船舶電力推進矢量控制系統的研究

朱奧辭，戴 睿

應用研究

船舶電力推進矢量控制系統的研究

朱奧辭，戴 睿

（中國船級社蕪湖分社，安徽蕪湖 241001）

研究了船用永磁同步電機矢量控制系統以及船-槳特性，仿真分析了船舶電力推進過程中直接起動和分級起動的船-槳特性變化曲線，驗證了船舶電力推進矢量控制系統的有效性以及分級起動的優越性。

電力推進 矢量控制 船槳特性 分級啟動

0 引言

船舶電力推進系統是由電動機取代傳統柴油機驅動螺旋槳運轉的一種船舶推進方式。采用永磁同步電機做為船舶電力系統的驅動電機，具有功率因數高、調速動態響應快、起動轉矩大、振動噪聲小以及具有更高的推進效率等優點。電力推進系統已經成為未來船舶高度智能化發展不可或缺的一部分。本文在船用永磁同步電機矢量控制技術的基礎上結合船-槳運行特性，對船舶電力推進系統進行半實物仿真建模分析研究。

1 永磁同步電機數學模型及其矢量控制

1.1 永磁同步電機在dq下的數學模型

將（2）代入（1）得：

當電機穩態運行且忽略定子壓降時，（3）式可改寫為：

永磁同步電機電磁轉矩為：

其中，T為電磁轉矩；p為電機極對數。

1.2 永磁同步電機矢量控制

三相永磁同步電機的控制是通過對其轉矩的控制來實現。由式（5）可知，電磁轉矩又可以通過定子電流變化而控制。在矢量控制中，通過坐標變換對交流電機相互交叉耦合的模型進行空間解耦，把復雜的數學模型等效成直流電機模型進行控制，從而可以控制解耦后的交直軸電流進而控制交流永磁同步電機[1～2]。

圖1 永磁同步電機矢量控制框圖

2 螺旋槳推進特性及其數學模型

船舶運行依靠螺旋槳旋轉產生推力，力的作用是相互的，螺旋槳在水中旋轉給水一個作用力，同樣水也給螺旋槳一個反向的作用力。就船舶電力推進系統而言，螺旋槳反向的作用力就是施加在螺旋槳上的阻轉矩，推進電動機必須能夠產生足夠克服螺旋槳上阻轉矩的有效電磁轉矩，才能使螺旋槳持續轉動，提供船舶運行的動力[7]。

螺旋槳在流體中旋轉產生的推力P及阻轉矩M的數學表達式為：

船舶在實際運行過程中，螺旋槳與船體之間不可避免會存在水流相互作用，對螺旋槳實際輸出的有效推力將產生消極影響。螺旋槳與船體的相互作用效應通常分為兩種：一是船對螺旋槳的影響，也就是伴流影響；另外一種是螺旋槳對船體的影響，稱為推力減額影響。設伴流系數為，推力減額系數為。通過對伴流影響和推力減額兩種船槳相互作用的分析可得[9]：

環境監測模塊設計可以完成實時檢測周圍的溫濕度[9]、PM2.5、降雨量、空氣質量、大氣壓以及震動強度等多種數據信息，按照設定值進行比較并預警，當相應數據過高時發出報警。環境檢測模塊結構如圖4所示。

船舶在航行過程中會受到水的阻力，通常情況下水對船體的阻力可用以下公式表述：

式中，是阻力系數。

由船-槳模型和牛頓第二定律可得船體的運動學方程為：

3 仿真與分析

3.1 仿真建模

本文仿真通過在半實物仿真軟件上分別搭建控制模型和功率硬件電路模型，編譯自動生成代碼下載到虛擬系統中，可以實現對控制對象的在線參數修改，實時仿真，從而可以最客觀準確的反應推進系統的實時運行狀態[10]。船舶電力推進系統仿真研究主要搭建模型由兩個大系統組成：發電和配電系統、螺旋槳驅動系統。由此可以構成一個完整的船舶電力驅動系統，如圖2所示。

圖2 船舶電力推進系統模型

圖3 螺旋槳驅動系統模型

圖4 螺旋槳推進和阻轉矩模型

根據圖1矢量控制原理框圖，可以搭建螺旋槳驅動系統模型。如圖3所示，主要包括：三相整流逆變功率器件模塊、螺旋槳推力計算模塊、船速計算模塊等。

根據式（8）和式（9）可以建立螺旋槳推力模型和阻矩模型，如圖4所示。

圖5 船舶運動學模型

船舶電力推進系統的具體實現過程為：柴油發電機提供三相交流電，由分配測量模塊將三相交流電送到整流器模塊。整流模塊輸出對應的直流電作為三相逆變器的直流母線電壓，經過電壓空間矢量變換算法輸出六路PWM開關信號。控制逆變器模塊輸出三相可調交流電壓驅動永磁同步電機運轉，進而帶動螺旋槳提供船舶運行推力。

