船舶直流電力系統(tǒng)建模與仿真

孫 磊， 薛士龍， 張亞明， 陳文秀

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 201306)

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船舶直流電力系統(tǒng)建模與仿真

孫 磊， 薛士龍， 張亞明， 陳文秀

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院， 上海 201306)

根據(jù)船舶直流電網(wǎng)的組成，分析了柴油機(jī)(原動機(jī))調(diào)速系統(tǒng)、同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)和三相整流模塊，并在此基礎(chǔ)上建模。利用Matlab/Simulink建立仿真模型，在發(fā)電機(jī)空載、穩(wěn)定帶載、突變負(fù)載情況下進(jìn)行仿真實驗。仿真結(jié)果表明，在加、減負(fù)載時船舶直流電力系統(tǒng)具有穩(wěn)定性。

船舶直流供電系統(tǒng)； 建模； Matlab/Simulink； 恒速柴油發(fā)電機(jī)

隨著船舶工業(yè)的不斷進(jìn)步和電力電子器件的發(fā)展，船舶直流電力系統(tǒng)重新進(jìn)入科研人員的視野[1]。目前，中壓直流電力系統(tǒng)為船舶直流電力系統(tǒng)的熱門研究方向[2]。

船舶直流電力系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)[3]，如：易于集成不同類型的電源,增強(qiáng)船舶的可配置性；取消了主、交流配電板,減少了無功功率; 提升效率、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等。船舶直流電力系統(tǒng)可以實現(xiàn)發(fā)電機(jī)與原動機(jī)之間的轉(zhuǎn)速解耦，柴油機(jī)能夠變速運(yùn)行；隨著柴油機(jī)變速運(yùn)行的出現(xiàn)，其最優(yōu)效率窗口可以根據(jù)柴油機(jī)速率的變化而變化，從而可以節(jié)省燃油消耗，提高經(jīng)濟(jì)效益[4]。

建模與仿真是科學(xué)研究的強(qiáng)有力手段。本文在3種情況下，對船舶直流電力系統(tǒng)進(jìn)行建模。數(shù)學(xué)模型包括柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器和整流逆變等單元；使用Matlab/Simulink作為仿真平臺，對船舶直流電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

1 船舶直流電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為船舶直流電力系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。由圖可見，船舶直流電力系統(tǒng)由發(fā)電系統(tǒng)、能量存儲系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)和直流分布系統(tǒng)組成。

原動機(jī)(一般為柴油機(jī))與同步發(fā)電機(jī)組成的發(fā)電系統(tǒng)為全船提供電力。發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電經(jīng)整流后，變成1 kV直流進(jìn)入直流分布系統(tǒng),再經(jīng)過逆變等環(huán)節(jié)傳送給用電負(fù)載。

圖1 船舶直流電網(wǎng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)推進(jìn)器起停、負(fù)載突然變化或因電網(wǎng)故障而造成電網(wǎng)波動時，由能量存儲單元抑制電網(wǎng)波動，提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性。能量存儲系統(tǒng)由DC/DC變換器和儲能設(shè)備(超級電容或鋰電池等)組成。

負(fù)載是將電能轉(zhuǎn)換成其他形式能量的裝置，又稱用電設(shè)備。船舶上的用電設(shè)備很多，主要有動力負(fù)載(各種電力拖動機(jī)械)、照明負(fù)載、通信設(shè)備等。

直流分布系統(tǒng)是全船輸電電纜及其結(jié)構(gòu)組成的總稱，其作用是將電能送給全船所有的用電設(shè)備。

由于船舶直流電力系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的船舶交流電力系統(tǒng)，在對其進(jìn)行建模、仿真前，需要對船舶直流系統(tǒng)的特性加以分析，對于不同的器件或設(shè)備，要根據(jù)其特性采用不同的建模方法，也要考慮各系統(tǒng)之間的相互作用[5]。

2 船舶直流電力系統(tǒng)建模

本文建立的船舶直流電力系統(tǒng)仿真模型共有3個部分組成：(柴油機(jī))發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)。其中，發(fā)電系統(tǒng)模型包括原動機(jī)、發(fā)電機(jī)-勵磁系統(tǒng)模型；電力電子系統(tǒng)模型包括DC/AC、DC/DC變換器等模型。由于柴油機(jī)作為原動機(jī)，仿真時旨在模擬船舶柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化趨勢，故本文所建模型未考慮能量存儲系統(tǒng)。

