船舶軸帶無刷雙饋電機并網(wǎng)滑?？刂撇呗匝芯?/h1>
2022-02-22 02:25:34劉春勇
中國修船 2022年1期
劉春勇，高 嵐
(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)
無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Generator，BDFG)具有雙饋交流感應(yīng)電機的優(yōu)勢，同時取消了電刷和集電環(huán)，作為船舶軸帶發(fā)電機的應(yīng)用前景值得期待[1]。船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)并入主電網(wǎng)與柴油發(fā)電機共同為營運提供電力支撐，起到節(jié)能增效的作用；系統(tǒng)又能夠吸收電網(wǎng)電能來驅(qū)動推進器，起到增強船舶生存能力的作用[2]。并網(wǎng)是軸帶發(fā)電系統(tǒng)并入主電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)供電的起始點，并網(wǎng)時刻由于待并機與在網(wǎng)機之間差額電壓引起的瞬態(tài)沖擊電流不容忽視[3]。
針對BDFG的并網(wǎng)研究還不多見[4]。標(biāo)量控制方案并網(wǎng)后，功率繞組輸出端電壓受電網(wǎng)電壓鉗位，無法實現(xiàn)電網(wǎng)電壓跟蹤控制[5]。通過在電網(wǎng)端與功率繞組輸出端之間串聯(lián)電抗器能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)量并網(wǎng)控制，但基于穩(wěn)態(tài)模型的標(biāo)量控制方案動態(tài)響應(yīng)能力欠佳[6]。為獲得較快的動態(tài)響應(yīng)和簡單的控制結(jié)構(gòu)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)同步并網(wǎng)控制方案[7]。Sadeghi等[8]提出基于簡化電機模型的直接轉(zhuǎn)矩并網(wǎng)控制，實現(xiàn)了并網(wǎng)平滑切換。DTC實現(xiàn)并網(wǎng)控制，開關(guān)頻率不固定，轉(zhuǎn)矩脈動無法避免。并網(wǎng)控制常采用矢量控制方案實現(xiàn)。高國章等[9]采用定子電壓矢量控制保證輸出電壓幅值、頻率的穩(wěn)定，使用鎖相環(huán)跟蹤輸出電壓相位，實現(xiàn)并網(wǎng)控制，未進行并網(wǎng)過渡過程分析。但矢量控制在系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)攝動和外界干擾時，難以得到理想的并網(wǎng)控制性能[10]。
滑?？刂?Sliding Mode Control，SMC)處于滑動模態(tài)后對系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和外界擾動具有完全魯棒性，具有快速控制、參數(shù)設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)等特點，在雙饋電機并網(wǎng)控制中得到應(yīng)用[11]。
本文借鑒雙饋電機并網(wǎng)滑?？刂品绞?，基于定子磁場定向機理，提出一種BDFG并網(wǎng)滑模控制策略。從BDFG運行原理入手，根據(jù)BDFG數(shù)學(xué)模型設(shè)計并網(wǎng)滑?？刂破?。利用MATLAB/Simulink平臺進行參數(shù)攝動和外界擾動下仿真實驗，并與傳統(tǒng)PI控制性能對比，驗證滑模并網(wǎng)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性。
1 BDFG運行原理與數(shù)學(xué)模型
1.1 BDFG運行原理
