基于 PLECS 的船舶中壓直流綜合電力系統仿真研究

程垠鐘，李莉紅，晏 陽，杜劍維

（中國艦船研究院，北京 100192）

基于 PLECS 的船舶中壓直流綜合電力系統仿真研究

程垠鐘，李莉紅，晏 陽，杜劍維

（中國艦船研究院，北京 100192）

針對船舶中壓直流綜合電力系統，分析系統的結構和特性。給出船舶中壓直流綜合電力系統的機理模型，包括原動機、發電機、推進電機和四象限負載等。在 PLECS 軟件中建立船舶中壓直流綜合電力系統的仿真模型，實現了系統起動、加速和突然倒車等正常和極端工況的數字仿真，仿真結果驗證了本文所進行的數字仿真研究的正確性，能夠為系統的早期設計提供仿真工具。

船舶綜合電力系統；中壓直流；仿真

0 引 言

隨著船舶現代化的發展，船舶綜合電力推進［1］已經逐漸成為船舶的主流推進方式。采用中壓直流（Medium Voltage DC， MVDC）配電的船舶綜合電力系統除了具備船舶綜合電力系統本身的優點外，還具有能夠提高系統的功率密度、節省空間、提高系統的效率等潛在的優點，因而成為了船舶綜合電力系統未來的發展趨勢［2–3］。然而，與優點相對應的是系統復雜程度和控制難度的大大增加［4］，需要有效的分析和研發工具從而充分發揮 MVDC 系統的優點。

建模與仿真在設計研發階段能夠成為船舶綜合電力系統強有力的設計和分析工具。商用的數字仿真軟件提供了豐富的模型庫供用戶使用。文獻［5］利用Matlab 初步實現了全電力推進船舶交流電力系統的數字仿真，具有進行穩態、動態仿真和諧波分析的功能；文獻［6］利用 PSCAD 實現了船舶中壓交流綜合電力系統的數字仿真；文獻［7］基于 Simulink 完成了低壓直流電力系統的建模與仿真，利用自主構建的模型解決了系統結構復雜，仿真速度慢的缺點；文獻［8］開展了初步的中壓直流綜合電力系統的數字仿真，但是其研究的工況較為單一，控制方式較為陳舊。

從以往國內外進行的船舶綜合電力系統數字仿真研究來看，針對交流配電系統的仿真研究較多，也較為成熟；而針對直流配電系統的仿真研究則剛剛開始，針對 MVDC 系統的數字仿真則更加匱乏，使用的模型、控制方式以及仿真研究的工況都較具有一定的局限性。本文通過開展結構分析、數學模型等研究，實現了船舶 MVDC 綜合電力系統的數字仿真。

1 結構及特性分析

本文研究的船舶 MVDC 綜合電力系統的單線圖如圖 1 所示［9］，包含了系統各個典型的組成部分，由燃氣輪機、轉速控制器、同步發電機、勵磁調壓器、二極管整流器、整流濾波器、制動電阻、逆變濾波器、PWM 電壓源逆變器（PWM-VSI）、異步推進電機、船槳負載以及直接轉矩控制系統組成。這樣一種構成也使得系統的仿真體現出了一定的特性：

1）系統包含了動態特性差別較大的機械設備和電力電子變換器，系統的時間常數范圍從納秒級的電力電子開關時間常數到百秒級的船舶運動時間常數，因此，系統存在剛性的問題。

2）系統各部分之間聯系緊密，為了使仿真更接近真實系統，必須考慮系統各設備之間的相互影響，也就是說，系統中的每個設備都要受到與其連接的設備的影響［10］，因此，各模型之間的連接必須是雙向的。

3）系統包含正常以及緊急情況下的多種運行工況，為了全面的對系統進行仿真，必須將系統的工況與船槳負載的特性結合起來。

圖 1 船舶中壓直流綜合電力系統組成結構示意圖Fig. 1 Configuration of the shipboard MVDC integrated propulsion system

針對船舶中壓直流綜合電力系統具有上述特性，本文選擇了 PLECS 作為仿真工具［11–13］，采用螺旋槳四象限負載同異步電機 DTC 結合的方法，實現了全系統正常和緊急情況下多種工況的仿真。

