雙饋變頻供電的電力推進系統研究

徐　燃，王　英（大連交通大學電氣信息學院，遼寧大連116028）

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雙饋變頻供電的電力推進系統研究

徐燃，王英
（大連交通大學電氣信息學院，遼寧大連116028）

摘要：文章提出了一種由雙饋發電機提供變頻電源，驅動變頻電機的電力推進系統。該系統通過對雙饋發電機轉子勵磁，產生變壓變頻電源驅動電機調速運行。由于雙饋發電機轉子側只需提供轉差功率，使得變頻器的容量較小，可以在一定程度上緩解電力推進對變頻器容量需求較高的問題。文章給出了電力推進系統的結構框架，建立了系統的數學模型，并根據所建立的數學模型，利用MATLAB對其進行了仿真分析，驗證了此電力推進系統變頻調速的可行性。

關鍵詞：電力推進雙饋電機變頻發電變頻調速

0　引言

電力推進的核心就是電機的變頻驅動，目前國內和國際上都是采用大功率變頻器來驅動專用的變頻電機實現推進，系統中變頻器功率要和電機匹配，即變頻器功率大于等于電機功率。針對目前電力推進系統對變頻器容量要求不斷提高的情況，本文提出一種基于雙饋發電機的變頻電源供電的電力推進系統結構。由于變頻器的作用是給雙饋發電機轉子側提供勵磁電流，由雙饋電機的工作原理可知，變頻器只需提供轉差功率，大幅度減小了對變頻器的容量需求。雙饋發電機在風力發電和船舶軸帶發電中已廣泛應用，控制技術相對成熟。文章在這些理論的基礎上，設計了系統的結構，建立了數學模型，并對船模在靜水中正向航行的特性進行SIMULINK仿真研究。

1　系統工作原理

系統的工作原理為，柴油機和雙饋發電機同軸相連，帶動發電機轉子在一定的速度下旋轉。轉子繞組與變頻器相連，通過控制轉子側的勵磁電流實現雙饋電機定子側變壓變頻電源的輸出。雙饋發電機定子側繞組與所驅動的異步電動機定子繞組直接相連，通過改變雙饋發電機定子發出電壓，實現異步電動機變頻調速。異步電動機加上負載即螺旋槳來進行船舶的電力推進。

2　雙饋變頻推進系統的設計與分析

2.1 柴油機的工作特性[3]

目前以柴油機為原動機的技術較為成熟，在電力船舶領域有著廣泛應用。因此本文研究以柴油機為系統原動機的建模過程。由上世紀七十年代發展至今，關于增壓柴油機動態建模的方法有三類：基于“準穩態法”先行建模、基于“容積法”動態建模和多階非線性準穩態模型。由于發電用的柴油機要求在負荷變化時轉速基本不變，即重點在于柴油機的外部轉速特性，因此本文采用第一種建模方法。柴油機及其速度調節器的結構如圖1。

圖1　柴淮機及其速度調節器的模型結構圖

其中ρ表示柴油機的下垂特性，τ取決于燃油溫度，φ取決于燃油流速，柴油機本身用一個帶有比例環節K及死區時間為TD滯后環節來表示。

由于柴油機模型中帶有的純滯后環節使整個系統成為非最小相位系統，給分析和設計帶來了不小的麻煩，本文采用文獻[3]中的設計方法，用一個二階多項式分式來做近似，如式1：

其中TD與柴油機轉速n有關系，即

文獻[3]中的各種柴油機結構參數是基于實際電力艦船所得到的，因此可以作為仿真取值的參考，并可根據不用的實際要求對文獻中的數據加以修改。

2.2 雙饋發電機VVVF電源輸出控制策略

本節討論此電力推進系統的電源部分。本文采用交-直-交變頻器，對雙饋電機控制的核心就是對變頻器轉子側逆變器的控制，由于篇幅的原因將不詳細介紹網側整流器的工作原理和控制方法，網側整流器給轉子側逆變器提供穩定的直流電壓。

由于轉子側逆變器的目的是控制雙饋異步電機的轉子側電壓和電流，所以其控制方法要根據雙饋異步發電機的數學模型來建立。此時的逆變器采用發電機定子磁鏈定策略來控制，雙饋異步發電機在定子磁鏈定向下的dq數學模型為：