無刷雙饋電機內(nèi)部包含定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組(Rotor Winding，RW)，定子繞組上嵌有彼此獨立、極對數(shù)不同的2套繞組，即功率繞組(Power Winding，PW)和控制繞組(Control Winding，CW)，BDFG發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。PW通過斷路器與電網(wǎng)相連，CW與變換器相連。PW側(cè)變換器負(fù)責(zé)能量雙向流動、單位功率因數(shù)控制、直流環(huán)節(jié)電容電壓穩(wěn)定，CW側(cè)變換器為實現(xiàn)BDFG并網(wǎng)控制目標(biāo)提供幅值、頻率可調(diào)的交流勵磁。
圖1 BDFG發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)BDFG運行原理，可以得到電機驅(qū)動轉(zhuǎn)速Nr與定子兩套繞組頻率關(guān)系:
fp=fc+Nr(pp+pc)/60，
(1)
式中，pp、pc分別為PW極對數(shù)、CW極對數(shù)；fp、fc分別為PW頻率、CW頻率。PW連接船舶工頻電網(wǎng)，頻率fp=50 Hz，定子兩繞組極對數(shù)為定值，發(fā)電機驅(qū)動轉(zhuǎn)速Nr與CW輸入頻率fc為變量。船舶在變工況下航行，主機轉(zhuǎn)速改變會引起B(yǎng)DFG輸出端頻率發(fā)生改變，而船舶用電設(shè)備需要恒頻交流電。因此控制器需要調(diào)節(jié)CW輸入頻率適應(yīng)轉(zhuǎn)速變化，實現(xiàn)BDFG變速恒頻發(fā)電目標(biāo)。
1.2 BDFG數(shù)學(xué)模型
首先建立定子磁場定向MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下BDFG數(shù)學(xué)模型。PW側(cè)電磁量采用發(fā)電機慣例，CW、RW側(cè)電磁量采用電動機慣例[12]。
電壓方程:
(2)
(3)
(4)
磁鏈方程：
(5)
(6)
(7)
式中,Ψ、i、u分別表示各定轉(zhuǎn)子繞組磁鏈、電流、電壓；下標(biāo)M、T代表M-T坐標(biāo)系下各電磁分量對應(yīng)的M軸分量、T軸分量；下標(biāo)s、p、c、r分別表示與定子繞組、PW、CW、RW相關(guān)的電磁量；s為微分算子；Rp、Rc、Rr分別表示PW相電阻、CW相電阻、RW相電阻；Lp、Lc、Lr、Mpr、Mcr分別為PW全自感、CW全自感、RW全自感、PW互感、CW互感；ωp、ωc、ωs分別為PW電角頻率、CW電角頻率、定子電角頻率，三者之間關(guān)系為ωp-ppωr=ωc+pcωr=ωs,ωr為轉(zhuǎn)子機械角頻率。
電磁轉(zhuǎn)矩Te方程：
Te=3ppMpr(ipTsipMr-ipMsipTr)/2-3pcMcr(icTsipMr-icMsipTr)/2。
(8)
機械運動方程表達式：
Jsωr=TL-Te-fωr，
(9)
式中，TL為柴油機輸入機械轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；f為摩擦因數(shù)。
2 BDFG空載并網(wǎng)滑?？刂破髟O(shè)計
2.1 空載并網(wǎng)控制
空載并網(wǎng)控制實質(zhì)是根據(jù)電網(wǎng)信息和發(fā)電機狀態(tài)參數(shù)計算出滿足并網(wǎng)條件的CW勵磁，并通過CW側(cè)變換器提供勵磁，使電機輸出端電壓與電網(wǎng)電壓始終保持相同的幅值、頻率、相位。
并網(wǎng)前電機PW端未接入電網(wǎng)，處于空載運行狀態(tài)，功率繞組電流分量為零。由于電機穩(wěn)態(tài)時運行在工頻條件下，電阻遠(yuǎn)小于電抗，忽略PW電阻。定子PW各電磁量空間關(guān)系如圖2所示，取PW磁鏈Ψps與M軸相互重合，T軸在逆時針方向上超前M軸90°。在空間上，PW電壓ups落后于PW磁鏈90°，即PW電壓與PW磁鏈T軸負(fù)方向重合。d、q分別為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸、q軸，θp、θr分別為PW與靜止坐標(biāo)系α軸之間的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)子繞組與α軸之間的轉(zhuǎn)角。
