力推進系統技術研究試驗平臺方案設計

喻超 胡義軍 龍飛

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

采用電力推進的船舶以其優越的性能成為一種趨勢[1]，但是電力系統的船舶運行工況的復雜性直接影響船舶電源的運行，對控制系統的協調提出了苛刻的要求。傳統的電力推進試驗平臺大多是直接用硬件設備構造，很難改變和擴展。為了實現按需構建電力推進系統的試驗平臺，需要搭建采用不同的控制策略及開放式的試驗平臺。本文提出一個在沒有實船的電力推進系統設備的情況下對電力推進系統的組成、控制策略和設計要點進行深入的研究的設計思想。利用半實物仿真技術，實現一個可根據需求構造的試驗平臺設計方案。

某型船是我國海軍首艘配套了電力推進系統的艦船，首制艦的主要設備采用進口設備。旨在對國外設備與系統應用進行消化吸收，以實現該艦電力推進設備研制的國產化，并在此基礎上進行深化研究。

1 系統設計要求

1.1 設計目標

根據某型船電力推進系統試驗的現實特點和需求，需要實現以下目標：

1) 構造開放的電力推進系統：根據需要構造不同的電力推進系統。

2) 通過仿真系統對負載參數進行設置：在試驗環境內部根據用戶需要配置各種負載參數。仿真系統根據負載參數自動生成負載曲線。

3) 提供可視化用戶接口：為了提高系統的易用性，用戶可在圖形界面下方便地進行半實物仿真系統的參數設置、系統狀態查詢等操作。

1.2 功能要求

基于某型船的電力推進系統研究試驗平臺是以該船主要設備參數為原型，但可進行擴展的電力推進技術研究的環境，可通過主回路的組合方式不同實現以下工況試驗：

1) 電站試驗

發電機在其原動機的帶動下模擬船舶電站，在阻抗負載和推進負載的配合下可模擬電站的單機試驗、并聯試驗等，以研究電站的穩定性。

2) 基于共直流母線推進負載的推進試驗

系統由船舶電站供電，兩臺電動機對拖，其中一臺作為原動機，另一臺作為負載，負載電機產生的能量回饋至直流母線，模擬各種推進工況。該試驗可以研究常見的測試臺拖動系統的特性。

3) 基于四象限回饋推進負載的推進試驗

系統由船舶電站供電，模擬電力推進系統的兩個推進軸；AFE變頻器支路作為推進電機的負載，負載產能的能量回饋至大電網，可模擬各種推進工況。該試驗可以研究AFE變頻器的控制特性和回饋特性。

2 方案設計

基于某型船電力推進系統的結構和功能要求來構造本電力推進系統研究試驗平臺，如圖1所示，由電力推進系統設備如變頻器、變壓器和電機等，結合實現監控和仿真功能的裝載了軟件的監控臺組成。該電力推進系統研究試驗平臺可通過實物和仿真系統，對負載參數進行設置，同時搭載不同的組合方式，對各種全電力推進系統的組成及控制策略進行對比，選擇適合于要求的最佳系統組成及控制策略[2]。

2.1 系統硬件組成

設置有主回路、操控臺、仿真臺和駕控臺。主回路包括了模擬電站、配電、變壓器、變頻器、推進電機及其負載、阻抗負載和濾波器等，用來模擬綜合電力推進系統中的發電系統、配電系統、推進系統和推進負載。可通過不同組合方式實現不同的系統工況試驗，可完成AFE回能、共直流母線對拖功能等。

操控臺模擬綜合電力推進系統中的監控系統，主要用于控制系統的電站、配電屏、變頻器、電動機，完成電力推進系統的工況模擬、故障模擬、設備狀態監視及在線故障診斷與報警等功能。

圖1 電力推進系統技術研究試驗平臺

仿真臺可實現實船工況和特性仿真，包括螺旋槳負載特性、螺旋槳出水特性、系統緊急停車特性以及螺旋槳的反轉特性等，同時提供信息設置及顯示，能在此平臺上開展仿真驗證試驗。

駕控臺模擬綜合電力推進系統中的駕駛操作，完成電力推進系統的操車等功能。

主回路、操控臺、駕控臺和仿真臺配合，可以對構建的縮比例綜合電力推進系統進行試驗研究，通過操控臺和仿真臺對該試驗平臺主回路進行系統構造、系統工況監視、系統保護等操作，在不同構造的主回路系統上進行各種工況試驗、可靠性試驗、系統保護試驗、控制策略摸索試驗等分析研究。