2.1 發(fā)電系統(tǒng)

柴油發(fā)電機(jī)組包含柴油機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)、同步發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng)兩部分。柴油機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)為發(fā)電機(jī)提供原動力，并在負(fù)載發(fā)生變化時，通過改變?nèi)加蛧娚淞縼砀淖儾裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速，在一定負(fù)載變化范圍內(nèi)保證發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定[6]。勵磁系統(tǒng)控制同步發(fā)電機(jī)的磁場電流，使得發(fā)電機(jī)輸出功率在額定容量內(nèi)連續(xù)變化時能維持端電壓穩(wěn)定，進(jìn)而提高運(yùn)行的穩(wěn)定性。圖2為柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖[7]，其中，Pm為柴油機(jī)輸出功率，ω為轉(zhuǎn)速，Uf為勵磁電壓，U為發(fā)電點(diǎn)電壓，I為發(fā)電機(jī)電流。

2.1.1 柴油機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 該系統(tǒng)由柴油機(jī)、調(diào)速器等組成。圖3為船舶柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)框圖

圖3 船舶柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)圖，其中，ωref為給定轉(zhuǎn)速。

(1) 柴油機(jī)。柴油機(jī)通過改變?nèi)加蛧娚淞縼砀淖兤滢D(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載功率一定時，柴油機(jī)調(diào)節(jié)供油量使其輸出功率與負(fù)載功率平衡，此時，柴油機(jī)在一定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)負(fù)載變化時，柴油機(jī)改變其轉(zhuǎn)速達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)[8]。本文利用時間常數(shù)τc和延遲時間τ對柴油機(jī)建模[9]如下：

式中，Tm為輸出轉(zhuǎn)矩；Ky為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；Y為燃油指數(shù)(調(diào)速器設(shè)置)；nm為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，r/s；N為氣缸數(shù)；s為復(fù)變量。

(2) 調(diào)速系統(tǒng)。船舶發(fā)電機(jī)組中的原動機(jī)不同，調(diào)速器的類型與特性也不同。調(diào)速器將油門位置的電壓信號轉(zhuǎn)換成油泵刻度齒條的實際位置，從而將此控制過程轉(zhuǎn)化為對實際噴油量的調(diào)節(jié)，以達(dá)到調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。調(diào)速系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)速傳感器、控制器和執(zhí)行器等部件[10]。本文建立了調(diào)速系統(tǒng)各部分的數(shù)學(xué)模型。

轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(4)

式中，Uf為反饋電壓；n為原動機(jī)轉(zhuǎn)速；K1為轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)的增益。

控制環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為

(5)

式中，輸出量I(s)為控制執(zhí)行器動作的控制電流；輸入量en(s)為給定電壓與Uf的差值；K2為比例系數(shù);T1為積分時間常數(shù)；T2為微分時間常數(shù)。

執(zhí)行器的傳遞函數(shù)為

(6)

式中，L(s)為調(diào)速器輸出軸位移;K3為增益;T3為執(zhí)行器的時間常數(shù)。

將柴油機(jī)與調(diào)速系統(tǒng)的模型聯(lián)合起來，即可得到船舶柴油機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，即

G(s)=

(7)

式中，K、T4、T8分別為控制器放大系數(shù)、時間常數(shù)、二階環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；T6、T7、T8為柴油機(jī)及其執(zhí)行器的時間常數(shù)；ξ為阻尼比。

柴油機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制模型框圖如圖4所示。

2.1.2 同步發(fā)電機(jī)及其勵磁系統(tǒng) 同步發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能、給全船供電的設(shè)備。其模型復(fù)雜，數(shù)學(xué)建模工作量大且不夠清晰。本文在仿真時采用Simulink模塊中已經(jīng)封裝好的同步發(fā)電機(jī)模型。

目前，船舶同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)大多采用的是可控相復(fù)勵無刷勵磁系統(tǒng)[11]。可控相復(fù)勵無刷勵磁系統(tǒng)由相復(fù)勵裝置、交流勵磁機(jī)和自動調(diào)壓裝置(AVR)等元件組成[12]。圖5所示為可控相復(fù)勵無刷勵磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 柴油機(jī)及其轉(zhuǎn)速控制模型框圖