圖2 定子PW各電磁量空間關(guān)系
結(jié)合式(2)～(7)，并省略RW電阻，化簡得：
(10)
根據(jù)CW電壓和磁鏈方程得：
(11)
式(10)、(11)構(gòu)成基于定子磁鏈的并網(wǎng)矢量控制設(shè)計依據(jù)，可設(shè)計PI控制器。
2.2 滑?？刂破髟O(shè)計
根據(jù)滑?？刂扑枷脒M行滑?？刂破髟O(shè)計。定義滑模超平面M軸分量和T軸分量：
(12)
式中，“*”為參考值。
對式(12)求導(dǎo)，并代入式(11)可得：
(13)
選定指數(shù)趨近律：
(14)
式中，k1、k2、k3、k4為滑?？刂破鲄?shù)，其值均大于0。
同時，采用飽和函數(shù)sat(s)代替開關(guān)函數(shù)sgn(s)進一步削弱抖振。結(jié)合式(13)、(14)得：
(15)
式中,由于計算復(fù)雜，定義4個變量分別為：
(16)
采用Lyapunov函數(shù)可以驗證設(shè)計的滑?？刂破骶哂袧u進穩(wěn)定性。根據(jù)以上分析，設(shè)計軸帶BDFG空載并網(wǎng)滑模控制框圖如圖3所示。icabc、upabc、Udc分別為CW三相電流、PW三相電壓、逆變器直流側(cè)電壓。
圖3 軸帶BDFG空載并網(wǎng)滑?？刂瓶驁D
3 仿真分析
為驗證滑模控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink平臺上搭建BDFG并網(wǎng)PI控制仿真模型、SMC仿真模型，并進行分析。BDFG參數(shù)(均已折算至PW側(cè))如表1所示，同步轉(zhuǎn)速為500 r/min。電網(wǎng)相電壓有效值為220 V，電網(wǎng)頻率50 Hz?；？刂破鲄?shù)為k1=k3=1 500，k2=k4=5；PI控制器采用的參數(shù)為P=224，I=18 189。
表1 BDFG參數(shù)
3.1 空載并網(wǎng)仿真
電機啟動在亞同步轉(zhuǎn)速400 r/min運行，在0.06 s時，轉(zhuǎn)速突變至500 r/min，并網(wǎng)仿真波形如圖4所示。
由圖4知，SMC控制下啟動，電機輸出端電壓與電網(wǎng)電壓之間的差值逐漸變小，約0.3個周期(6 ms)趨近于零，而PI控制約1.5個周期(30 ms)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。轉(zhuǎn)速突變時，PI控制電壓超調(diào)量為16%，電機輸出端電壓在SMC控制下與穩(wěn)態(tài)時波形近似?？梢姡？刂聘纳屏薖I控制動態(tài)響應(yīng)能力較差、超調(diào)量大的問題。
圖4 SMC和PI并網(wǎng)控制仿真波形
3.2 電網(wǎng)電壓波動仿真
船舶電網(wǎng)是孤網(wǎng)、小容量系統(tǒng)，大容量負(fù)載投入或切除易對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，使電網(wǎng)電壓波動。設(shè)定電網(wǎng)電壓0.15 s時下降15%，并在0.2 s恢復(fù)至給定值，電網(wǎng)電壓擾動下定子端電壓響應(yīng)波形如圖5所示。
圖5 電網(wǎng)電壓擾動下，PW端電壓響應(yīng)波形
由圖5知，電網(wǎng)電壓波動時，PI控制、SMC均具有較好的動態(tài)響應(yīng)時間，PI控制下的電壓偏差約260 V。與PI控制相比，SMC下電機電壓超調(diào)量下降22%。因此，SMC具有較好的電網(wǎng)電壓跟蹤性能。
3.3 電機參數(shù)攝動仿真
通過空載和堵轉(zhuǎn)試驗參數(shù)辨識得到的電機參數(shù)存在一定測量噪聲。同時電機實際運行過程中，難免受內(nèi)部磁場飽和影響導(dǎo)致電感值減小，環(huán)境溫度升高導(dǎo)致繞組電阻增大。設(shè)置0.3 s時，電機轉(zhuǎn)子電阻設(shè)定值增大50%，同時轉(zhuǎn)子電感設(shè)定值減少3%，電機參數(shù)攝動時，定子端電壓與電網(wǎng)電壓差絕對值如圖6所示。
