基于不對稱全橋型MMC 的船舶永磁電機推進系統仿真

邵德東，郭 燚，趙怡波

(上海海事大學 物流工程學院，上海 201306)

0 引 言

目前，中高壓、大功率船舶電力推進系統變頻器主要采用控制技術相對成熟的全橋逆變器或者傳統的多電平換流器，對單個開關器件的耐壓能力要求較高，輸出波形諧波含量大，影響控制系統的整體性能[1]。MMC 相比于傳統的多電平換流器，模塊化配置易于擴展、諧波性能優異；子模塊冗余設計能夠提高換流器的故障處理能力，是目前中高壓交流調速系統的研究熱點[2～3]。

文獻[4]建立MMC 上下橋臂子模塊電容電壓可變控制原理數學模型，提出一種根據電機運行速度靈活調節MMC 電容電壓的新型控制策略，增加系統控制靈活性，降低系統損耗。文獻[5]通過向MMC 輸出電壓中注入高頻共模電壓，同時控制橋臂環流，有效解決MMC 驅動船舶推進電機過程中出現的子模塊電容電壓低頻脈動問題，但其推進電機負載轉矩直接給定，沒有構建出完整的船舶電力推進系統。本文基于不對稱全橋型MMC，設計相應的永磁同步電機調速系統。在Matlab/Simulink 環境下，對基于不對稱全橋型MMC 的船舶電力推進系統進行仿真研究，驗證系統的靜動態性能。

1 不對稱全橋型MMC 拓撲結構設計

MMC 基本拓撲結構如圖1 所示。三相六橋臂拓撲，每個橋臂由N 個子模塊和1 個橋臂電抗器級聯而成。不對稱全橋型子模塊電路結構如圖2 所示。與全橋型子模塊相比，其左下橋臂直接由二極管D3代替。正常工作情況下，T1一直處于導通狀態，T2和T4開關狀態相反。閉鎖模式下，不對稱全橋型MMC 具備直流故障自清除能力。表1 所示為不對稱全橋型子模塊工作模式。

圖 1 MMC 拓撲結構Fig. 1 Topology of MMC

圖 2 不對稱全橋型子模塊電路結構Fig. 2 Topology of asymmetric full-bridge sub module

表 1 不對稱全橋型子模塊工作模式Tab. 1 Operating mode of asymmetric full-bridge SM

2 基于不對稱全橋型MMC 的船舶永磁電機推進系統建模

本文選用功率密度高、運行噪聲小的永磁同步電機作為推進電機，螺旋槳采用瓦格寧根B 系列定距槳，電機調速系統采用電流滯環比較PWM 控制，推進系統控制框圖如圖3 所示。MMC 直流側接直流電壓源Udc，交流側為永磁同步電機三相定子繞組供電，電機轉軸帶動螺旋槳以轉速ωshaft旋轉，同時螺旋槳為電機提供負載轉矩Tprop。電機調速系統通過轉速控制信號ωref和推進電機轉速反饋信號ωshaft的誤差值經PI 調節生成三相電流參考值，與采集的三相定子電流比較，生成MMC 控制信號。

圖 3 基于不對稱全橋型MMC 的船舶永磁電機推進系統框圖Fig. 3 Scheme of marine permanent magnet motor propulsionsystem

2.1 推進電機調速系統

永磁同步電機轉子無勵磁繞組，矢量控制環節無勵磁控制，控制系統相對簡單。結合MMC 驅動原理，本文設計的永磁同步電機不對稱全橋型MMC 調速系統控制器如圖4 所示，由速度外環控制和電流內環控制組成。速度外環通過轉速調節器對速度誤差進行調節，得到無功電流分量的參考值，有功電流分量參考值id設定為0，經派克反變換得到三相電流參考值，變換角θ 為同步電機轉角。由于本文采用不對稱全橋型MMC 作為電機驅動器，需要向調制策略環節輸入三相電壓參考值進行最近電平逼近調制。因此，本文將原電流滯環比較環節的滯環比較器更改為PI 控制器，以此對電流誤差進行調節輸出MMC 交流側三相電壓參考值uiref（i=a，b，c）。通過最近電平逼近算法，輸出三相六橋臂的子模塊導通個數ni（i=1，2，，6），再經電容電壓平衡算法驅動MMC。

