基于直流電網(wǎng)的船舶電站分區(qū)間目標(biāo)控制策略研究

賈志強(qiáng) ，華　斌 ，解錦輝（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

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基于直流電網(wǎng)的船舶電站分區(qū)間目標(biāo)控制策略研究

賈志強(qiáng) ，華斌 ，解錦輝
（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

摘要：提出了一種基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)高效率運(yùn)行的控制策略，即分區(qū)間目標(biāo)控制策略。引入功率滯環(huán)來確保控制系統(tǒng)輸出穩(wěn)定。并在MATLAB/Simulink中對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。仿真驗(yàn)證了該控制策略的可行性。與傳統(tǒng)采用交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)相比油耗明顯降低，效率顯著提高。

關(guān)鍵詞：直流電網(wǎng)船舶電力系統(tǒng)變速發(fā)電分區(qū)間目標(biāo)控制策略柴油發(fā)電機(jī)組

0　引言

本文搭建了基于直流電網(wǎng)的船舶電站的系統(tǒng)級(jí)仿真模型。同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電經(jīng)不控整流環(huán)節(jié)接入直流母線，直流電經(jīng)逆變后供三相交流負(fù)載使用。控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和綜合控制器組成，在分析了柴油機(jī)油耗曲線的特征以及最大功率曲線和等功率線的基礎(chǔ)上，提出并在綜合控制器中加入了分區(qū)間目標(biāo)控制策略，以降低系統(tǒng)油耗，提高系統(tǒng)效率。

1　轉(zhuǎn)速與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

變速柴油發(fā)電機(jī)組的控制主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制發(fā)電機(jī)電壓、綜合控制器作為上位機(jī)根據(jù)負(fù)載情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制器的給定，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的高效恒壓變速發(fā)電。

1.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1　柴淮機(jī)調(diào)速系統(tǒng)框圖

參照MATLAB提供的柴油發(fā)電機(jī)模型，搭建出一種簡化的柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。其中，K是控制器的放大系數(shù)，T1是控制器的時(shí)間常數(shù)，T2是二階環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。是柴油機(jī)組與執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)[5]。柴油機(jī)在工作過程中，由于燃燒環(huán)節(jié)的噴油發(fā)火延遲，以及熱力環(huán)節(jié)燃?xì)獾臒釕T性等因素的影響，因而柴油機(jī)是一個(gè)有較大延遲的系統(tǒng)，Td是柴油發(fā)電機(jī)組的延時(shí)時(shí)間。轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)積分限幅環(huán)節(jié)作用于油門齒條調(diào)節(jié)油門大小，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩信號(hào)，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相乘即得柴油機(jī)的機(jī)械功率，作為柴油機(jī)與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，為發(fā)電機(jī)組提供原動(dòng)力。

圖2　柴淮機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)模型

1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)維持發(fā)電機(jī)端電壓的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及改善電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件有非常重要的作用[6]。本文中采用的無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)，取消了碳刷和滑環(huán)，不會(huì)產(chǎn)生火花；沒有碳粉的污染，能提高系統(tǒng)絕緣的壽命；此外，維護(hù)保養(yǎng)也很簡單。該勵(lì)磁調(diào)節(jié)器模型主要由電壓差模型、補(bǔ)償器、放大器、比例飽和環(huán)節(jié)、交流勵(lì)磁機(jī)及反饋環(huán)節(jié)幾部分組成。

1.2.1 電壓差模型

其中，Ur為發(fā)電機(jī)正序電壓，Ud為發(fā)電機(jī)d軸電樞端電壓，Uq為發(fā)電機(jī)q軸電樞端電壓，Tr為低通濾波器時(shí)間常數(shù)。U△為電壓差，Uref為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器給定參考電壓，Uf0為勵(lì)磁電壓初始值，為勵(lì)磁機(jī)有效增益， Ustab為接地零電壓，Uff為反饋環(huán)節(jié)輸出電壓。

1.2.2 補(bǔ)償器模型

1.2.3 放大器模型

1.2.4 比例飽和環(huán)節(jié)

1.2.5 交流勵(lì)磁機(jī)模型

交流勵(lì)磁機(jī)簡化的數(shù)學(xué)模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其輸出的勵(lì)磁電壓為