圖6 電機參數(shù)攝動時定子端電壓與電網(wǎng)電壓差絕對值
由圖6知，PI控制受電機參數(shù)攝動影響明顯，穩(wěn)態(tài)誤差較大。SMC時電壓穩(wěn)態(tài)誤差下降1.9%，保持了較好的電壓跟蹤性能，表明SMC在電機參數(shù)攝動時具有較好的魯棒性。
3.4 系統(tǒng)并網(wǎng)過渡過程分析
仿真過程如下：電機穩(wěn)定運行在400 r/min，滿足并網(wǎng)條件，0.5 s啟動并網(wǎng)，系統(tǒng)采用SMC并網(wǎng)時，功率繞組與轉(zhuǎn)子繞組電流過渡過程如圖7所示。ipa、ipb、ipc分別為功率繞組三相電流，ira、irb、irc分別為轉(zhuǎn)子繞組三相電流，由圖7可以看出，開關(guān)合閘后，PW電流波動幅值較小，未出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流，同時轉(zhuǎn)子電流平滑過渡，實現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)無瞬態(tài)沖擊電流并網(wǎng)。
圖7 SMC并網(wǎng)時，功率繞組與轉(zhuǎn)子繞組電流過渡過程
4 結(jié)束語
為降低并網(wǎng)對船舶電網(wǎng)的影響，基于定子磁場定向原理提出船舶軸帶BDFG空載并網(wǎng)滑?？刂撇呗浴嶒灲Y(jié)果表明：SMC能夠在0.3個時鐘周期跟蹤電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)時穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零，且未出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流，轉(zhuǎn)子電流過渡平滑；與PI控制相比，電網(wǎng)電壓擾動時電壓超調(diào)量下降22%，電機參數(shù)攝動時電壓穩(wěn)態(tài)誤差下降1.9%，具有較強的魯棒性，提高了軸帶發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)性能。
劉春勇，高 嵐
(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)
無刷雙饋電機(Brushless Doubly-Fed Generator，BDFG)具有雙饋交流感應(yīng)電機的優(yōu)勢，同時取消了電刷和集電環(huán)，作為船舶軸帶發(fā)電機的應(yīng)用前景值得期待[1]。船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)并入主電網(wǎng)與柴油發(fā)電機共同為營運提供電力支撐，起到節(jié)能增效的作用；系統(tǒng)又能夠吸收電網(wǎng)電能來驅(qū)動推進器，起到增強船舶生存能力的作用[2]。并網(wǎng)是軸帶發(fā)電系統(tǒng)并入主電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)供電的起始點，并網(wǎng)時刻由于待并機與在網(wǎng)機之間差額電壓引起的瞬態(tài)沖擊電流不容忽視[3]。
針對BDFG的并網(wǎng)研究還不多見[4]。標(biāo)量控制方案并網(wǎng)后，功率繞組輸出端電壓受電網(wǎng)電壓鉗位，無法實現(xiàn)電網(wǎng)電壓跟蹤控制[5]。通過在電網(wǎng)端與功率繞組輸出端之間串聯(lián)電抗器能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)量并網(wǎng)控制，但基于穩(wěn)態(tài)模型的標(biāo)量控制方案動態(tài)響應(yīng)能力欠佳[6]。為獲得較快的動態(tài)響應(yīng)和簡單的控制結(jié)構(gòu)，采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)同步并網(wǎng)控制方案[7]。