圖5 可控相復(fù)勵無刷勵磁系統(tǒng)原理圖

Fig.5 Schematic diagram of a controlled-phase compound excitation brushless excitation system

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型建模框圖如圖6所示。圖中，Uref為輸入電壓設(shè)定參考值，Ud、Uq為發(fā)電機(jī)d、q軸電壓，is_qd為發(fā)電機(jī)的三相交流信號，Ustab為接地零電壓。Ud、Uq通過dq軸電壓與功率因數(shù)投影計算，再通過低通濾波產(chǎn)生相復(fù)勵的電壓信號。三相交流信號is-qd通過與功率因數(shù)進(jìn)行計算，再通過低通濾波，產(chǎn)生相復(fù)勵中的電流信號。

這兩部分信號合成后，一部分送入調(diào)節(jié)器回路進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，另一部分再與調(diào)節(jié)器的輸出產(chǎn)生比例作用，最后輸出到勵磁機(jī)。

圖6 船舶發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)模型方框圖

發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)前向回路的傳遞函數(shù)為

(8)

反饋單元的傳遞函數(shù)為

G5(s)=kfs/(tfs+1)

(9)

式中，Ka和ta分別為主調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)和時間常數(shù)；tb和tc分別為進(jìn)行超前與滯后補(bǔ)償?shù)臅r間常數(shù)；kf和tf分別為反饋?zhàn)枘岘h(huán)節(jié)的放大系數(shù)與時間常數(shù)；Ke、te為勵磁機(jī)特性系數(shù)和時間常數(shù)。

勵磁系統(tǒng)最終實現(xiàn)的控制為PID調(diào)節(jié)，其中主調(diào)節(jié)器與補(bǔ)償器在前向回路中；實際微分環(huán)節(jié)在反饋回路中起到對系統(tǒng)的阻尼和穩(wěn)定作用。

2.2 整流單元AC/DC

目前在各種整流電路中，應(yīng)用最為廣泛的是三相橋式全控整流電路，其原理如圖7所示。一般將其中陰極連接在一起的3個晶閘管(VT1、VT3、VT5)稱為共陰極組，陽極連接在一起的3個晶閘管(VT2、VT4、VT6)稱為共陽極組。按此編號，晶閘管的導(dǎo)通順序為VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。

圖7 三相橋式全控整流電路原理圖

本文在導(dǎo)通角α=0°時進(jìn)行仿真。當(dāng)α=0°時，各晶閘管均在自然換相點(diǎn)處換相。各自然換相點(diǎn)既是相電壓的交點(diǎn)，同時也是線電壓的交點(diǎn)。此時，對于共陰極組的3個晶閘管，陽極所接為交流電壓值最高的一個導(dǎo)通；而對于共陽極組的3個晶閘管，則陰極所接為交流電壓值最低(或負(fù)得最多)的一個導(dǎo)通。這樣，任意時刻共陽極組和共陰極組中各有1個晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，施加于負(fù)載上的電壓為某一線電壓[13]。

3 系統(tǒng)仿真

基于上述對船舶直流電網(wǎng)各部分的分析，在Matlab/Simulink中建立仿真模型如圖8所示。本文在搭建負(fù)載仿真模型時采用直流電阻負(fù)載。

圖8 帶直流電阻負(fù)載的船舶直流電網(wǎng)仿真模型

三相橋式全控整流電路導(dǎo)通角α=0°。負(fù)載模型參數(shù)：P=200 kW。為仿真方便，負(fù)載簡化為相同功率的阻抗。

圖9給出了α=0時晶閘管觸發(fā)脈沖波形圖，晶閘管的導(dǎo)通順序為VT1—VT2—VT3—VT4—VT5—VT6。

基于上述參數(shù)及仿真模型，分別在發(fā)動機(jī)空載、穩(wěn)定帶載、突變或突加負(fù)載情況下對船舶直流電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真實驗。

(a) VT5 (b) VT2

(c) VT6 (d) VT3

(e) VT1 (f) VT4

(1) 發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行。發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時，可得到如圖10所示的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、端電壓曲線。

