船舶電力推進系統(tǒng) VC 與 DTC 調(diào)速控制策略建模與仿真研究

劉恩東，高 嵐，羅永吉，朱漢華，司宇航，胡 佳

(武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430063)

船舶電力推進系統(tǒng) VC 與 DTC 調(diào)速控制策略建模與仿真研究

劉恩東，高 嵐，羅永吉，朱漢華，司宇航，胡 佳

(武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430063)

為研究不同永磁同步電機調(diào)速控制策略對船舶大功率推進電機調(diào)速性能的影響和在電力推進系統(tǒng)中的適用性，在推進電機及其螺旋槳負載數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立永磁同步電機矢量控制（VC）系統(tǒng)和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）系統(tǒng)。根據(jù)實船系統(tǒng)建立船舶電力推進系統(tǒng)并進行仿真，分析在船舶加速工況下 2 種控制策略的調(diào)速性能以及船舶電站的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明；2 種控制策略都有很好的控制效果，在保證良好的調(diào)速性能同時，保持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，二者在船舶電力推進系統(tǒng)中都具有一定的適用性。

電力推進系統(tǒng)；永磁同步電機；矢量控制；直接轉(zhuǎn)矩控制

0 引 言

永磁同步電動機（PMSM）以其效率高、功率因數(shù)高、力矩慣量比大、定子電流和定子電阻損耗小且轉(zhuǎn)子參數(shù)可測、控制性能好等優(yōu)點，成為船舶推進電機的最優(yōu)選擇。作為船舶電力推進的核心，交流電機調(diào)速目前有2種比較成熟且應(yīng)用廣泛的控制策略，分別是矢量控制（Vector Control，VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）[1]。雖然這 2 種控制方法在其它領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但由于船舶推進電機具有大功率、大轉(zhuǎn)動慣量等特點[2]，且運行工況較為復(fù)雜，所以 VC 和 DTC 兩種控制策略能否適用于船舶電力推進系統(tǒng)的永磁同步電動機調(diào)速控制以及兩種策略的調(diào)控效果優(yōu)劣仍有待深入研究。

本文在船舶永磁同步推進電機模型的基礎(chǔ)上分別建立矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，在 Matlab/Sim-ulink 仿真平臺上進行全船電力推進系統(tǒng)建模與仿真分析，對永磁同步電機的矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制效果進行對比分析。

1 推進電機及負載建模

1.1 永磁同步電機模型

永磁同步電機（PMSM）的磁場是由永磁體產(chǎn)生，既節(jié)約了能耗，又簡化了電機結(jié)構(gòu)，提高了電機的質(zhì)能比。與交流電機相比，永磁同步電機沒有激磁損耗，不需要從電網(wǎng)中吸收無功功率，提高了功率因素。PMSM 電機的物理模型如圖 1所示。

為了方便分析數(shù)學(xué)方程，運用坐標變換原理做線性化處理，將圖 1 分解成不同坐標系，實現(xiàn)電機解耦控制，通常所用到的坐標有 ABC 三相靜止坐標系、αβ 兩相靜止坐標系和 dq 兩相旋轉(zhuǎn)坐標系 3 種，如圖 2所示。

通常情況下，在永磁同步電機建立數(shù)學(xué)模型時一般忽略鐵芯飽和，不考慮轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組，不計渦流損耗，不考慮諧波且感應(yīng)電動勢為理想正弦波，兩相旋轉(zhuǎn)坐標系中的 PMSM 的電壓方程，即數(shù)學(xué)模型為[3]：

式中：ud，uq分別為定子在 dq 坐標下直軸電壓和交軸電壓；id，iq為定子在 dq 坐標系下的電流分量；ω 為轉(zhuǎn)子磁鏈旋轉(zhuǎn)角速度；ψd，ψq為定子在 dq 坐標系下的磁鏈分量。磁鏈方程為：

式中：Ld，Lq分別為 PMSM 的直軸電感和交軸電感；ψf為永磁體的磁鏈。

電機轉(zhuǎn)矩方程：

電機機械運動方程：

式中：TL為負載轉(zhuǎn)矩；J 為轉(zhuǎn)動慣量；F 為阻尼系數(shù)；pn為電機磁極對數(shù)；ωe為轉(zhuǎn)子電角度。

1.2 螺旋槳負載模型

螺旋槳與船體之間具有強耦合性，一般將二者作為一個整體建模，數(shù)學(xué)模型如下：

螺旋槳轉(zhuǎn)矩

螺旋槳推力

船槳系統(tǒng)運動方程

船體與螺旋槳間的關(guān)系

有界形式的進速比

式中：vs為船速；vp為螺旋槳前進速度；ω 為伴流系數(shù)；ρ 為海水密度；D 為螺旋槳直徑；n 為螺旋槳轉(zhuǎn)速；t 為推力減額系數(shù)；R 為船舶阻力；m 為船體重量；Δm 為隨船一起運動的附著水質(zhì)量；K’M和 K’p分別為修正扭矩系數(shù)和推力系數(shù)，是 J′ 的函數(shù)。