Sadeghi等[8]提出基于簡化電機模型的直接轉(zhuǎn)矩并網(wǎng)控制，實現(xiàn)了并網(wǎng)平滑切換。DTC實現(xiàn)并網(wǎng)控制，開關(guān)頻率不固定，轉(zhuǎn)矩脈動無法避免。并網(wǎng)控制常采用矢量控制方案實現(xiàn)。高國章等[9]采用定子電壓矢量控制保證輸出電壓幅值、頻率的穩(wěn)定，使用鎖相環(huán)跟蹤輸出電壓相位，實現(xiàn)并網(wǎng)控制，未進行并網(wǎng)過渡過程分析。但矢量控制在系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)攝動和外界干擾時，難以得到理想的并網(wǎng)控制性能[10]。
滑?？刂?Sliding Mode Control，SMC)處于滑動模態(tài)后對系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)和外界擾動具有完全魯棒性，具有快速控制、參數(shù)設(shè)計簡單、易于實現(xiàn)等特點，在雙饋電機并網(wǎng)控制中得到應(yīng)用[11]。
本文借鑒雙饋電機并網(wǎng)滑?？刂品绞?，基于定子磁場定向機理，提出一種BDFG并網(wǎng)滑模控制策略。從BDFG運行原理入手，根據(jù)BDFG數(shù)學(xué)模型設(shè)計并網(wǎng)滑?？刂破?。利用MATLAB/Simulink平臺進行參數(shù)攝動和外界擾動下仿真實驗，并與傳統(tǒng)PI控制性能對比，驗證滑模并網(wǎng)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和魯棒性。
1 BDFG運行原理與數(shù)學(xué)模型
1.1 BDFG運行原理
無刷雙饋電機內(nèi)部包含定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組(Rotor Winding，RW)，定子繞組上嵌有彼此獨立、極對數(shù)不同的2套繞組，即功率繞組(Power Winding，PW)和控制繞組(Control Winding，CW)，BDFG發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。PW通過斷路器與電網(wǎng)相連，CW與變換器相連。PW側(cè)變換器負(fù)責(zé)能量雙向流動、單位功率因數(shù)控制、直流環(huán)節(jié)電容電壓穩(wěn)定，CW側(cè)變換器為實現(xiàn)BDFG并網(wǎng)控制目標(biāo)提供幅值、頻率可調(diào)的交流勵磁。
圖1 BDFG發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
根據(jù)BDFG運行原理，可以得到電機驅(qū)動轉(zhuǎn)速Nr與定子兩套繞組頻率關(guān)系:
fp=fc+Nr(pp+pc)/60，
(1)
式中，pp、pc分別為PW極對數(shù)、CW極對數(shù)；fp、fc分別為PW頻率、CW頻率。PW連接船舶工頻電網(wǎng)，頻率fp=50 Hz，定子兩繞組極對數(shù)為定值，發(fā)電機驅(qū)動轉(zhuǎn)速Nr與CW輸入頻率fc為變量。船舶在變工況下航行，主機轉(zhuǎn)速改變會引起B(yǎng)DFG輸出端頻率發(fā)生改變，而船舶用電設(shè)備需要恒頻交流電。因此控制器需要調(diào)節(jié)CW輸入頻率適應(yīng)轉(zhuǎn)速變化，實現(xiàn)BDFG變速恒頻發(fā)電目標(biāo)。
1.2 BDFG數(shù)學(xué)模型
首先建立定子磁場定向MT旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下BDFG數(shù)學(xué)模型。PW側(cè)電磁量采用發(fā)電機慣例，CW、RW側(cè)電磁量采用電動機慣例[12]。
電壓方程:
(2)
(3)
(4)
磁鏈方程：
(5)
(6)
(7)
