艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的矢量控制及其仿真＊

紀(jì) 鋒 付立軍 葉志浩 吳世君 王 剛 馬海鑫

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 武漢 430033）

（海軍92337部隊(duì)艦艇質(zhì)量驗(yàn)收部2） 大連 116023）

艦船電力系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)陸地電力系統(tǒng)，屬于獨(dú)立發(fā)電供電系統(tǒng)，是艦船正常航行與工作的基礎(chǔ)保證，具有單機(jī)容量大，負(fù)載功率與裝機(jī)功率可比，負(fù)載相對(duì)集中，運(yùn)行工況復(fù)雜，故障傳播速度快、范圍大等特點(diǎn)，而采用電力推進(jìn)的綜合電力系統(tǒng)更包含了高功率密度電機(jī)和多種功率等級(jí)電力電子裝置及其集成技術(shù)，智能化高，代表了當(dāng)今艦船電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì).由于針對(duì)艦船電力系統(tǒng)的物理試驗(yàn)具有一定風(fēng)險(xiǎn)和不可重復(fù)性，有必要通過計(jì)算機(jī)仿真手段對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行情況進(jìn)行分析.文獻(xiàn)［1－3］探討了SVPWM 的簡化控制算法并給出等效調(diào)制函數(shù)，文獻(xiàn)［4－5］分析并模擬了艦船螺旋槳機(jī)械特性，本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于矢量控制的電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型并搭建試驗(yàn)平臺(tái)，通過仿真和試驗(yàn)兩種方法對(duì)比研究電力推進(jìn)系統(tǒng)中電機(jī)運(yùn)行規(guī)律，對(duì)比結(jié)果證明仿真模型正確，控制方法可行.

1 感應(yīng)電機(jī)矢量控制

在異步電機(jī)矢量控制中，定子電流的磁場分量ids設(shè)為定值即恒磁通，定子電流的轉(zhuǎn)矩分量

式中：Lr為定子自感；Lm為定轉(zhuǎn)子互感；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；pn為極對(duì)數(shù)；ψdr＝ψr＝｜Ψr｜，Ψr為電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈，且有

其中：Tr＝Lr／Rr為轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)；p為微分算子.

轉(zhuǎn)差頻率

由此可得同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與靜止坐標(biāo)系之間的相位角

式中：ωe為同步轉(zhuǎn)速；ωr為轉(zhuǎn)子角速度.綜合式（1）～（4）可得矢量控制原理［6］如圖1所示.

圖1中SVPWM模塊即空間矢量脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)［7］，為避免頻繁判斷空間矢量的扇區(qū)并簡化控制，采用等效調(diào)制函數(shù)法，其A相電壓調(diào)制函數(shù)為

圖1 矢量控制原理框圖

B相和C相電壓有同樣結(jié)論，只是在結(jié)果上相對(duì)A相相位分別延遲2π／3和4π／3.

2 系統(tǒng)仿真

基于矢量控制的系統(tǒng)仿真模型按比例模擬船用電力推進(jìn)系統(tǒng)，包括電源、移相變壓、變頻、負(fù)載和控制五部分.

2.1 系統(tǒng)組成

電源部分包括3臺(tái)同型號(hào)同步發(fā)電機(jī)，額定功率40kW，額定線電壓390V，額定線電流74 A，額定頻率50Hz.發(fā)電機(jī)各經(jīng)相同長度的電纜連接至母線，由于有功率均分裝置，各發(fā)電機(jī)的相位角一致，潮流相等.

移相變壓部分包括2組4個(gè)三相變壓器，其中一組2個(gè)變壓器分別產(chǎn)生－7.5°和22.5°移相，另一組2個(gè)變壓器分別產(chǎn)生7.5°和－22.5°移相，組內(nèi)變壓器相差30°，消除5次和7次諧波，組間變壓器相差15°，對(duì)稱運(yùn)行時(shí)消除11次和13次諧波.兩個(gè)移相變壓器一次側(cè)額定電壓均為390V，二次側(cè)額定電壓亦為390V，根據(jù)電壓矢量圖（見圖2），由正弦定理可得，產(chǎn)生7.5°移相變壓器副邊兩個(gè)繞組額定電壓分別為412.0V和67.4V；產(chǎn)生22.5°移相變壓器副邊兩個(gè)繞組額定電壓分別為316.1V和198.2V.

圖2 變壓器矢量圖

負(fù)載包括2臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)及其所帶負(fù)荷，模擬艦船推進(jìn)電機(jī).每臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定功率22kW，額定線電壓380V，額定線電流42.5A，額定頻率50Hz，額定轉(zhuǎn)速1 480r／min，實(shí)驗(yàn)室模擬電動(dòng)機(jī)J＝0.4s.采用前文所述的矢量控制，電機(jī)轉(zhuǎn)速和三相電流作為反饋?zhàn)兞克偷娇刂颇K，經(jīng)過圖1所示矢量控制環(huán)節(jié)得到三相參考電壓，送至逆變器，再經(jīng)過SVPWM得到三相輸出電壓并對(duì)推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行供電.