2 推進電機調(diào)速控制策略

2.1 矢量控制（VC）

推進電機的速度調(diào)節(jié)通常是通過控制電磁轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)，對于表貼式三相永磁同步電機，電磁轉(zhuǎn)矩表達式（3）可變?yōu)椋?/p>

式（10）表明，決定電磁轉(zhuǎn)矩的是定子電流在 q軸上的分量，即轉(zhuǎn)矩電流 iq。在 dq 坐標系沿轉(zhuǎn)子磁場定向的前提下，若控制 id= 0，則在 dq 坐標系中定子電流全是轉(zhuǎn)矩電流且 iq與 ψf始終相對靜止。此時從轉(zhuǎn)矩生成的角度，可將 PMSM 等效為他勵直流電動機，控制 iq可獲得與他勵直流電動機同樣的轉(zhuǎn)矩控制效果[4]。本文擬用 PMSM 矢量控制系統(tǒng)（VC），如圖 3 所示。

圖3 中，PMSM 矢量控制系統(tǒng)為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)為速度環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。系統(tǒng)由 1 個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、2 個電流調(diào)節(jié)器、3 個坐標變換模塊、1 個空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）模塊、角度傳感器、電壓源逆變器和 PMSM[5]組成。系統(tǒng)將檢測到的定子三相電流通過坐標變換轉(zhuǎn)化為 dq 坐標系下的 2 個分量，分別與電流勵磁分量給定值和轉(zhuǎn)矩分量給定值做差，通過電流調(diào)節(jié)器生成參考電壓，經(jīng)坐標變換轉(zhuǎn)化為兩相靜止坐標系下的分量，輸入到 SVPWM 模塊，然后產(chǎn)生 PWM 信號控制逆變器開關(guān)，驅(qū)動電機工作。其中定子電流勵磁分量給定值設(shè)為 0，即 id*= 0[6]；轉(zhuǎn)矩分量給定值由實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)速度調(diào)節(jié)器得到。該過程通過轉(zhuǎn)子磁場定向和矢量變換，實現(xiàn)了定子電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量的解耦，分別控制 2 個分量可獲得與直流電動機同樣的控制品質(zhì)。

2.2 直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）

電磁轉(zhuǎn)矩的生成可看成是定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用的結(jié)果，電磁轉(zhuǎn)矩表達式（3）可變形為

式中： ψs為定子磁鏈；δ 為定子磁鏈和轉(zhuǎn)子磁鏈之間的夾角。轉(zhuǎn)子磁鏈 ψf為常數(shù)，若能控制定子磁鏈的幅值不變，則電磁轉(zhuǎn)矩就只和負載角 δ 有關(guān)，通過控制δ 可控制電磁轉(zhuǎn)矩的大小，這是直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理[7]。

PMSM 定子電壓方程為：

船用永磁同步電機的定子電阻很小，若忽略定子電阻的影響，則有

所以可通過外加電壓 us來控制定子磁鏈的幅值和轉(zhuǎn)速。在很短時間內(nèi)依靠 us的作用使定子磁鏈加速旋轉(zhuǎn)，而這期間轉(zhuǎn)子速度來不及變化，由此可加大負載角 δ，若保持定子磁鏈的幅值不變，就可以使電磁轉(zhuǎn)矩增大；若使定子磁鏈反向旋轉(zhuǎn)，可使電磁轉(zhuǎn)矩減小[8]。

本文擬用 PMSM 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC）如圖 4 所示，系統(tǒng)由速度調(diào)節(jié)器、滯環(huán)比較器、電壓矢量開關(guān)表、Clark 變換、磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器，角度傳感器、電壓源逆變器和 PMSM組成。系統(tǒng)將檢測的定子三相電流 iABC經(jīng)過 Clark 變換后輸入磁鏈和轉(zhuǎn)矩觀測器，估算出定子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的大小分別與磁鏈和轉(zhuǎn)矩給定值做比較，其差值分別經(jīng)過滯環(huán)比較器得到磁鏈控制信號 Dψ和轉(zhuǎn)矩控制信號 DT，然后根據(jù)定子磁鏈位置 θ（N）、轉(zhuǎn)矩控制信號 DT和磁鏈控制信號 Dψ，利用電壓矢量開關(guān)表選擇響應(yīng)的電壓矢量控制逆變器開關(guān)的通斷，驅(qū)動電機運行。其中磁鏈給定信號為常數(shù)，轉(zhuǎn)矩給定信號由實際轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速的差值經(jīng)速度調(diào)節(jié)器得到的。該過程將轉(zhuǎn)矩和磁鏈作為反饋信號，省去復(fù)雜的矢量變換，直接控制電磁轉(zhuǎn)矩，從而達到調(diào)速的目的[9]。