式中,Ψ、i、u分別表示各定轉(zhuǎn)子繞組磁鏈、電流、電壓；下標(biāo)M、T代表M-T坐標(biāo)系下各電磁分量對應(yīng)的M軸分量、T軸分量；下標(biāo)s、p、c、r分別表示與定子繞組、PW、CW、RW相關(guān)的電磁量；s為微分算子；Rp、Rc、Rr分別表示PW相電阻、CW相電阻、RW相電阻；Lp、Lc、Lr、Mpr、Mcr分別為PW全自感、CW全自感、RW全自感、PW互感、CW互感；ωp、ωc、ωs分別為PW電角頻率、CW電角頻率、定子電角頻率，三者之間關(guān)系為ωp-ppωr=ωc+pcωr=ωs,ωr為轉(zhuǎn)子機械角頻率。
電磁轉(zhuǎn)矩Te方程：
Te=3ppMpr(ipTsipMr-ipMsipTr)/2-3pcMcr(icTsipMr-icMsipTr)/2。
(8)
機械運動方程表達式：
Jsωr=TL-Te-fωr，
(9)
式中，TL為柴油機輸入機械轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；f為摩擦因數(shù)。
2 BDFG空載并網(wǎng)滑?？刂破髟O(shè)計
2.1 空載并網(wǎng)控制
空載并網(wǎng)控制實質(zhì)是根據(jù)電網(wǎng)信息和發(fā)電機狀態(tài)參數(shù)計算出滿足并網(wǎng)條件的CW勵磁，并通過CW側(cè)變換器提供勵磁，使電機輸出端電壓與電網(wǎng)電壓始終保持相同的幅值、頻率、相位。
并網(wǎng)前電機PW端未接入電網(wǎng)，處于空載運行狀態(tài)，功率繞組電流分量為零。由于電機穩(wěn)態(tài)時運行在工頻條件下，電阻遠(yuǎn)小于電抗，忽略PW電阻。定子PW各電磁量空間關(guān)系如圖2所示，取PW磁鏈Ψps與M軸相互重合，T軸在逆時針方向上超前M軸90°。在空間上，PW電壓ups落后于PW磁鏈90°，即PW電壓與PW磁鏈T軸負(fù)方向重合。d、q分別為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸、q軸，θp、θr分別為PW與靜止坐標(biāo)系α軸之間的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)子繞組與α軸之間的轉(zhuǎn)角。
圖2 定子PW各電磁量空間關(guān)系
結(jié)合式(2)～(7)，并省略RW電阻，化簡得：
(10)
根據(jù)CW電壓和磁鏈方程得：
(11)
式(10)、(11)構(gòu)成基于定子磁鏈的并網(wǎng)矢量控制設(shè)計依據(jù)，可設(shè)計PI控制器。
2.2 滑?？刂破髟O(shè)計
根據(jù)滑?？刂扑枷脒M行滑?？刂破髟O(shè)計。定義滑模超平面M軸分量和T軸分量：
(12)
式中，“*”為參考值。
對式(12)求導(dǎo)，并代入式(11)可得：
(13)
選定指數(shù)趨近律：
(14)
式中，k1、k2、k3、k4為滑?？刂破鲄?shù)，其值均大于0。
同時，采用飽和函數(shù)sat(s)代替開關(guān)函數(shù)sgn(s)進一步削弱抖振。結(jié)合式(13)、(14)得：
(15)
式中,由于計算復(fù)雜，定義4個變量分別為：
(16)
采用Lyapunov函數(shù)可以驗證設(shè)計的滑?？刂破骶哂袧u進穩(wěn)定性。根據(jù)以上分析，設(shè)計軸帶BDFG空載并網(wǎng)滑模控制框圖如圖3所示。icabc、upabc、Udc分別為CW三相電流、PW三相電壓、逆變器直流側(cè)電壓。
圖3 軸帶BDFG空載并網(wǎng)滑?？刂瓶驁D
3 仿真分析
為驗證滑模控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink平臺上搭建BDFG并網(wǎng)PI控制仿真模型、SMC仿真模型，并進行分析。BDFG參數(shù)(均已折算至PW側(cè))如表1所示，同步轉(zhuǎn)速為500 r/min。電網(wǎng)相電壓有效值為220 V，電網(wǎng)頻率50 Hz?；？刂破鲄?shù)為k1=k3=1 500，k2=k4=5；PI控制器采用的參數(shù)為P=224，I=18 189。
表1 BDFG參數(shù)
3.1 空載并網(wǎng)仿真
