全電力船電力系統(tǒng)建模與仿真

閻學(xué)范

（江蘇科技大學(xué) 江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

下一代軍艦將以綜合電力系統(tǒng)（IPS）[1]為顯著標(biāo)志，綜合電力系統(tǒng)包括主要電源和輔助電源[2]，由它們給推進(jìn)發(fā)電機(jī)組提供動(dòng)力，同時(shí)，給船舶電力負(fù)荷提供能量。隨著發(fā)電系統(tǒng)的整合，新技術(shù)的引進(jìn)，如集成電力電子系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)技術(shù)。如何進(jìn)行實(shí)時(shí)的電源管理和電力系統(tǒng)重構(gòu)變的尤為重要，尤其是在設(shè)備故障和戰(zhàn)斗損耗的情況下。電源管理的主要目標(biāo)是確保持續(xù)的為電力負(fù)荷供應(yīng)電力，從而提高艦船電力系統(tǒng)的可靠性和生命力。

全電力船（AES）的電網(wǎng)通常擁有電力推進(jìn)系統(tǒng)，電子武器系統(tǒng)和船舶服務(wù)相關(guān)的電力負(fù)荷。目前，新建艦船越來越多的使用區(qū)域配電系統(tǒng)[3]（Zonal Electric Distribution System），區(qū)域配電系統(tǒng) （ZEDS）可以增強(qiáng)配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性和生命力。不同與傳統(tǒng)的輻射狀配電系統(tǒng)，區(qū)域配電系統(tǒng)（ZEDS）采用兩個(gè)主總線（右舷總線和左舷總線）為重要負(fù)載提供冗余路徑。這樣，在不同的戰(zhàn)況下，區(qū)域配電系統(tǒng)（ZEDS）可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)，以響應(yīng)不同優(yōu)先級(jí)的負(fù)載的實(shí)時(shí)潮流。

圖1說明了艦船綜合電力系統(tǒng)的單線圖。綜合電力系統(tǒng)（IPS）主要包括發(fā)電模塊（PGM），電源轉(zhuǎn)換模塊（PCM），能量存儲(chǔ)模塊（ESM），電推進(jìn)模塊（EPM）和重要/非重要負(fù)荷。發(fā)電模塊可以是燃?xì)鉁u輪機(jī)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池。由于這些動(dòng)力源有不同的響應(yīng)時(shí)間，負(fù)載有不同的運(yùn)行特性，穩(wěn)定性，效率和性能對(duì)電力系統(tǒng)電源管理的動(dòng)態(tài)優(yōu)化是至關(guān)重要的。電源管理系統(tǒng)[4]要面對(duì)的問題主要包括：1）如何協(xié)調(diào)電源與電源轉(zhuǎn)換器，以確保重要負(fù)載的不間斷電力供應(yīng)？2）如何重新配置系統(tǒng)，以取得最佳效果和最大可靠性？3）如何實(shí)現(xiàn)重新配置，以確保在暫態(tài)電能質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的完整性？

圖1 艦船綜合電力系統(tǒng)的單線圖Fig.1 One-line diagram of Shipboard Integrated Power System

1 綜合電力系統(tǒng)（IPS）的模塊化建模

由于綜合電力系統(tǒng)（IPS）是一個(gè)大規(guī)模電力系統(tǒng)，含有許多高頻電源開關(guān)或其他模擬起來非常耗費(fèi)內(nèi)存的組件，模擬和調(diào)試這樣一個(gè)大系統(tǒng)非常費(fèi)時(shí)。另一方面，將這個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)作為一個(gè)整體參數(shù)整定非常困難。而且，在區(qū)域配電系統(tǒng)（ZEDS）的子系統(tǒng)中含有許多相似和可重復(fù)使用的地方。因此，可以采取模塊化建模方法。主要分成發(fā)電模塊（燃?xì)鉁u輪機(jī)和燃料電池），電力推進(jìn)模塊和區(qū)域配電系統(tǒng)。區(qū)域配電系統(tǒng)本身包括許多電源轉(zhuǎn)換模塊和電力負(fù)荷。