其中Te為勵(lì)磁機(jī)的時(shí)間常數(shù)，Ke為勵(lì)磁機(jī)的增益常數(shù)。

1.2.6 反饋環(huán)節(jié)

2　綜合控制器

根據(jù)柴油機(jī)的油耗特性曲線（圖3）可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，在最大轉(zhuǎn)矩以內(nèi)轉(zhuǎn)矩越大，則油耗越低。而相同負(fù)載下，高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的情況下運(yùn)行，要比高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的情況下運(yùn)行的油耗要低。因此本控制策略想要實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)即是系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)載的情況，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)工作在油耗比較低的狀態(tài)下，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖3　柴淮機(jī)淮耗曲線

為了方便控制策略的實(shí)現(xiàn)，首先需要將柴油機(jī)的等油耗曲線以及等功率曲線進(jìn)行分段線性擬合，然后根據(jù)柴油機(jī)實(shí)時(shí)的負(fù)載狀況，在等功率曲線上選取油耗較低的點(diǎn)，將該點(diǎn)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩作為調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的目標(biāo)點(diǎn)。然而工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，實(shí)時(shí)負(fù)載并不會(huì)是一成不變的，而有可能是不斷變化的，若是控制器的給定隨負(fù)載不斷改變，則有可能會(huì)引起系統(tǒng)的振蕩，難以穩(wěn)定，這對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行十分不利。基于此提出了分區(qū)間目標(biāo)控制策略，即根據(jù)各負(fù)載率下最佳轉(zhuǎn)速的實(shí)際情況，將負(fù)載率分成若干個(gè)區(qū)間，每一段區(qū)間有一個(gè)確定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，當(dāng)負(fù)載程度在某段區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速并不變化，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

此外，程序上在每一段區(qū)間的功率分界點(diǎn)處設(shè)置滯環(huán)，這樣能夠保證當(dāng)負(fù)載功率在區(qū)間分界點(diǎn)附近變化時(shí)系統(tǒng)控制的目標(biāo)點(diǎn)明確，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

仿真中對(duì)該部分進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的具體方法是，在各個(gè)等油耗曲線上選取若干個(gè)點(diǎn)進(jìn)行最小二乘擬合。隨后，根據(jù)油耗曲線的特點(diǎn)，以及等油耗曲線跟等功率線的走勢，將負(fù)載功率分為若干個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間根據(jù)油耗曲線的走勢選定一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)速作為調(diào)速器在該負(fù)載區(qū)間下的目標(biāo)轉(zhuǎn)速。

圖4為綜合控制器程序中設(shè)置滯環(huán)的示意圖。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載升高時(shí)，當(dāng)負(fù)載功率大于2P時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速從n1變成n2，當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增加，增大到4P時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速從n2變成n3。同樣的，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載下降時(shí)，只有當(dāng)負(fù)載降到P3時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速才從n3變成n2；負(fù)載繼續(xù)降低，降到P1時(shí)，目標(biāo)轉(zhuǎn)速才從n2變成n1。從圖中可以看出，目標(biāo)轉(zhuǎn)速變換的方向不同，則變換的負(fù)載點(diǎn)也不同。合理設(shè)置這樣的滯環(huán)，能夠避免因負(fù)載波動(dòng)而引起的控制器目標(biāo)搖擺的情形，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定可以起到非常明顯的作用。

3　仿真與驗(yàn)證

根據(jù)如上所述，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型如圖5所示。

圖4　功率滯環(huán)示意圖

仿真時(shí)間設(shè)置為24 s，設(shè)計(jì)工況如表1所示。

表1　仿真工況設(shè)置表

根據(jù)以上所設(shè)計(jì)的工況，分別對(duì)恒速發(fā)電和變速發(fā)電兩種仿真模型進(jìn)行對(duì)比。兩者在相同的時(shí)間施加相同的負(fù)載，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，對(duì)比兩者在相同時(shí)間內(nèi)燃油的消耗量，進(jìn)而驗(yàn)證控制策略是否可行，檢驗(yàn)系統(tǒng)效率是否提升。

在指定的時(shí)間改變負(fù)載，經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)過程，兩者負(fù)載基本一致，對(duì)比如圖6所示。

