全電力船舶的電力推進系統建模與仿真

楊明國

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全電力船舶的電力推進系統建模與仿真

楊明國

（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系統并給出了仿真結果。由于模型的復雜性，仿真計算的工程量非常巨大。因此設計了一個可供替代的簡化仿真系統。從船舶網絡的角度來看，簡化系統的仿真結果和實際模型的結果十分接近。

船舶推進 諧波失真 負載換相逆變器（LCI） 雙三相同步電動機

0 引言

綜合電力系統（IEPS）中，電力推進通常占整個電力負荷的50%。電力推進需要各子系統（發(fā)電機，中壓配電板，變壓器，推進驅動系統，濾波器，中壓感應電動機）之間的相互協調[1]。

船舶的電力推進系統設計師們不僅需要深層次地了解各個子系統之間的關系，更需要對全船電力系統和推進驅動系統之間的關系進行深層次的評估，預見極端情況下可能出現的問題和故障。為此，建立推進驅動系統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系統，并進行了仿真分析。

推進驅動系統的詳細仿真是非常有用的，可以讓設計師深入了解其工作原理。然而模型復雜性，仿真計算量十分巨大。尤其是全船功率系統仿真，推進系統模型與發(fā)電機和其他負載（中壓感應電動機和低壓總線）相連接的時候，可能導致仿真計算的工作量過大而無法得出相應的仿真結果。因此在電力需求和諧波失真方面需要采用新型的等效簡化模型。本文給出了該簡化模型并對其進行了相應的分析。

1 推進系統的概述

應用于全電力船舶的最廣泛的電力推進系統為基于負載換相逆變器（LCI）的同步電動機驅動系統。該系統的系統框圖如圖1所示。同步電動機配備了兩個30°電角度偏移的三相定子繞組。每個三相繞組由單6脈負載換流晶閘管驅動。雙繞組可以減少轉矩波動，通過消除5次和7次諧波而提高變頻器故障下電機的可靠性。每個LCI通過一個電感器連接12脈沖整流器，該系統由兩個晶閘管橋與雙繞組變壓器連接構成，其中一個為星形連接，另一個為三角形連接。一般來講，相對于船舶推進負載功率來講，12脈配置的船舶電網的能力無法滿足電能質量的要求。因此，通常采用24脈的電網配置。通過在變壓器初級繞組端串聯輔助繞組，以實現兩個變壓器輸出端+7.5°和–7.5°相位偏移。

2 系統模型的概述

2.1 仿真模型的建立

圖2為LCI同步電動機的結構框圖。它由兩個控制系統組成，其中一個為電機的速度控制。其通過外部的速度閉環(huán)控制和內部的電流閉環(huán)控制。另一個通過作用于電機勵磁系統完成電機磁通控制。

圖1 船舶推進系統框圖

圖3 LCI同步電動機的結構框圖

電動機側變流器由固定的開關角來進行控制。電動機的觸發(fā)脈沖必須和電動機的反電動勢保持同步，其通過計算電機終端的電壓完成相應的過程。電壓在變流器工作時波動較大，需要經過濾波器的處理。目前存在的問題是低通濾波器會導致頻率的相移，導致無法準確監(jiān)測電動機的轉速。濾波器能很好的集成反電動勢，最終反應在電機的定子通量上。電動機的終端電壓（忽略定子電阻上的電壓降）和定子通量同相，觸發(fā)脈沖和電機通量能有效同步[4]。

本文中采用兩個仿真工具：PSIM和Simulink（包括其SimPowerSystems的專用工具包）。基于PSIM和Simulink進行聯合仿真，前者主要用于電力電子電路建模，后者主要用于自動化控制的仿真應用。采用PSIM的SimCouple模塊，可以支持PSIM和Matlab/Simulink的聯合仿真。

變壓器、可控硅橋模型和控制系統框圖在仿真軟件的模型庫內均可使用，而對于雙定子繞組的同步電動機模型，需要基于原理進行構建。

基于MATLAB平臺所建立的9階非線性雙三相電動機的模型接口，可以支持PSIM的應用。由于Matlab庫中并沒有相應的模型，需要根據電動機統一理論的Park方程在Matlab中構建雙三相電動機模型。d-q軸公式變換參考文獻[5]。需要注意的是，兩個星形繞組的磁耦合參數。本文考慮了典型推進電機的電磁設計，并通過文獻[6]中的有限元分析進行了處理，最終得到符合三相定子電路的典型設計。

3 仿真結果

仿真模型完整的反映了推進驅動系統從起始狀態(tài)，變頻器強迫換相脈沖操作，直至轉速足夠高以使得能夠切換到負載換相模式的過程。

推進電動機的轉速上升率受發(fā)電機的動態(tài)性能的限制。如圖3所示，顯示了電動機轉速上升和下降受發(fā)電機限制范例，被用來作為仿真的速度模型。

圖3 速度斜率曲線

電動機和水中螺旋槳的有關阻力矩方程即為電機轉速和船舶的函數方程。根據相應的電動機方程組，阻力矩為其中的一個二次曲線方程式。然而，這是一個靜態(tài)曲線。因此，它可以被認為電機轉速緩慢變化情況的有效近似，因為它并沒有考慮船舶速度和馬達速度的不同動力學情況。