2 系統建模

2.1 發電系統的數學模型

2.1.1 原動機

燃氣輪機及調速器被作為原動機向同步發電機提供機械功率，在 MVDC 綜合電力系統中，燃氣輪機受到調速器的控制帶動同步發電機始終以一個恒定的速度運行，原動機的動態響應和系統剩余部分的動態響應相互影響，本文采用了簡化的單軸燃氣輪機及其調速器的標幺值模型［14］，其框圖如圖 2 所示。

圖 2 燃氣輪機及調速器模型結構圖Fig. 2 Structure of the gas turbine with governor model

2.1.2 同步發電機-整流器

從圖 1 可知，在系統中，同步發電機和二極管整流器直接相連，如果采用傳統的 d-q 軸模型，需要使用受控源實現 d-q 軸的動態模型，而受控源不能與二極管等非線性元器件直接相連，需要加入額外的緩沖電路。而 VBR（Voltage-beind-reactance）模型的定子使用阻感支路建模，轉子采用狀態方程建模，采用 VBR模型可以很好避免這一問題［15］。實現定子端直接同二極管整流器連接而不需要額外的緩沖電路，因此實現了在不損失模型精度的情況下仿真模型的簡化，其示意圖如圖 3 所示。

圖 3 同步發電機 VBR 模型與二極管整流器結構圖Fig. 3 Configuration of the synchronous machine VBR model with diode rectifier

二極管整流器可以采用仿真軟件中提供的開關模型和平均值模型（AVM），AVM 中［16］使用狀態方程計算直流母線的電壓

2.1.3 直流電壓控制器

傳統的船舶交流綜合電力系統中，系統的電壓母線為三相交流，通過控制發電機的勵磁來控制發電機輸出的三相電壓從而使得交流母線保持穩定，在船舶MVDC 綜合電力系統中通過控制勵磁電壓來直接控制直流母線電壓的幅值，直流母線電壓的控制結構如圖 4所示。

圖 4 直流電壓控制器模型結構示意圖Fig. 4 DC voltage regulator-exciter

2.2 推進系統的數學模型

2.2.1 PWM-VSI

由于同樣為電力電子開關器件，PWM-VSI 與二極管整理器相似，也可以通過開關模型和平均值模型兩種方式進行建模，其中開關模型通常由仿真軟件提供。為建立 PWM-VSI 的平均值模型，假設所有的開關都工作在連續導通的模式，則使用一個連續的正弦波對 PWM 進行平均［17］

其中，m 為調制比。相應的直流側電流可以表示為

2.2.2 異步推進電機 DTC 控制系統

通過圖 1 可知，在推進系統，需要實現異步推進電機的轉矩控制，通常使用的轉矩控制方法主要有恒轉差率控制［8］、直接轉矩控制（DTC）［18］等。然而恒轉差率控制不能實現電機的四象限驅動，直接轉矩控制存在開關頻率變化、起動和低速性能較差以及不能使用平均值的 PWM-VSI 進行建模等缺點，由于綜合電力系統的異步推進電機和螺旋槳同軸相連，多工況的仿真需要實現四象限的運行，而且為了能夠在 DTC 中使用 PWM-VSI 的平均值模型，本文采用了一種恒開關頻率的異步推進電機直接轉矩控制方法，其原理框圖如圖 5 所示。

其中，異步推進電機的定子磁鏈和電磁轉矩由2個PI 控制器進行控制，其輸出為定子磁鏈參考坐標系下的定子電壓給定，PWM-VSI 在使用仿真軟件提供的開關模型時，其輸入為 PWM 脈沖，在使用平均值模型時，其輸入為正弦電壓信號。

2.2.3 船槳負載

船舶綜合電力系統的運行工況與螺旋槳負載的特性具有緊密的聯系，為了進行多種不同工況的運行，進行四象限螺旋槳的建模。

圖 5 恒開關頻率 DTC 控制框圖Fig. 5 Diagram of the constant switching DTC

旋槳旋轉時產生的阻轉矩和推力可分別表示為［19］：

其中，KQ為無量綱的轉矩系數，ρ為海水密度，kg/m3；n 為螺旋槳的轉速，r/s；D 為螺旋槳的直徑，m。在考慮四象限負載特性的情況下，其可以表示為進速系數 J 的函數，有