由圖10可知，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，標(biāo)么值為1，且空載電流為0 A；在剛啟動時，端電壓有所上升，運(yùn)行約1.5 s后，端電壓達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，標(biāo)幺值為1。上述仿真結(jié)果表明了本文所建立的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)模型是正確的。

(2) 發(fā)電機(jī)帶有穩(wěn)定負(fù)載。當(dāng)發(fā)電機(jī)穩(wěn)定帶載時，得到圖11所示的發(fā)電機(jī)輸出功率、勵磁電壓、轉(zhuǎn)速及負(fù)載端電壓曲線。由圖可見，發(fā)電機(jī)啟動約2 s后，直流負(fù)載兩端電壓可以穩(wěn)定在DC 1 kV。仿真結(jié)果表明，在穩(wěn)定負(fù)載情況下，建立的船舶直流電力系統(tǒng)模型可以快速達(dá)到直流母線電壓。

(3) 突變或突加負(fù)載。按照以下設(shè)置進(jìn)行仿真：設(shè)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為恒定值，當(dāng)t=5 s時突加負(fù)載，在t=10 s時突減負(fù)載。圖12給出了發(fā)電機(jī)突加、突減負(fù)載時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載端電壓變化曲線。

(a) 轉(zhuǎn)速

(b) 電流

(c) 端電壓

(a) 發(fā)電機(jī)輸出功率

(b) 發(fā)電機(jī)勵磁電壓

(c) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

(d) 負(fù)載端電壓

(a) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

(b) 負(fù)載端電壓

由圖12(a)可見，當(dāng)t=5 s突加負(fù)載、t=10 s突減負(fù)載時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速減少和增加，但很快又回到了設(shè)定值。由圖12(b)可見，當(dāng)t=5 s突加負(fù)載時，負(fù)載兩端電壓有所下降，并保持了穩(wěn)定，但不能回到母線電壓DC 1 kV；而當(dāng)t=10 s突減負(fù)載后，負(fù)載兩端電壓才又回到了母線電壓DC 1 kV。這說明船舶直流電網(wǎng)在變負(fù)載運(yùn)行時，柴油發(fā)電機(jī)組恒速運(yùn)行不能提供穩(wěn)定的母線電壓，在變負(fù)載運(yùn)行時，需要變速運(yùn)行。

4 結(jié) 語

本文在分析船舶直流電網(wǎng)系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，對船舶直流電網(wǎng)在Matlab/Simulink平臺下進(jìn)行建模并在3種不同情況下進(jìn)行仿真，得到了相應(yīng)狀態(tài)下的船舶直流電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)速等曲線。研究結(jié)果表明，在柴油發(fā)電機(jī)組恒速運(yùn)行時，經(jīng)過整流濾波環(huán)節(jié)后，船舶直流電網(wǎng)可以提供穩(wěn)定的DC 1 kV電壓,滿足船舶電力負(fù)載的需要；當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，負(fù)載電壓將發(fā)生一定的波動,不能穩(wěn)定在DC 1 kV，而柴油機(jī)轉(zhuǎn)速能夠穩(wěn)定在設(shè)定值。

下階段的工作將研究在復(fù)雜工況下，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速不再保持在穩(wěn)定的設(shè)定值、負(fù)載功率突然變化時，如何調(diào)節(jié)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，保證船舶直流電網(wǎng)母線電壓的穩(wěn)定在DC 1 kV。

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Modeling and Simulation of Ship DC Power Supply

SUN Lei， XUE Shilong， ZHANG Yaming， CHEN Wenxiu

(School of Logistics Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306， China)

According to the composition of DC power supply system in a ship, a diesel generator (original motive) speed regulating system, a synchronous generator excitation system and a three-phase rectifier module are analyzed and modeled. Using Matlab/Simulink, simulations of generators are carried out for the cases without load, with a stable load and with an abruptly changing load. The results show that the ship's DC power system is stable either when the load is increased or decreased.

ship DC power supply system; modeling; Matlab/Simulink; constant speed diesel generator

2017 -02 -06

國家自然科學(xué)基金面上項目資助(61673260)

孫 磊(1993-)，男，碩士生，主要研究方向為船舶電力推進(jìn)，E-mail：sunleislchn@sina.com

2095 - 0020(2017)03 -0132 - 07

U 665.12；TM 74

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