組態式船舶電力推進系統仿真軟件設計與實現

劉 樂，蔣 煒，高海波，林治國

組態式船舶電力推進系統仿真軟件設計與實現

劉 樂1，蔣 煒2，高海波3，林治國3

（1. 船舶綜合電力技術重點實驗室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064； 3. 武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063）

針對船舶電力推進系統方案論證效率低、成本高等問題，開發了一款組態式船舶電力推進系統仿真軟件。對船舶電力推進系統進行結構劃分，并建立了系統的數學模型和仿真模型，并封裝形成模型庫。使用Matlab/GUI開發界面層，用M語言對Simulink模型進行調用與控制。使用SQL Server 2008創建數據庫，實現數據的存取和管理功能。基于該軟件對某船舶電力推進系統設計方案進行組態式的圖形化建模，并設計了典型工況的仿真實驗。結果表明，仿真模型較好預報了實船運行工況。由此可見，該軟件可有效驗證船舶電力推進系統設計方案。

船舶電力推進 建模仿真 組態 模型庫 數據庫

0 引言

20世紀80年代以來，以交流推進為主的現代船舶電力推進技術在機動性、可靠性、推進效率和推進功率等方面都取得了突破性的進展，應用領域不斷擴大[1]。船舶電力推進系統是一個機電磁強耦合的系統，在方案設計過程中缺少整體性能預報的手段。隨著仿真技術的不斷發展，人們借助于系統建模與仿真的方法，部分解決電力推進系統的設計和性能評估問題。使用建模仿真技術對船舶電力推進系統設計方案進行系統調試、參數整定、故障仿真和一系列系統動態與靜態品質指標評估，可以大大縮減研發時間與成本，對系統的設計與優化有重要意義[2-3]。

國外海軍強國在上世紀90年代基于Simulink、ProTRAX和VTB等軟件分別開始構建綜合電力系統仿真平臺，并不斷完善優化。國內對電力推進系統的仿真研究集中在子系統的建模與仿真，對完整的綜合電力推進系統的仿真研究不多，且整體還處于全物理仿真和局部數字仿真階段，半物理仿真技術和全系統的數字仿真技術還沒有得到有效研究與應用[4]。

本文在建立系統數學模型的基礎上，基于Matlab/Simulink、Matlab/GUI和SQL Server 2008分別開發仿真軟件模型庫、界面及數據庫，然后進行系統集成，得到一套通用的組態式船舶電力推進系統仿真軟件。基于該軟件，對某船舶電力推進系統設計方案進行建模仿真，并進行性能分析，驗證軟件有效性。

1 數學模型

常見的船舶電力推進系統包括發電系統、配電系統、電力變換系統和推進系統。本文以某交流電力推進設計方案為例說明建模方法，在該系統所包含的基本部件中，發電機及其勵磁系統、變壓器和推進電機可在Simulink工具箱中直接調用通用模型；整流裝置可在Simulink工具箱中使用通用模型按其拓撲結構搭建仿真模型；原動機調速系統、推進電機控制系統和船槳模型需完全按照數學模型使用基本元器件搭建仿真模型。本文主要介紹了推進電機控制系統的數學模型。

推進電機采用永磁同步電機，電機控制方式為預測電流控制。預測電流控制策略是在k時刻初始時通過觀測器得到轉速及定子電流等信號，接著估測出8個基本電壓矢量所對應的k+1時刻的定子電流，最后通過比較8個基本電壓矢量所對應的多目標函數，選出最符合k時刻要求的開關狀態量施加給逆變器[5]。

永磁同步電機dq坐標系下定子電流預測方程及多目標優化函數如下[6]：

2 仿真軟件的設計與實現

2.1 軟件框架設計

組態式船舶電力推進系統仿真軟件由模型層、界面層和數據層三部分組成，其中模型層和界面層在Matlab環境下開發，充分利用Matlab強大的建模仿真能力和豐富的繪圖功能；數據層在SQL Server 2008環境下開發，建立存儲仿真數據的數據庫，實現Matlab與SQL Server之間的數據通信，滿足用戶記錄、管理大量仿真數據的需求。仿真軟件基本框架如圖1所示。

模型層是根據船舶電力推進系統的組態化及模塊化設計要求而自定義的分層級電力推進模塊庫，包含總系統、子系統和基本設備模塊三層；界面層由多個GUI界面組成，按照功能分為方案論證、模型集成、實驗分析、數據管理四個部分，其中方案論證又包括方案設計和仿真實驗；數據層作為最主要的數據載體，與界面層有著非常頻繁的數據交流，通過界面操作，能對數據庫中存儲的系統方案信息、仿真實驗信息、設備參數信息等進行查詢和管理。