恒速模式仿真模型的轉(zhuǎn)速給定始終為額定轉(zhuǎn)速。變速模式仿真模型的轉(zhuǎn)速給定則根據(jù)負(fù)載的實(shí)際情況由綜合調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，仿真時(shí)的轉(zhuǎn)速給定如圖7所示。

圖變速發(fā)申模式系統(tǒng)仿真模型

圖6　恒速模式與變速模式仿真負(fù)載對(duì)比

在此設(shè)計(jì)工況下，恒速模式突然改變負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速變化見圖8，變速模式突然改變負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速變化如圖9所示。

由轉(zhuǎn)速給定曲線以及變速發(fā)電模式下發(fā)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速可以看出，采用分區(qū)間目標(biāo)控制策略，且添加了滯環(huán)之后，綜合調(diào)節(jié)器輸出的目標(biāo)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，無波動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)。系統(tǒng)能夠在給定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，電壓電流波形正常，經(jīng)多次仿真驗(yàn)證，突加突減負(fù)載時(shí)系統(tǒng)也能夠快速達(dá)到新的穩(wěn)定點(diǎn)運(yùn)行。

圖7　變速發(fā)電模式轉(zhuǎn)速給定值

由系統(tǒng)所處的狀態(tài)，可以得出系統(tǒng)實(shí)時(shí)油耗率對(duì)比如圖10所示。由系統(tǒng)油耗率與系統(tǒng)所承擔(dān)的負(fù)載，可以計(jì)算出系統(tǒng)的累積油耗，進(jìn)而得出圖11所示的累積油耗的對(duì)比曲線。經(jīng)計(jì)算，在這種設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，相較于原有的恒速發(fā)電模式而言，采用變速發(fā)電模式的系統(tǒng)綜合燃油消耗降低了約8.28%。根據(jù)柴油機(jī)油耗曲線以及所采用的分區(qū)間目標(biāo)控制策略，可得出恒速模式發(fā)電與變速模式發(fā)電在不同負(fù)載率下的油耗率曲線。

圖8　恒速模式實(shí)際轉(zhuǎn)速

圖9　變速模式時(shí)間轉(zhuǎn)速

圖10　恒速模式與變速模式實(shí)時(shí)油耗率對(duì)比示意圖

圖11　恒速模式與變速模式累積油耗對(duì)比示意圖

從圖中可以看出，在負(fù)載率低于80%左右時(shí)，變速發(fā)電模式比恒速發(fā)電模式系統(tǒng)油耗率相對(duì)要小。對(duì)于經(jīng)常工作在低負(fù)載率情況下的船舶而言，燃油消耗可降低的空間是十分明顯的，最大可以降低20%左右。

4　結(jié)論

由以上分析以及仿真對(duì)比可以看出，基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)采用可變速柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，采取分區(qū)間目標(biāo)控制策略，能夠根據(jù)負(fù)載情況靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳運(yùn)行控制。引入功率滯環(huán)，解決了負(fù)載在區(qū)間邊界處變化時(shí)引起的控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在此控制策略下穩(wěn)定運(yùn)行，與恒速發(fā)電模式相比，燃油消耗有效降低，系統(tǒng)效率顯著提升，經(jīng)濟(jì)性比以往恒速發(fā)電模式更佳，尤其適用于經(jīng)常在低負(fù)載率情況下作業(yè)的船舶。

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Research on Inter-partition Target Control Strategy of Ship Power Station based on DC Power Grid

Jia Zhiqiang，Hua Bin，Xie Jinhui
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:A control strategy of ship power system based on high-efficiency DC power operation is proposed,namely inter-partition target control strategies.Power hysteresis loops are introduced to ensure the stable output of control system.The system is implemented in MATLAB/Simulink.The feasibility of the control strategy is verified through the simulation.Compared to traditional ship power system that AC power grid is adopted,fuel consumption is reduced visibly,and efficiency is improved significantly.

Keywords:DC power grid;ship power system;variable speed power generation;inter-partition target control strategies;diesel generator set

作者簡介：賈志強(qiáng)（1991-），男，碩士研究生。研究方向：艦船推進(jìn)電機(jī)及其控制技術(shù)。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號(hào)：TM711

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0021-05