3 船舶電力推進系統(tǒng)仿真分析

除了永磁同步推進電機及螺旋槳負載建模和 2 種

控制系統(tǒng)模型外，船舶電力推進系統(tǒng)中還有柴油發(fā)電機組、高低壓負載等模塊建模，參見文獻[10]。

3.1 仿真對象及系統(tǒng)參數(shù)

以某船為母型船，基于 VC 和 DTC 兩種控制策略，在 Matlab/Simulink 仿真平臺中建立船舶電力推進系統(tǒng)模型，如圖 5 和圖 6 所示。該船采用的是 6 600 V、50 Hz 船舶中壓電力系統(tǒng)，由 2 個中心電站組成，每個電站有 2 臺中壓柴油發(fā)電機組；2 套推進系統(tǒng)，本文采用 1 個電站和 1 套推進器進行仿真分析。發(fā)電機組額定容量 3 388 kVA，額定電壓 6 600 V，額定電流 296 A，功率因素 0.85，頻率 50 Hz；推進電機的額定功率 4.088 MW，電機額定電壓 660 V，額定轉(zhuǎn)速 200 r/min，額定轉(zhuǎn)矩 Tn = 195 200 N·m；螺旋槳直徑 3.6 m，槳葉數(shù)為 4，船體質(zhì)量 16 229 t。

3.2 仿真設(shè)置

仿真時間長度為 8 s，0 s 時發(fā)電機組啟動，達到額定電壓后接入電網(wǎng)；1 s 時船上其它負載投入運行；3 s 時船舶啟動航行，初始轉(zhuǎn)速設(shè)定為 100 r/min；4 s 時加速，設(shè)定速度變?yōu)?150 r/min；5 s 時加入負載轉(zhuǎn)矩 100 kN·m擾動，6 s 時擾動消失。電力系統(tǒng)中觀測的主要參數(shù)有發(fā)電機有功功率、發(fā)電機端電壓、勵磁電壓、頻率。推進系統(tǒng)中觀測的參數(shù)有推進電機轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、定子三相電流、船速等。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 船舶電站特性參數(shù)分析

船舶電站主要特性參數(shù)的系統(tǒng)仿真結(jié)果如下：

2 種控制策略下船舶電站及負載的變化趨勢基本相同，船舶電站的參數(shù)變化曲線如圖 7 所示。取其中一種情況加以說明，1 s 時輔機及日常用電設(shè)備投入運行，發(fā)電機有功功率增大，經(jīng)過短暫的過渡時間后進入穩(wěn)定狀態(tài)，勵磁電壓立刻上升然后回落至額定值，使得發(fā)電機端電壓基本無變化，向電網(wǎng)穩(wěn)定供電，同時發(fā)電機頻率經(jīng)過小范圍下降后回到額定值；3 s 時大功率推進系統(tǒng)投入運行，發(fā)電機功率增大，勵磁電流瞬時大范圍增大以調(diào)節(jié)并補償大功率負載造成發(fā)電機輸出電壓的壓降，發(fā)電機輸出電壓下降 0.5%，對于電力系統(tǒng)影響可以忽略不計；4 s 加速時，發(fā)電機組的勵磁電壓、輸出電壓和頻率與上一秒變化相同，但變化范圍減小；5 s 加入負載擾動時，發(fā)電機組有功功率繼續(xù)增大，推進系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩呈現(xiàn)波動狀態(tài)，此時勵磁電壓增大，發(fā)電機輸出電壓有少量的波動，電壓波動不到 0.7%，頻率降低；6 s 負載擾動消失，發(fā)電機組有功功率減小，勵磁電壓降低，發(fā)電機輸出電壓波動逐漸消失并穩(wěn)定在額定值，頻率增大然后穩(wěn)定在額定值。整個過程中，頻率相對保持穩(wěn)定，最大變化率不超過0.2%，在允許范圍內(nèi)。由此可見，基于 2 種控制策略的推進系統(tǒng)在運行時對于船舶電力系統(tǒng)的影響不大，都在可調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)，故 2 種控制策略在船舶電力推進系統(tǒng)都有一定的適用性。

3.3.2 控制策略比較分析

推進系統(tǒng)在最后 1 s 時間內(nèi)穩(wěn)定運行，性能指標沒有變化，所以這里取 2～7 s 的時間段對推進系統(tǒng)性能指標進行觀測，VC 和 DTC 控制策略仿真結(jié)果分別如圖 8 和圖 9 所示。