電機啟動在亞同步轉(zhuǎn)速400 r/min運行，在0.06 s時，轉(zhuǎn)速突變至500 r/min，并網(wǎng)仿真波形如圖4所示。
由圖4知，SMC控制下啟動，電機輸出端電壓與電網(wǎng)電壓之間的差值逐漸變小，約0.3個周期(6 ms)趨近于零，而PI控制約1.5個周期(30 ms)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。轉(zhuǎn)速突變時，PI控制電壓超調(diào)量為16%，電機輸出端電壓在SMC控制下與穩(wěn)態(tài)時波形近似?？梢姡？刂聘纳屏薖I控制動態(tài)響應(yīng)能力較差、超調(diào)量大的問題。
圖4 SMC和PI并網(wǎng)控制仿真波形
3.2 電網(wǎng)電壓波動仿真
船舶電網(wǎng)是孤網(wǎng)、小容量系統(tǒng)，大容量負(fù)載投入或切除易對船舶電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，使電網(wǎng)電壓波動。設(shè)定電網(wǎng)電壓0.15 s時下降15%，并在0.2 s恢復(fù)至給定值，電網(wǎng)電壓擾動下定子端電壓響應(yīng)波形如圖5所示。
圖5 電網(wǎng)電壓擾動下，PW端電壓響應(yīng)波形
由圖5知，電網(wǎng)電壓波動時，PI控制、SMC均具有較好的動態(tài)響應(yīng)時間，PI控制下的電壓偏差約260 V。與PI控制相比，SMC下電機電壓超調(diào)量下降22%。因此，SMC具有較好的電網(wǎng)電壓跟蹤性能。
3.3 電機參數(shù)攝動仿真
通過空載和堵轉(zhuǎn)試驗參數(shù)辨識得到的電機參數(shù)存在一定測量噪聲。同時電機實際運行過程中，難免受內(nèi)部磁場飽和影響導(dǎo)致電感值減小，環(huán)境溫度升高導(dǎo)致繞組電阻增大。設(shè)置0.3 s時，電機轉(zhuǎn)子電阻設(shè)定值增大50%，同時轉(zhuǎn)子電感設(shè)定值減少3%，電機參數(shù)攝動時，定子端電壓與電網(wǎng)電壓差絕對值如圖6所示。
圖6 電機參數(shù)攝動時定子端電壓與電網(wǎng)電壓差絕對值
由圖6知，PI控制受電機參數(shù)攝動影響明顯，穩(wěn)態(tài)誤差較大。SMC時電壓穩(wěn)態(tài)誤差下降1.9%，保持了較好的電壓跟蹤性能，表明SMC在電機參數(shù)攝動時具有較好的魯棒性。
3.4 系統(tǒng)并網(wǎng)過渡過程分析
仿真過程如下：電機穩(wěn)定運行在400 r/min，滿足并網(wǎng)條件，0.5 s啟動并網(wǎng)，系統(tǒng)采用SMC并網(wǎng)時，功率繞組與轉(zhuǎn)子繞組電流過渡過程如圖7所示。ipa、ipb、ipc分別為功率繞組三相電流，ira、irb、irc分別為轉(zhuǎn)子繞組三相電流，由圖7可以看出，開關(guān)合閘后，PW電流波動幅值較小，未出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流，同時轉(zhuǎn)子電流平滑過渡，實現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)無瞬態(tài)沖擊電流并網(wǎng)。
圖7 SMC并網(wǎng)時，功率繞組與轉(zhuǎn)子繞組電流過渡過程
4 結(jié)束語
為降低并網(wǎng)對船舶電網(wǎng)的影響，基于定子磁場定向原理提出船舶軸帶BDFG空載并網(wǎng)滑?？刂撇呗浴嶒灲Y(jié)果表明：SMC能夠在0.3個時鐘周期跟蹤電網(wǎng)電壓，并網(wǎng)時穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為零，且未出現(xiàn)瞬態(tài)沖擊電流，轉(zhuǎn)子電流過渡平滑；與PI控制相比，電網(wǎng)電壓擾動時電壓超調(diào)量下降22%，電機參數(shù)攝動時電壓穩(wěn)態(tài)誤差下降1.9%，具有較強的魯棒性，提高了軸帶發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)性能。