圖1 仿真軟件基本框架

2.2 組態式圖形化建模

圖形化建模方法采用面向對象編程思想，將Simulink底層模塊和GUI頂層圖像抽象為一個模塊類，通過該模塊類實現頂層界面對底層模塊的訪問和控制，大大降低了用戶對建模環境的認知要求[7]。根據模塊類創建模塊對象，然后為模塊對象選擇已有的設備參數，可以實現底層模塊參數值的快速設置。模塊對象包括界面圖標和底層模塊，在此基礎上，采用組態方法進行圖形化建模，連接界面圖標形成直觀的系統配置圖。

2.3 數據庫設計

軟件的核心功能是對電力推進系統方案進行仿真，得到系統基本性能預報。設計一個電力推進系統方案，需要先確定系統的組成結構，然后選擇合適的設備。對于仿真來說，應該先選擇仿真模型，然后設置模塊參數。仿真模型在界面上有對應的配置圖，用以直觀顯示系統組成結構，方便參數設置。方案設計完成后，設置不同的仿真條件對方案進行仿真實驗，得到大量的實驗數據，依此論證方案的可行性。

根據系統的數據結構在SQL Server 2008環境下創建仿真軟件數據庫，通過數據庫接口技術實現數據在GUI界面的可視化，以及界面操作對數據庫的存儲和編輯功能。

基于上述技術對模型層、界面層和數據層進行集成，完成船舶電力推進系統仿真軟件的開發。軟件數據分析界面如圖2所示。

圖2 仿真軟件數據分析界面

3 仿真實驗

3.1 參數設置

基于仿真軟件對采用上述設計方案的某電力推進船舶建立系統仿真模型，并進行參數設置。仿真實驗采用定步長，步長為2s，時長為1000 s，算法為Matlab自帶的二/三階龍格-庫塔法。船機槳參數如表1所示。

3.2 起航實驗

起航實驗采用三級啟動的測試方式，實驗開始時，設置電機轉速在1秒內上升到75 r/min，運行1秒后上升到150 r/min，繼續運行１秒后上升到額定轉速200 r/min并保持到實驗結束。仿真實驗結果如圖3~6所示。

表1 推進電機、船舶和螺旋槳參數

圖3 船舶航速

圖4 電機轉速（起航10s）

仿真實驗中，電機轉速可以較好地跟隨目標轉速。電機轉矩和螺旋槳轉矩變化趨勢緊跟電機轉速，且電機轉矩與螺旋槳轉矩基本相同。交流母線處電壓總諧波畸變率為3.77%，滿足中國船級社電網電壓總諧波畸變率≤5%的規范。船舶航速在80 s時開始上升，在500 s左右時穩定在18 kn附近，與設計航速吻合。仿真實驗表明，基于該軟件建立的系統仿真模型可以較好模擬實船運行工況，仿真結果符合實船運行機理，在此基礎上可以進行進一步的系統性能分析，有效驗證方案的可行性。

4 結語

由于船舶電力推進系統結構復雜，機電磁各系統間耦合緊密，系統的全數字仿真驗證還沒有得到有效應用。本文以Matlab和SQL Server2008為平臺開發出一款組態式船舶電力推進系統仿真軟件。軟件具有界面友好、組態式建模方便、仿真精度高等特點，充足的底層模塊庫可以滿足絕大多數系統方案的仿真驗證，并可以持續擴充。下一步的研究重點是在軟件模型庫中添加能量管理系統模塊庫，實現能量管理系統與推進系統的共同控制，進一步優化仿真軟件的可靠性。

[1] Sáiz V M M, López A P.Future trends in electric propulsion systems for commercial vessels[J]. Journal of Maritime Research Jmr, 2007, 4: 81-100.

[2] H Huang, AD Shen, JX Chu. Research on propeller dynamic load simulation system of electric propulsion ship[J]. China Ocean Engineering, 2013, 27(2): 255-263．

[3] 王子才. 仿真技術發展及應用[J]. 中國工程科學, 2003(2): 40-44．

[4] 程垠鐘. 船舶綜合電力推進系統仿真技術研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2014．

[5] Rodriguez J, Cortes P, Kennel R, et al. Model Predictive Control-A Simple and Powerful Method to Control Power Converters[C]//IEEE. The 6th International Power Electronics and Motion Control Conference. Wuhan: IEEE，2009: 1826-1838.

[6] Duran M J, Prieto J, Barrero F, et al. Predictive Current Control of Dual Three-Phase Drives Using Restrained Search Techniques[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(8): 3253-3263.

[7] 陳寧, 施維振, 李連峰. VC、SQL Server和Matlab混合編程管理仿真數據[J]. 計算機時代, 2009(7): 58-60．

Design and Implementation of Marine Electric Propulsion System Configuration Simulation Software

Liu Le1, Jiang Wei2, Gao Haibo3, Lin Zhiguo3

（1. Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory, Wuhan 430063, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 3. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430064, China）

U664.14

A

1003-4862（2019）05-0055-04

2018-11-28

劉樂（1993），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進技術。E-mail: m13260615416@163.com