3.1 推進模式

LCI中可控硅晶閘管之間的電流變化是由電動機反電動勢驅動。然而，電動機啟動時的反電動勢近似為零或非常低，需要采用強迫脈沖的方法。通過切斷可控硅晶閘管、直流母線電流的電源，來促使電動機電流為零。然后，直流母線電壓恢復以及隨后觸發(fā)可控硅晶閘管。這種情況下，電動機速度從零增加到額定值的10%，這樣就可以切換到負載換相操作。

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

16極電動機的起動狀態(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變?yōu)榱恪＜s5 s之后電動機的速度達到每分鐘15 rpm，變頻器被切換到負載換相狀態(tài)。

電動機起動階段的推進系統的母線電流曲線如圖5所示。其產生的原因是變頻器前端為24脈沖。由于脈沖的影響導致仿真算法的計算量很大，降低了仿真效率，并在計算過程中有可能內存不足。但是脈沖操作在船舶電網上影響并不是很大，因為它只在電動機的起動階段維持短短幾秒鐘的時間并且饋電流幅值很小。因此，脈沖操作在船舶電網中可以忽略不計，這樣可能減少計算量，節(jié)省仿真時間，提高仿真效率。

圖4 電動機起始階段的電流波形

3.2 簡化模型的描述

根據圖3的曲線，電動機速度從50%上升到額定值的速率較為緩慢，因此，可以使用負載轉矩的靜態(tài)曲線進行近似處理。在電動機緩慢的速度變化過程中，機械動力學的部分可以忽略不計，轉速和給定相等。這導致電動機模型可以盡速采用R-L-E負載，其中為定子相位電阻，為電機側的換相電感，為電動機的反電動勢的控制電壓源。假如電動機的磁通量在任何驅動過程中都是固定的，控制電壓的幅值和頻率始終和電動機的轉速成比例關系。單三相設備中換相電感和d和q電感瞬態(tài)分量相等。

R-L-E有源負載通過理想的三繞組變壓器連接到兩臺LCI（即圖1中的LCI-A和LCI-B），確切地說其連接到次級星形變壓器電路。而兩個主變壓器電路，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有源負載的連接組合可以看成雙三相電動機，其中兩相移相30°。另外，繞組之間的換相現象的產生原因是理想變壓器兩個主電路之間的磁耦合。

圖5 推進系統母線電流

值得注意的是，上述的簡化模型并不適合學習電動機狀態(tài)的電氣和機電特性。然而，它已被證明在集中仿真驅動系統和電力系統之間的關系，可以有效減少仿真的復雜程度。

這個結論可以通過比較兩組仿真結果來進行證實：一組采用詳細的電氣和機電特性的雙三相電動機模型，另一組采用簡化模型。

3.3 詳細模型的仿真結果

詳細模型的仿真結果顯示：電動機電流和母線饋電流隨著電機轉速變化如圖6和圖7所示。其中母線電流的THD約為12.9%。

圖6 電動機負載換相模式電流（電動機轉速? 112.5 rpm）

3.4 簡化模型的仿真結果

簡化模型的仿真結果顯示：電動機電流和母線饋電流隨著電機轉速變化如圖8和圖9所示。其中母線電流的THD約為12.4%，和詳細模型的結果十分近似。

圖7 母線電流（電機轉速? 112.5 rpm）

另一方面，圖6和圖8之間的比較清楚地表明電動機側電流波形的變化取決于是采用簡化模型還是復雜模型，其中最敏感的參量為與直流母線電流波動相關聯的波紋振幅。

4 結束語

本文闡述了典型的全電力船舶的典型推進系統，并構建了推進和負載狀態(tài)下詳細的系統模型，得出了相應的仿真結果。然而，即使采用最先進的PC硬件條件，復雜模型的仿真仍然會導致非常高的計算量，并消耗很長的時間，甚至有可能出現內存不足的問題。由于這個原因，基于對船舶電網影響不大的原則下簡化了全船IEPS的仿真模型，即通過用R-L-E負載替代電機模型。并通過對兩種模型的推進系統母線電流的幅值和波形進行了分析，證明了簡化模型和復雜模型具有良好的一致性。

圖8 簡化模型的電動機電流（電動機轉速? 112.5 rpm）

圖9 簡化模型母線電流（電動機轉速? 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.

[2] J.J.Simond, A.Sapin, M.Tu Xuan, R.Wetter and P.Burmeister, “12-pulse LCI synchronous drive for a 20 MW compressor modeling, simulation and measurements”, in proc. of IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Vol.4, pp.2302-2308, October 2005.

[3] R.S.Colby, M.D.Otto and J.T.Boys, “Analysis of LCI synchronous motor drives with finite DC link inductance”, Electrical Power Applications IEE Proceedings-B, Vol.140, No.6, pp.379-386, November 1993.

[4] W.Leonard, Control of electrical drives, Springer, Berlin, 1996.

[5] A.N.Alcaso and A.J.M.Cardoso, “Modeling and simulation of LCI drive system under normal and faulty operating conditions”, in proc. of Portuguese-Spanish Congress of Electrical Engineering, Vol.II, pp.6.157-6.162, July 2003.

[6] A. Contin, A. Grava, A. Tessarolo, G. Zocco, “A Novel modeling approach to a multi-phase, high power synchronous machine”, in proc. of Int. Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, Sec.19, pp.7-12, 2006.

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（1966-），碩士，高級工程師。研究方向：機電一體化。