2.2 船槳數學模型

參考文獻[6-8]對推進電機螺旋槳負載特性研究，本文推進系統中的船槳數學模型如圖5 所示。數學模型的輸入為螺旋槳轉速n（單位：rpm），輸出為Tprop。β 表示螺旋槳進程角，范圍為0～2π，通過四象限反正切函數求得，其中Va為螺旋槳進速、D 為螺旋槳直徑。CT，CQ分別為推力和轉矩系數，通過式（1）所示的切比雪夫多項式得出，系數AT，BT，AQ和BQ參考文獻[6]中B3-65 型號螺旋槳參數。ρ 為海水密度，t 為推力減額系數，m 為船舶質量，f 為船舶航行阻力，r 為船舶阻力系數，Vship為船速。由于本文主要驗證不對稱全橋型MMC 調速性能，以電機達到指定轉速為系統完成標志，因此，船速較小，伴流系數ω 簡化取0。

圖 4 永磁同步電機MMC 調速系統Fig. 4 Permanent magnet synchronous motor speed regulating system based on MMC

圖 5 船槳數學模型Fig. 5 Mathematical model of ship-propeller

3 推進系統動態仿真分析

本文以某萬噸級單槳電力推進船舶為研究對象, 在Matlab/Simulink 中對推進系統進行仿真，分析船舶在不同工況下電力推進系統的調速性能以及螺旋槳負載特性，具體參數見表2。

3.1 船舶正車啟動

船舶正車啟動時，螺旋槳工作在第1 象限（X 軸轉速、Y 軸船速，下同），轉速和船速同時為正。啟動過程可分為直接正車啟動和分級正車啟動使船舶達到穩定航速，本文重點驗證不對稱全橋型MMC 在電力推進系統中的運行可靠性，為節約仿真時間，以螺旋槳達到額定轉速為啟動完成標志。圖6 和圖7 分別給出船舶直接正車啟動和分級正車啟動過程的螺旋槳負載動態響應曲線圖、不對稱全橋型MMC 子模塊電容電壓波形以及推進電機定子電流波形。

圖6 船舶直接正車啟動時，螺旋槳5 s 內可以達到額定轉速，轉速響應曲線無超調，靜差率保持在1%以下。電機啟動時，定子電流較大，電流頻率隨著啟動過程逐漸增大，穩定運行時，定子電流達到額定值。推進電機啟動初期子模塊電容電壓波動較大，當達到額定轉速時，子模塊電容電壓波動率維持在±5%左右。圖7 船舶分級啟動過程，螺旋槳在1.5 s內達到一半的額定轉速，2 s 后螺旋槳開始加速，5.5 s前達到額定轉速。同樣分級啟動過程中轉速響應無超調，靜差率保持在1%以下。定子電流波形同直接啟動過程類似，當電機保持1/2 轉速穩態運行時，定子電流幅值較小。當推進電機保持低速運行時，MMC 工作穩定，子模塊電容電壓波動率保持在±2%以內，電壓均衡效果較好。

表 2 仿真參數Tab. 2 Simulation parameters

圖 6 直接啟動仿真結果Fig. 6 Simulation results of direct start

圖 7 分級啟動仿真結果Fig. 7 Simulation results of grading start

3.2 船舶停車

船舶正航停車過程中螺旋槳工作在第1 象限，同樣以螺旋槳轉速降到0 為標志分為直接停車和分級停車模式。圖8 和圖9 分別給出了額定轉速下實行直接停車和分級停車過程中螺旋槳負載動態響應曲線圖、不對稱全橋型MMC 子模塊電容電壓波形以及推進電機定子電流波形。