3.2 仿真分析

本文在對船舶電力系統進行仿真研究時采用的基本特性參數如表1所示。

表1 船舶電力推進系統仿真基本參數

在對船舶電力推進矢量控制系統仿真時，分別對船舶由靜止狀態直接起動和分級起動進行仿真，對比分析研究兩種起動狀態的螺旋槳轉速、螺旋槳阻轉矩以及船舶航速特性。

直接起動：直接給定永磁同步電機轉速1 300 r/min，分別觀察螺旋槳的轉速變化、螺旋槳阻轉矩變化、船舶航速變化。

如圖所示，圖6、圖7、圖8分別為螺旋槳轉速、螺旋槳阻轉矩、船舶航速曲線圖。船舶由靜止狀態初始起動時，給定螺旋槳轉速1 300 r/min，起動瞬間電機會輸出大的起動轉矩。由圖6可見，螺旋槳轉速在起動瞬間存在超調量，5 s時刻達到給定穩態。由圖7螺旋槳阻轉矩和圖8船舶航速曲線可知，螺旋槳阻轉矩起動時迅速達到最大轉矩3 280 N·m左右，由于船舶起動時存在較大慣性作用，初始起動時船舶航速動態響應滯后于螺旋槳，此時船舶航速為0；隨著船速的穩步上升，螺旋槳阻轉矩逐漸減小，經過5 s達到穩定狀態3 200 N·m。當螺旋槳轉速達到穩定狀態時，螺旋槳阻轉矩也達到穩態，此時推進電機輸出電磁轉矩與螺旋槳阻轉矩相等，從而可以保證船舶航速穩定上升，船舶航速經過50 s達到穩定航速25 kn。由螺旋槳轉速曲線和螺旋槳阻轉矩曲線可以看出當給定螺旋槳較大轉速時，采用直接起動，螺旋槳轉速存在超調現象，螺旋槳轉矩存在過載現象，所以在實際航行中船舶直接起動到大航速會對電力推進系統造成不可逆轉的損壞。

圖6 船舶直接起動螺旋槳轉速

圖7 船舶直接起動螺旋槳阻轉矩

圖8 船舶直接起動船舶航速

分級起動：首先給定螺旋槳驅動電機轉速為700 r/min，待航速上升到穩定狀態時，驅動電機轉速加速到1300 r/min。螺旋槳的轉速、螺旋槳阻轉矩、船舶航速如圖9、圖10、圖11所示。

圖9 船舶分級起動螺旋槳轉速

圖10 船舶分級起動螺旋槳轉矩

圖11 船舶分級起動船舶航速

首先給定螺旋槳轉速700 r/min，螺旋槳轉速經過1 s達到給定轉速，螺旋槳阻轉矩達到940 N·m，螺旋槳轉速和阻轉矩進入穩態，船舶航速加速上升。當船舶運行40 s時刻，航速達到10.28 kn左右時，此時將螺旋槳轉速加速至1 300 r/min。由圖9和圖10可以看出，加速后螺旋槳轉速和阻轉矩快速上升，經過2 s時間，螺旋槳轉速無超調達到給定轉速，螺旋槳轉矩達到3 200 N·m。由圖11可知，螺旋槳在40 s時刻加速后，由于船舶存在慣性作用，船舶航速在41 s時刻才開始以新的加速狀態運行，直至達到穩態航速25 Kn。由上圖可以看出船舶到達同樣的航速，采用分級起動，螺旋槳轉速無超調，阻轉矩無過載現象，系統的動態響應性能較好，船舶可以由靜止狀態穩步過渡到給定航速，因而在實際航行中采用分級起動有助于船舶電力推進系統的良好運行。

4 結束語

船舶電力推進系統作為未來船舶綠色和智能推進系統的主要發展方向，具有節約能源和減小水域環境污染以及提升智能航行性能優勢，使得船舶運營符合更安全環保、更經濟的時代需求。

[1] 張惠媛. 基于矢量控制的炮塔伺服系統仿真研究[J]. 黑龍江科技信息, 2017 (7): 77.

[2] 李培偉. 永磁同步電機伺服系統矢量控制技術研究[D]. 南京理工大學, 2013.

[3] 徐奔奔, 周芝峰, 霍文明, 楊恩星. 基于改進的模糊控制PMSM矢量控制系統研究[J]. 電力科學與工程, 2016, 32(3): 1-3.

[4] 趙穎偉. 混合動力客車永磁同步電機控制系統研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

[5] 龔事引, 于惠鈞, 宋翼頡. 基于模糊PID的永磁同步電機矢量控制系統[J]. 湖南工業大學學報, 2015(4): 40-44.

[6] 王鵬博, 盧秀和. 基于模糊PI及矢量變換控制方法的電動車驅動系統工況適應性研究[J]. 電測與儀表, 2019.

[7] 劉勇. 船舶典型電動機仿真研究[D]. 大連：大連海事大學, 2017.

[8] 曹國瑞. 吊艙式液壓推進系統——艦艇推進新模式探討[J]. 中國艦船研究, 2012, 7(2): 65-71.

[9] 黃輝, 褚建新, 沈愛弟. 基于定子電流的電力推進船舶螺旋槳故障診斷[J]. 中國航海, 2014, 37(3): 28-31.

[10] 趙鋼, 朱奧辭, 張世忠. 基于HIL的永磁同步電機矢量控制系統的開發[J]. 電測與儀表, 2019, 56(21): 117-121.

Research on vector control system of ship electric propulsion

Zhu Aoci，Dai Rui

(Wuhu Branch of China Classification Society, Anhui Wuhu 241001, China)

U664.14

A

1003-4862（2022）07-0033-04

2021-12-20

朱奧辭（1994-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子傳動。E-mail: aczhu@ccs.org.cn