圖8 和圖 9 分別為矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）下的推進系統(tǒng)參數(shù)變化曲線，仿真結(jié)果顯示，2種控制算法都有良好的動態(tài)響應(yīng)，二者具體性能比較見表 1。在啟動和加速時，2 種控制策略都有快速響應(yīng)，其中 DTC 響應(yīng)更快。因為 VC 的輸出電壓由電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生，存在時間上的滯后，而 DTC 通過滯環(huán)比較器和電壓開關(guān)選擇表輸出電壓，沒有電流控制回路，可獲得較大的電壓變化率和較快的電流響應(yīng)，所以 DTC 的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)比 VC 快些。VC 系統(tǒng)的起動轉(zhuǎn)矩比 DTC 系統(tǒng)大，且啟動電流相對較小。VC 系統(tǒng)的速度環(huán)輸出采取了電流限制，而 DTC 系統(tǒng)為防止過電流，速度環(huán)輸出采取轉(zhuǎn)矩限制措施，因此 DTC 的轉(zhuǎn)矩被限制在一定范圍，而起動電流比 VC 大。

系統(tǒng)加入負載擾動時，VC 系統(tǒng)的過渡時間稍長，轉(zhuǎn)速的動態(tài)偏差也較大，但系統(tǒng)穩(wěn)定后無靜態(tài)偏差；而 DTC 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速動態(tài)偏差雖小，但系統(tǒng)穩(wěn)定后存在靜態(tài)偏差。而且在穩(wěn)態(tài)時 VC 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和定子電流變化相對平滑；DTC 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩波動范圍相對較大，較為粗糙，定子電流脈動大，不是標準的正弦電流。在VC 系統(tǒng)中，對定子電流的勵磁和轉(zhuǎn)矩分量進行解耦，并通過 PI 調(diào)節(jié)器分別對電流勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進行調(diào)節(jié)，進而對轉(zhuǎn)矩進行控制。該過程通過 PI 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了電流和轉(zhuǎn)矩的連續(xù)控制，使得電流和轉(zhuǎn)矩波形較為平滑，在穩(wěn)態(tài)時由于轉(zhuǎn)矩誤差小并與負載轉(zhuǎn)矩達到高度平衡，使得轉(zhuǎn)速幾乎沒有靜態(tài)偏差。而 DTC 系統(tǒng)采用滯環(huán)比較器，使得轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈總存在誤差，穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)矩和電流脈動大；由于轉(zhuǎn)矩波動大，與負載轉(zhuǎn)矩之間總存在差值，使得轉(zhuǎn)速難以精確達到期望值，存在靜態(tài)偏差。

表1 矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)性能比較Tab. 1 Vector control and direct torque control system performance comparison

在整個過程中，2 種控制策略下的船舶速度都較為平穩(wěn)，加速時船速響應(yīng)快，負載擾動下，船速幾乎沒有變化，可見兩種控制策略下的船舶電力推進系統(tǒng)靈活性好，操縱性強，而且具有很好的魯棒性。

4 結(jié) 語

本文將永磁同步電機的矢量控制（VC）和直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）策略分別應(yīng)用于船舶電力推進系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明：

1）2 種控制策略都有良好的動態(tài)響應(yīng)，在工況變化時可以保證推進電機調(diào)速的準確性、快速性和穩(wěn)定性。

2）矢量控制系統(tǒng)的算法相對復(fù)雜，但可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的平滑控制，轉(zhuǎn)矩和電流波動小；直接轉(zhuǎn)矩控制算法相對簡單，動態(tài)響應(yīng)快，但轉(zhuǎn)矩和電流波動較大。

3）2 種控制策略在船舶電力推進系統(tǒng)中都有一定的適用性，目前矢量控制策略已相對完善，直接轉(zhuǎn)矩控制策略在減小轉(zhuǎn)矩波動等方面仍有改進空間。

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Research on modeling & simulation analysis of marine electric propulsion system of VC/DTC speed control strategy

LIU En-dong, GAO Lan, LUO Yong-ji, ZHU Han-hua, SI Yu-hang, HU Jia
(Key Laboratory of Marine Power Engineering and Technology, Ministry of Transportation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

To study of different permanent magnet synchronous motor speed control strategy of power Marine propulsion motor speed control performance and applicability in the electric propulsion system, on the basis of mathematical model of the propulsion motor and propeller load, established the permanent magnet synchronous motor vector control (VC) and direct torque control (DTC) system. Establishment of marine electric propulsion system and simulation based on the real ship, while analyzing two kinds of control strategy of speed control performance and stability of ship power station, under the working condition of ship speed.The simulation results show that the two kinds of control strategy has good control effect, while ensuring good speed regulating performance at the same time, maintain the stability of the whole system, both in the ship electric propulsion system has certain applicability.

electric propulsion system；permanent magnet synchronous motor；vector control；direct torque control

U664

A

1672–7619(2017)05–0088–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.05.017

2016–08–22；

2016–10–20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51179144)

劉恩東(1990–)，男，碩士研究生，主要研究方向為輪機仿真及自動化。