2.2 螺旋槳負(fù)載特性

艦船航行時(shí)推進(jìn)電機(jī)的工況由螺旋槳工況決定.由于水的阻尼和艦船自身的慣性都較大，推進(jìn)電機(jī)的調(diào)速相對(duì)艦船調(diào)速而言獨(dú)立進(jìn)行，從而在不同工況下調(diào)速特性不盡相同，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也因此而有所不同.在自由航行工況，轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速特性近似為二次曲線

式中：My為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；n為轉(zhuǎn)速；Ky為常系數(shù).側(cè)推電機(jī)和正常工況下的主推電機(jī)均符合該特性.

在艦船倒車時(shí)，螺旋槳進(jìn)入反轉(zhuǎn)特性，在開始倒車階段，螺旋槳已經(jīng)調(diào)速至反轉(zhuǎn)，但艦船因慣性作用仍保持正速行使，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為負(fù)值，螺旋槳在水壓作用下保持原轉(zhuǎn)向，如圖3所示.

圖3 螺旋槳反轉(zhuǎn)特性曲線

由于倒車過程中船速不斷下降，轉(zhuǎn)矩將隨著船速的降低而不斷從圖3下方曲線過渡到上方曲線.在較短時(shí)間內(nèi)認(rèn)為船速不變，根據(jù)實(shí)際工況參數(shù)得到近似反轉(zhuǎn)特性曲線表達(dá)式為

2.3 仿真結(jié)果

1）工況一 單機(jī)啟動(dòng) 2臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，1臺(tái)主推電機(jī)帶100%負(fù)載，另1臺(tái)電動(dòng)機(jī)起動(dòng).發(fā)電機(jī)電流、功角波形如圖4所示.

圖4 工況一仿真結(jié)果波形

由于諧波影響，功角有脈動(dòng)，其基波擺動(dòng)很小，約為10°，經(jīng)過約2°的超調(diào)穩(wěn)定在22°左右，超調(diào)量9%.系統(tǒng)有較大功角穩(wěn)定裕量，在起動(dòng)結(jié)束后隨即進(jìn)入穩(wěn)態(tài).

2）工況二 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)

3臺(tái)發(fā)電機(jī)工作，2臺(tái)主推電機(jī)滿載，船速為0.8pu，第6s時(shí)同時(shí)調(diào)節(jié)2臺(tái)推進(jìn)電機(jī)的速度使其反轉(zhuǎn)至－0.35pu，推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳的慣性時(shí)間常數(shù)為15s.

推進(jìn)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速對(duì)照曲線、推進(jìn)電機(jī)相電流如圖5所示.

圖5 工況二仿真結(jié)果波形

仿真結(jié)果符合螺旋槳反轉(zhuǎn)特性，反轉(zhuǎn)過程中電機(jī)電流經(jīng)歷頻率先降后升過程，與轉(zhuǎn)速變化規(guī)律一致.

3 試驗(yàn)比較

實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)際系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其各部分參數(shù)與仿真模型一致，對(duì)工況一進(jìn)行驗(yàn)證.

調(diào)速時(shí)推進(jìn)電機(jī)相電流如圖6所示.調(diào)速結(jié)束后電流幅頻趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行.

圖6 調(diào)速時(shí)推進(jìn)電機(jī)相電流波形

起動(dòng)初期，電流幅值和頻率都較小，隨著轉(zhuǎn)速上升，幅頻均增大，如圖7～8所示.

圖7 調(diào)速初期推進(jìn)電機(jī)相電流波形

圖8 調(diào)速末期推進(jìn)電機(jī)相電流波形

對(duì)比可見，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能夠較好地吻合，誤差不超過5%，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)模型及計(jì)算方法的正確性，其數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算方法可以用來對(duì)艦船電力系統(tǒng)進(jìn)行仿真.

4 結(jié)束語

電力推進(jìn)系統(tǒng)包含大功率電機(jī)和電力電子裝置，遠(yuǎn)比常規(guī)艦船電力系統(tǒng)復(fù)雜，并且需要考慮螺旋槳負(fù)載特性.采用矢量控制，能夠?qū)崿F(xiàn)同直流電機(jī)一樣的勵(lì)磁和轉(zhuǎn)矩解耦控制［8－10］，擁有良好的控制特性和動(dòng)態(tài)性能，并可借由SVPWM等效調(diào)制函數(shù)的引入進(jìn)一步簡化控制算法.

由文中分析可知，仿真效果良好，與實(shí)際結(jié)果相符合，因此該矢量控制方法可以在實(shí)際工程項(xiàng)目中進(jìn)行運(yùn)用.

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