船舶電力推進系統(tǒng)建模與仿真研究

池波，翁爽

?

船舶電力推進系統(tǒng)建模與仿真研究

池波1，翁爽2

（1．中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149； 2. 上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

本文對兩臺同步電機驅(qū)動的雙推進器船舶的電力推進系統(tǒng)進行了研究。通過搭建模型來分析電力推進系統(tǒng)中的影響因素。本模型基于Matlab/Simulink仿真平臺，旨在分析船舶的運行特性。因此，通過電力推進系統(tǒng)效率和船舶速度的仿真曲線，了解了雙螺旋槳船舶電力推進系統(tǒng)的相關(guān)特性。同時對不同的參量（功率和推進轉(zhuǎn)矩，電機轉(zhuǎn)速，船舶速度等）進行了分析，為了提高船舶推進功率和推進器特性，采用了功率評估系統(tǒng)（PPP）和螺旋槳優(yōu)化系統(tǒng)（POP）。

推進 電力推進系統(tǒng) 仿真研究

0 引言

隨著電力電子器件的快速發(fā)展，電力推進系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用日益廣泛。電力推進船舶的優(yōu)勢在于可以滿足全球化能源的需要，通過發(fā)電機提供給本船推進動力和全船電網(wǎng)所需的電能。

本文的研究內(nèi)容是單船雙螺旋槳的電力推進系統(tǒng)。在船舶建造之前，需要對船舶的動力設(shè)備和推進設(shè)備進行選型，以滿足船舶電力推進系統(tǒng)的需要。采用兩臺同步電機驅(qū)動兩個螺旋槳，并通過變頻器完成對推進系統(tǒng)的控制，是本文的重點研究內(nèi)容。因此，我們設(shè)想了實際情況并通過仿真結(jié)果驗證其優(yōu)點，如圖1所示[1]。

：船體移動時海水提供的船體電阻；

T，T：螺旋槳產(chǎn)生的推力；

T：外界因素（風、波浪等）產(chǎn)生的阻力。

當船舶航行時，船舶受幾個方面因素的影響，船舶運行狀況受海況的影響，而海況又受天氣的影響。海水阻礙船舶的移動，實際上，研究船舶運行狀況，需要研究船舶的移動模型和了解其他影響的方面。

1 電力推進系統(tǒng)的特征

船舶推進系統(tǒng)主要包括以下方面：

交流發(fā)電機通過柴油機或氣體渦輪機產(chǎn)生電能，供給配電板和推進設(shè)備；

推進設(shè)備，包含兩個標準同步電機提供給推進器動力（電機與螺旋槳之間通過軸連接），分別由變頻器控制來調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速。如圖2所示，為一套標準的電力推進系統(tǒng)范例。

2 建模與仿真

2.1 推進系統(tǒng)的組成和建模

如圖3所示，為系統(tǒng)的構(gòu)造及各子系統(tǒng)的輸入輸出接口。推進器的速度的變化，需要根據(jù)電機轉(zhuǎn)子的位置確定電機相電流的大小。

當前頻率和轉(zhuǎn)子頻率始終是成比例的關(guān)系（同步變化）。如圖3所示，可使用電流幅值（I）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速角度（θ）來進行控制。這種方法確保電機轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定控制。其值由電機定子電流的相位和幅值決定。

2.2 電力推進系統(tǒng)的建模

本論文的研究方向是針對船舶的電力推進系統(tǒng)。主要為同步電動機在船舶推進的相關(guān)特性。

1）同步電機模型

方程組（1）為同步電動機在d-q坐標系的控制方程。為簡化計算和方便計算結(jié)果的表達，所有電氣量均采用統(tǒng)一的量化標準[2]。

方程式組（1）中各磁通量的意義如下：

定子和勵磁之間無氣隙磁通。

橫軸分量參數(shù)意義如下：

如下表達式組（2）[3]：

即磁通參量為：

即：

電磁轉(zhuǎn)矩方程式為：

負載機械方程式為:

根據(jù)表達式（1）和（2），系統(tǒng)表達式為：

根據(jù)系統(tǒng)表達式（7）和表達式（3），系統(tǒng)的表達式可為方程式（8）[4]：

推進的動力方程如下：

其中，J為轉(zhuǎn)動慣量，Q為電磁轉(zhuǎn)矩，Q為摩擦轉(zhuǎn)矩，Q為推進轉(zhuǎn)矩。

船舶速度主要由電動機速度決定。本文中，船舶由兩個同步電動機驅(qū)動兩個定距槳運動，提供船舶動力。此船舶推進系統(tǒng)可分為若干個子系統(tǒng)。

2.3 仿真結(jié)果

我們采用Matlab/Simulink構(gòu)建模型并完成仿真運算。其中仿真結(jié)果基于電動機轉(zhuǎn)速為在∈[0,800 s]為15 m/s及∈[800 s,1500 s]為10 m/s。

圖4,5,6分別表示電機速度，船舶速度，螺旋槳功率。

從曲線中可以看出，船舶的速度曲線隨著電機的速度曲線變化而變化，而圖7中的船舶速度曲線相對于電機速度曲線來講，其趨于穩(wěn)定的速度沒有電機那么迅速。

圖8說明推進功率變化隨電機速度變化而變化，證實了推進控制框圖的正確性和準確性。

3 結(jié)論

本文模擬仿真了船舶電力推進系統(tǒng)，仿真結(jié)果的分析讓我們對系統(tǒng)運行狀況有更深層次的理解和分析。仿真結(jié)果證明我們建模的準確性，同時保證我們針對未來船舶電力推進系統(tǒng)可以提出更新的控制和電站管理策略。

[1] M. Blanke, R.I. Zamanabadi. Reconfigurable control of a ship propulsion plant, control applications in marine systems. Fukuoka, Japan, 1998, (10):88-95.

[2] T. C. Gillmer, B. Jonson, Propulsive force and propulsion system. Naval Institue Press, Annapolis, Maryland , 1982 ,(50): 172-177.

[3] H. Dallagi. S. Nejim, Etude. Comparative et Modélisation de deux systèmes de propulsion de navire. Conférence Tunisienne de Génie Electrique, 2004, (33): 134-143.

Modeling and Simulation of Ship’s Electric Propulsion System

Chi Bo1，Weng Shuang2

(1.China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China； 2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, SDARI, Shanghai 201203，China)

TM728

A

1003-4862（2014）09-0076-03

2014-08-25

池波（1978-），男，工學碩士。研究方向：電氣工程。