其中，Va為船舶的進速，m/s。和均為螺旋槳對于水的前進角的單值函數，可表示為：

其中，β 為前進角，為相對于水的速度相量同葉片速度相量之間的夾角，有

前進角 β 的變化描述了船舶綜合電力系統螺旋槳工作的4個象限，從而定義了船舶綜合電力系統運行的不同工況。如表 1 所示。

當螺旋槳正轉，且船舶前向航行時，系統工作在第一象限，在突然倒車的開始時，螺旋槳迅速反轉，而船舶本身的慣性時間常數比較大，會出現一個緩慢減速的過程，此時，螺旋槳反轉，而船舶仍向前航行，則系統工作在第 2 象限，異步推進電機將向MVDC 母線回饋能量。當螺旋槳反轉，船舶的航速降為 0 時，反轉的螺旋槳將推進船舶向后航向，此時異步推進電機又將進入電動狀態，系統將工作在第三象限。當螺旋槳反轉并推進船舶向后航行時，突然正轉螺旋槳，此時，由于船舶的航速不能突變，系統將工作在第四象限，其情況與第 2 象限類似。船舶綜合電力系統在第一象限和第 3 象限都能穩定運行，而第 2象限和第四象限則是2個過渡的工況。

表 1 螺旋槳工況與前進角對應的關系Tab. 1 Propeller operating conditions correspond to β

船舶在靜水中的前向加速運動可以通過牛頓第二定律得到［20］：

其中，Va為船舶的前向運行速度，m/s ；t 為推力減額系數（無量綱）；Fdrag為船體向后的航行阻力，N；m為船舶的質量，kg；ma為受到船舶航行影響的船舶的附加質量系數（無量綱）。由于受到船體和周圍水流的影響，船舶的航速和船舶的前進速度往往并不相等，其關系可以表示為：

其中，w 為泰勒伴流系數（無量綱）。

根據船槳負載模型，本文給出螺旋槳四象限負載和異步推進電機恒開關頻率 DTC 系統之間的結合關系如圖 6 所示。

3 仿真算例

在機理模型的基礎上，在 PLECS 中構建仿真算例對系統進行數字仿真，仿真所使用的參數如下［21］：

燃氣輪機及其調速器參數：Kp= 8，Kt= 3，TVP= 0.5，TFS= 0.2；

圖 6 恒開關頻率 DTC 控制框圖Fig. 6 Diagram of the constant switching DTC

21 MW三相同步發電機參數：Rr= 1.27 mΩ，Rfd= 401 mΩ，Rkd= 4.74 mΩ，Rkq= 5.26 mΩ，Lls= 391 μH，Lmq= 2.51 mH，Lmd= 2.79 mH，Llfd= 227 μH，Llkd= 69.8 μH，Llkq= 157 μH，P = 2，fb= 60 Hz；

直流電壓控制器參數：τ1= 0.001，Kp= 0.1，Ki= 0.05，Vmax= 150，τ2= 0.02；

19MW 異步推進電機參數：Rs= 27 mΩ，Rr= 8 mΩ，f = 15 Hz，Lls= 1.5 mH，Llr= 1.7 mH，Lm= 31.7 mH；

螺旋槳及船體參數：D = 5.5 m，ρ = 1 025 kg/m3，w = 0.2，td= 0.04，m = 1.325×107kg，ma= 1.08。

本算例進行船舶中壓直流綜合電力系統多工況的仿真，仿真的工況既包括系統的起動、加速等正常工況，也包括了系統突然倒車的極端工況，在突然倒車工況中，船舶需要緊急制動并使得船舶的航向從全速前進到向相反的方向航行。由于螺旋槳的反轉使得船舶快速停車并反向航行是船舶綜合電力系統承受的最為嚴重的工況之一。

對于船舶 MVDC 綜合電力系統來說，在突然倒車的情況下，采用雙向的推進電機驅動系統能夠將倒車產生的能量回饋到直流母線處，由于采用直流電網的形式，這部分能量將在直流母線處進行處理，采用在直流母線處加入制動電阻的方式將回饋的能量以熱能的形式消耗掉。為不使熱量耗散過大，使用控制器對直流側制動電阻回路的開關進行控制，將 MVDC 總線的直流電壓控制在 6 kV 以內，當電壓超過 6 kV 時，控制器開始工作，從而使得母線的電壓不超過 6 kV。在制動電路模型建立完畢之后進行船舶 MVDC 綜合電力系統突然倒車工況的仿真，仿真結果如圖 7 ～ 圖 10所示。