2.2 監控系統組成

本試驗平臺監控由兩級網絡構成，上層是實現大容量數據處理的管理網絡，下層是實行性要求高的控制網絡[3]。上層管理網絡采用工業以太網，連接系統仿真臺和系統操控臺的IPC、PLC、仿真系統等。下層控制網絡采用PROFIBUS現場總線方式，按照不同功能分區，分別連接各變頻器、控制器、PPU等設備[4]。配置如圖2所示。

圖2 電力推進系統技術研究試驗平臺監控網

操控臺設置有 IPC、PLC，模擬綜合電力推進系統中的監控系統，提供各種信息設置及顯示，完成電力推進系統的工況模擬、故障模擬、設備狀態監視及在線故障診斷與報警等功能。

仿真臺設置有 IPC、PLC、仿真系統，可根據系統的各種工況仿真模擬實船的螺旋槳負載特性，并提供各種仿真信息設置及顯示。

并車屏設置有一套S7-300，發電機控制屏設有發電機多功能保護裝置PPU，可監視發電機運行的運行參數。通過PROFIBUS接收操控臺指令，控制模擬電站的變頻器機組以及相應的供電開關和主開關，實現模擬電站的PMS管理。

模擬電站屏安裝ABB變頻器，接收PMS控制器的指令，完成機組的啟/停、調速等，機組并聯運行時，PPU自動給變頻器調速信號調節發電機轉速，進行調頻調載。

負載控制屏安裝有施耐德 PLC一套，通過PROFIBUS接收操控臺指令，完成對各種負載的主開關控制。

2.3 仿真

仿真系統可實現根據系統各種工況仿真模擬實船的螺旋槳負載特性、螺旋槳出水特性、系統緊急停車特性、螺旋槳的反轉及堵轉特性及模擬柴油機特性等。并提供各種仿真信息設置及顯示。

其核心為螺旋槳模擬控制器，包括數據采集和模擬仿真系統，通過模型計算的輸出對模擬負載進行控制，模擬螺旋槳運行特性。螺旋槳特性子系統主要是為推進電機提供一個實時的動態負載特性－船機槳動態特性，由于船槳數學模型具有復雜性，并對仿真實時性，逼真度都有較高的要求，故需要一個能高速運算處理的新型仿真平臺。通過模擬螺旋槳各種工況，實時仿真結果證明可利用該平臺深入研究能量管理策略。

仿真系統的目的是通過模擬實船在各種工況下運行，以檢測系統的實時反應性、穩定性、安全性，為將試驗室小比例平臺延伸到實際的大系統積累經驗和試驗數據。系統硬件采用 NI公司的 PXIe系列產品，構建一個完整的仿真測試平臺。測試參數包括：電壓、電流、轉速、扭矩及其他頻率量等。在實時平臺下完成確實的仿真運算及控制，系統能夠保證仿真循環的時間確定性及可靠性。數據后處理要求可以進行諧波分析并自動生成報表與圖表等。

仿真系統的仿真基于 MATLAB 及LABVIEW 軟件進行編程，其界面采用SIMULINK的模塊方式。這是國內各研究機構通常采用的方式[5]。

3 結束語

電力推進系統研究試驗平臺是一個開放性的研究試驗平臺。按照技術要求和功能需求對整個系統進行主回路及控制、仿真設計。其包括了主回路及控制系統硬件設計，PLC軟件、上位機軟件設計和仿真軟件設計。

本文設計實現了一個支持按需構造的電力推進系統研究試驗平臺。以某型船為基礎利用了近些年興起的工業網絡技術及仿真技術，為實現一個在沒有實船的情況下進行研究和開發的試驗平臺提供了一條新的思路。

[1]姚清榮. 艦船用綜合全電力推進系統. 船舶工程研究, 2001, (2)： 15～21.

[2]羅耀華, 葉瑰昀, 劉勇. 艦船全電力推進系統模擬研究. 船舶工程, 2002(4)： 9-12.

[3]洪敏, 王孟蓮. 某型試驗船綜合全電力推進系統之監控系統設計. 船電技術, 2003, (8)： 8-10.

[4]唐清揚. 現場總線 PROFIBUS技術及總線橋產品.電氣時代, 2001.

[5]宋世全. 應用 Matlab進行船舶電力推進系統仿真.實驗室研究與探索, 2008, 27(12)： 168-172.