圖8 直接停車過程，螺旋槳在2 s 內由額定轉速降為0，定子電流頻率逐漸變小。子模塊電容電壓隨著轉速下降，波動逐漸變大，當轉速接近0 時，電容電壓均衡效果較差。轉速降為0 后，不對稱全橋型MMC 停止工作。圖9 分級停車過程，螺旋槳在1 s 內降低至1/2 額定轉速，8 s 后轉速開始下降為0。同直接停車類似，第一級停車過程中，子模塊電容電壓隨著轉速下降，波動逐漸變大，但當螺旋槳保持在一半額定轉速時，子模塊電容電壓波動率較小，保持在±2%以內，電容電壓均衡效果較好。進入停車第二階段時，子模塊電容電壓開始波動較大，直至不對稱全橋型MMC 停止工作。比較2 種停車過程，直接停車較分級停車缺少轉速保持環節，當轉速接近0 時，子模塊電容電壓不均衡現象較嚴重，容易引起MMC 相間環流，增加MMC 運行損耗。

3.3 船舶倒航

船舶倒航是船舶航行的重要環節之一，螺旋槳依次工作在第1、2、3 象限，推進電機需要克服螺旋槳阻力矩進行反轉。圖10 和圖11 分別給出緊急倒車、分級倒車過程螺旋槳負載動態響應曲線、子模塊電容電壓波形以及定子電流波形。

圖 8 直接停車仿真結果Fig. 8 Simulation results of direct stop

圖 9 分級停車仿真結果Fig. 9 Simulation results of grading stop

圖10 船舶緊急倒車過程中，螺旋槳在3.5 s 內完成由額定轉速下降至0 并反轉至1/2 額定轉速的過程，螺旋槳轉矩跟隨轉速下降，轉矩過零點時較平穩。倒車過程中，定子電流頻率出現由大變小，再由小變大的過程，頻率最小點對應轉速過零點。同樣，子模塊電容電壓充放電頻率跟隨定子電流頻率，6 s 開始子模塊電容電壓波動變大，電壓均衡效果變差，對應轉速過零點時刻，子模塊電容電壓出現較大的不均衡程度。其后螺旋槳反轉加速過程，子模塊電容電壓均衡效果逐漸改善，穩態運行時子模塊電容電壓波動率維持在±2%以內。圖11 分級倒車過程，螺旋槳在1 s 內下降至1/2 額定轉速，8 s 后減速至0 并反轉加速至1/2 額定轉速。螺旋槳轉矩響應曲線同直接倒車類似，跟隨轉速平穩下降。分級倒車第1 階段轉速下降過程，子模塊電容電壓波動類似于緊急倒車，轉速穩定后，子模塊電容平穩充放電，電容電壓保持均衡。8 s 后隨著轉速繼續下降，子模塊電容電壓波動率逐漸變大。相比于緊急倒車，分級倒車過程中轉速過零點時，子模塊電容電壓均衡效果較好，未出現較大的波動現象。隨著螺旋槳反轉加速，子模塊電容逐漸穩定充放電。

圖 10 緊急倒車仿真結果Fig. 10 Simulation results of emergency reverse

圖 11 分級倒車仿真結果Fig. 11 Simulation results of grading reverse

4 結 語

本文將不對稱全橋型MMC 應用于船舶電力推進系統，在Matlab/Simulink 環境下，對不同工況下的船舶電力推進系統進行仿真研究，分析不對稱全橋型MMC 電機調速性能以及螺旋槳轉矩特性。仿真結果表明，采用不對稱全橋型MMC 驅動的推進電機具有良好的控制精度以及動態響應能力，不對稱全橋型MMC 在電機低頻運行時具有較小的電容電壓紋波。采用分級運行模式對推進系統進行啟動、停車、倒車過程，有利于減緩MMC 電容電壓波動，減小MMC 相間環流，降低MMC 運行損耗。

為了簡化控制系統復雜程度，本文的MMC 控制器未加入環流抑制環節，下一步研究可以將環流抑制環節加入。此外，可以將電力推進系統接入中壓直流電網，結合能量管理系統，分析推進電機變工況運行對于船舶中壓直流電網穩定性影響。