由此式可以看出定子的電壓和電流之間的關系還受到交叉耦合項的影響，這是采用前饋電壓補償的方法可以消除這一影響，需要前饋補償的電壓為式2.8：

磁鏈在αβ坐標系的模型為：

其中矢量分析器為：

系統逆變器的控制結構圖如圖2中的虛線部分。

由圖2虛線部分可以看出，在以上述控制策略建立起的變頻電源系統中，給定定子的角頻率ωs，則可以根據設定的壓頻比得到對應的電壓給定值，根據這兩個給定值來得到后面負載所需要的電壓。

2.3 電力推進系統轉速閉環控制

系統采用的推進電機是異步電機，雙饋發電機給推進電機提供變頻電源。如果通過給定變頻電源的輸出頻率控制負載電機轉速時，此時系統為開環結構，將不可避免地產生轉差即轉子轉速略低于給定定子磁場轉速。為了消除這一影響，系統外環采用轉速閉環控制如圖2的反饋環節，將給定的負載電機轉速和實際負載電機轉速作比較，通過PI調節器得到實際提供給變頻電源的輸出角頻率。采用這種閉環系統，就可以直接給定負載電機轉速，使調速更加精確。

2.4 螺旋槳的工作特性

螺旋槳作用在推進電機上的轉矩用無因次量表示為2.11：

其中KM是轉矩系數，ρ為海水的密度，n為螺旋槳轉速，D為螺旋槳直徑。轉矩系數KM是進速比J的函數，其中進速比J的表達式為：

其中vs為船速，ω為伴流系數。本文做了一些簡化處理，滿載船舶在靜水中航行時，螺旋槳轉矩與轉速的關系為[7]：

即螺旋槳轉矩近似的和轉速的平方成正比。

3　系統仿真及其分析

把以上建立起的柴油機模型、變頻電源-電機模型和船槳模型連接在一起便組成了雙饋變頻推進系統，利用MATLAB/SIMULINK模塊對這個系統進行仿真。

本文只是進行理論上的研究，因而采用實驗室用的較小功率的電機來進行仿真，電機的參數選擇如表1：

表1　電機參數選擇

MATLAB仿真的過程為：船舶由靜止開始啟動、加速，進行正向航行，一直到螺旋槳轉速達到給定值并保持在給定值附近穩定運轉。這里將螺旋槳給定值設為300 r/min,得到螺旋槳轉矩和轉速波形、推進電機定子電流波形和變頻電源發出的電壓波形。如圖3。

由（a）和（b）可以看出船舶由靜止到正向航行穩定期間的動態響應時間很短，轉速穩定時基本保持在300 r/min不變，轉矩有較大脈動，但是調節時間很短，最后也達到穩定。（c）和（d）可以看出在螺旋槳實際轉速和給定值不同時，變頻電源部分會自動的調節輸出電壓的頻率和幅值來確保速度與給定值吻合。

4　結論和展望

本文主要對雙饋變頻供電的電力推進系統結構進行了建模和仿真，仿真的結果證明了這種結構在理論上是可行的。由于這種模型是采用模塊化建立的，因此便于修改和完善，例如改善電機與螺旋槳匹配關系得到更高的推進效率，考慮船體本身的運動得到更好的特性曲線等等。雖然我國對電力推進系統的研究還處于起步階段，但是當前對它的研究和應用越來越廣泛，隨著我國自主研發并投入生產實踐的電力推進船舶越來越多，也標志的中國電力推進研究不斷進步。

圖2　系統逆變器控制結構圖

圖3　仿真結果

參考文獻：

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[5] 馬繼先，陳源，陸振偉.船舶電力推進系統螺旋槳負載的建模與仿真[J].2014,22（1）:56-59.

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[7] 趙紅，郭晨，吳志良.船舶電力推進系統的建模與仿真[J].中國造船，2006,47（4）：51-55.

Research on Electric Propulsion System with Doubly-fed Variable Frequency Power Supply

Xu Ran,Wang Ying
（School of Electronics and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning,China）

Abstract:The paper presents a type of electric propulsion system.In this system,doubly-fed generators provide the variable frequency power to drive the frequency conversion motor.This system uses the rotor excitation to produce variable voltage and variable frequency power supply to drive the motor to adjust speed.Because the rotor side of doubly-fed generators only needs to provide the slip power,it makes the inverter capacity be small.So it can offset problems that electric propulsion needs the inverter which has the high capacity by this system.The paper elaborates the architecture of electric propulsion system and builds mathematical model.It also verifies the feasibility of frequency conversion speed regulation by Matlab in accordance with the established mathematical model.

Keywords:electric propulsion;doubly-fed generators;inverter generator;frequency conversion speed regulation

作者簡介：徐燃（1991），男，碩士研究生。研究方向：電力系統自動化。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號：U665.11

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0053-04