圖 7 ～ 圖 10 分別給出了船舶 MVDC 綜合電力系統在突然倒車工況下的燃氣輪機輸出機械轉矩、同步發電機電磁轉矩、燃氣輪機轉速、直流母線電壓、直流母線電流、同步發電機相電壓、異步推進電機電磁轉矩、轉速、相電流、螺旋槳的阻轉矩、推力、船舶航行的速度、燃氣輪機輸出的機械功率、直流母線功率、異步推進電機輸出機械功率的仿真結果曲線。

圖 7 燃氣輪機轉矩、發電機電磁轉矩和轉速結果Fig. 7 Simulation results of the turbine torque， SM EM torque and turbine speed

圖 8 直流母線電壓、電流和發電機相電流結果Fig. 8 Simulation results of the MVDC voltage，current and SM phase current

圖 9 推進電機電磁轉矩、轉速和相電流結果Fig. 9 Simulation results of the IM EM torque， rotational speed and phase current

圖 10 螺旋槳阻轉矩、推力和船舶航速結果Fig. 10 Simulation results of the propeller load torque， thrust and ship speed

從圖 7 ～ 圖 10 的仿真結果曲線可看出，仿真開始時，首先進行勵磁系統的動態過程，建立 5 kV 直流母線電壓，在 15 s 時起動推進電機，給定推進電機的電磁轉矩 1 MN.m，50 s 后推進電機的電磁轉矩達到給定值，此時，異步推進電機的轉速開始逐漸趨于穩定，系統的其他狀態也逐漸趨于穩定，船舶將以大約 18 kn穩定航行；150 s 時，突然將給定電磁轉矩在 30 s 內從1 MN.m 降至–0.5 MN.m，隨著電磁轉矩給定的降低，系統的各個變量開始從原有的水平降低，其中異步推進電機的轉速緩慢降低，在異步推進電機的轉矩將為0 而其轉速為正轉這段時間內，船舶仍舊保持前向行駛，大約從 170 s ～ 180 s，推進系統進入能量回饋狀態，在能量回饋狀態下，直流母線電壓升高，受到制動回路的控制作用而保持在 6 kV，燃氣輪機輸出的轉矩、發電機的電磁轉矩、直流母線電流為 0，在能量回饋階段，燃氣輪機的輸出功率和直流母線的功率均為 0，而異步推進電機輸出的機械功率為負值，表明其進入了發電狀態；在 180 s 之后，異步推進電機的轉速反轉，推進系統重新進入電動狀態，系統的各個變量開始增加，并最終穩定，異步推進電機的轉速穩定在–6 rad/s，在螺旋槳反轉的作用下，船舶緩慢減速，在 290 s 時航速降為 0，開始向后航行。

4 結 語

本文建立了 MVDC 綜合電力系統的仿真模型，能夠滿足系統仿真的需要。給出了四象限的螺旋槳和船舶運動負載與異步推進電機 DTC 系統結合的過程，首次實現了船舶 MVDC 綜合電力系統在正常和緊急等多個不同工況下的動態仿真，仿真結果表明了所進行的仿真的正確性。本文的工作為今后中壓直流配電船舶綜合電力系統的設計和研發奠定了基礎。

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Research on simulation of shipboard MVDC integrated power system based on PLECS

CHENG Yin-zhong， LI Li-hong， YAN Yang， DU Jian-wei
（China Ship Research and Development Academy， Beijing 100192， China）

Aiming at shipboard medium voltage DCMVDC integrated power system， the structure and characteristic of the system is analyzed in this paper. The mathematical model of the system， including prime-mover， generator， propulsion motor and four-quadrant propeller load is proposed. Then the simulation model of MVDC shipboard integrated power system is established in PLECS simulation software， and the numeric simulation of the normal and emergency operating conditions such as start， speed up and crash back is carried out. The simulation of the normal and emergency conditions for the whole system is then achieved. The simulation results validate the research of the numerical simulation for the shipboard MVDC integrated power system， which can provide simulation tools in the early design stage for the system.

shipboard integrated power system；MVDC；Simulation

TM743

A

1672 – 7619（2016）04 – 0087 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.018

2015 – 11 – 23；

2016 – 01 – 15

程垠鐘（1987 – ），男，博士，工程師，主要從事船舶綜合電力系統的建模、仿真、分析等研究工作。