1.1 燃?xì)鉁u輪模型

艦船電力系統(tǒng)可以使用很多種能源系統(tǒng)，其中多數(shù)艦船使用燃?xì)鉁u輪/發(fā)電機(jī)組作為船上的主要推進(jìn)動(dòng)力。在建立燃?xì)鉁u輪模型時(shí)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系[5]。圖2所示即為船舶電力系統(tǒng)的燃?xì)鉁u輪機(jī)的模型的原理圖。

圖2 燃?xì)鉁u輪機(jī)的模型的原理圖Fig.2 Schematic of the fuel cell system

燃?xì)鉁u輪機(jī)模型由壓縮機(jī)，渦輪，燃燒室模型和渦輪機(jī)、壓縮機(jī)之間的動(dòng)態(tài)耦合旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的模型由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得到[6]。燃?xì)鉁u輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電裝置，并由發(fā)電裝置將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能產(chǎn)生電壓為4 160 V和頻率為60 Hz的三相交流電源。

圖3 開環(huán)模擬燃?xì)廨啓C(jī)：需求與產(chǎn)生的電能Fig.3 Open loop simulations of gas turbine:demand vs generated power

1.2 燃料電池模型

燃料電池（FC）一直以來都被認(rèn)為是一種清潔和高效的綜合電力系統(tǒng)（IPS）的輔助動(dòng)力源。艦載設(shè)備通過燃料處理系統(tǒng)從普通大氣中獲得純凈氫氣。其他模型代表著不同的燃料轉(zhuǎn)化技術(shù)，如柴油的自動(dòng)熱轉(zhuǎn)化也可以使用。燃料處理過程與燃料電池相比速度較慢。燃料電池—燃料處理系統(tǒng)（FCFPS）的模式由J.Pukrushpan[5]建立，其原理如圖4所示。

圖4 燃料處理系統(tǒng)的示意圖Fig.4 Schematic of the fuel processing system

FC-FPS的模型包括加氫脫硫劑（HDS），部分催化氧化劑（CPOX），水煤氣閥（WGS）和順序氧化劑（PROX），陽極和堆棧電壓等模型。加氫脫硫劑，水煤氣閥和順序氧化劑以一階延遲建模。最重要的是動(dòng)態(tài)模擬部分催化氧化劑溫度，陽極壓力和陽極氫分壓。文獻(xiàn)[7]中的堆棧電壓模型計(jì)算出的堆棧輸出電壓作為當(dāng)前的負(fù)載電流，陽極、陰極壓力和水化膜的函數(shù)。燃料電池（FC）系統(tǒng)的輸出電壓通過DC/DC轉(zhuǎn)換器連接到PCM4中。對(duì)于特定的系統(tǒng)，F(xiàn)C-FPS的總輸出功率為80 kW至330 kW。燃料電池的負(fù)載電流開環(huán)階躍變化模擬結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，相比燃?xì)鉁u輪機(jī)/發(fā)電機(jī)組，燃料電池具有較低的響應(yīng)。

圖5 燃料電池開環(huán)模擬：負(fù)載電流和電池功率Fig.5 Open loop simulations of fuel cell:current demand and generated power

1.3 ZEDS模型

圖1給出了一個(gè)包含PGM，EPM，ESM和ZEDS的雙區(qū)域綜合電力系統(tǒng)（IPS）。由于直流區(qū)域結(jié)構(gòu)相對(duì)于交流區(qū)域結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn)，在模型中采用直流ZEDS。直流ZEDS中至關(guān)重要的部件是重要/非重要負(fù)載和電源轉(zhuǎn)換模塊，其原理圖如圖6所示。

圖6 PCM1的模型Fig.6 Model of PCM1

1）PCM1：圖6描述了PCM1的模型。PCM1是有 3個(gè)可重構(gòu)開關(guān)的降壓直流/直流轉(zhuǎn)換器?？刂七@3個(gè)開關(guān)可以重構(gòu)每個(gè)區(qū)域功率流動(dòng)的路徑。直流母線故障和恢復(fù)的仿真也可以通過對(duì)開關(guān)的控制來實(shí)現(xiàn)。該P(yáng)CM1輸出電壓為900 V比主總線少200 V。正常情況下PCM1為一個(gè)非重要負(fù)荷和一個(gè)重要負(fù)荷供電。在設(shè)備故障或戰(zhàn)損情況下，如果對(duì)面的主總線或PCM4/PCM1失常，同時(shí)將接入對(duì)面的重要負(fù)荷。

圖7 ZEDS中PCM的簡圖Fig.7 Diagram of PCMs in ZEDS

2）PCM2/5：圖 7（a）描述了 PCM 2/5 的模型。 PCM2/5 是直流/交流逆變器。由于它們?yōu)橹匾?fù)荷供能，它們?cè)谌魏吻闆r下都不應(yīng)該失電，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)總線傳輸電路，它可以在較靠近總線輸入端口和較遠(yuǎn)離總線輸入端口間自動(dòng)選擇。通常情況下，較靠近總線輸入端口比較遠(yuǎn)離總線輸入端口有更高優(yōu)先級(jí)，只有其電壓下降到比較較遠(yuǎn)離總線輸入端口低100 V時(shí)，才會(huì)自動(dòng)切換。但是，為了平衡兩個(gè)直流總線負(fù)載，其電壓恢復(fù)至比高50 V時(shí)，較靠近總線輸入端口會(huì)再次接管。

3）PCM3/6：圖 7（b）描述了 PCM 3/6 的模型。 PCM3/6是直流/直流轉(zhuǎn)換器。沒有自動(dòng)總線傳輸電路，因?yàn)镻CM 3/6主要為非重要負(fù)載供電。如果主總線或次總線失電，該非重要負(fù)荷將直接失去電源。

4）PCM4：圖 7（c）描述了 PCM 4 的模型，這是一個(gè)交流/直流轉(zhuǎn)換器，通過控制整流器觸發(fā)角將三相交流電轉(zhuǎn)換成為直流。在我們的模型中，PCM 4的能源來自交流主總線和燃料電池。

5）負(fù)載：重要/非重要負(fù)荷做為恒功率負(fù)載建模。所以負(fù)荷都可以根據(jù)能源管理模塊中的指令從直流母線獲得能源。

1.4 推進(jìn)模塊

1）電力推進(jìn)模型：電力推進(jìn)模型是一種三相交流/直流/交流變頻調(diào)速與傳輸系統(tǒng)在低速，高轉(zhuǎn)矩永磁同步電動(dòng)機(jī)（PMSM）下驅(qū)動(dòng)的螺旋槳。交流/直流整流器按照SimPower-Systems工具箱中的Universal Bridge建模。

2）船舶動(dòng)態(tài)模型：電力推進(jìn)電機(jī)的負(fù)載扭矩是由船舶動(dòng)態(tài)模型計(jì)算速度和船舶螺旋槳速度，流體力學(xué)決定的。 筆者采用了文獻(xiàn)[8]給出的船舶模型。它包含了大量附加水動(dòng)力和力矩作用在船上。在這個(gè)模型中，給出一個(gè)預(yù)定的船舶速度，可以計(jì)算出所需的電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并反饋到推進(jìn)電機(jī)控制單元。

2 模型集成，分布及初步模擬

2.1 模型集成及分布

綜合電力系統(tǒng)（IPS）模型集成有兩個(gè)階段。首先，ZEDS模塊和推進(jìn)模塊分別集成和測試。正如在前面幾節(jié)討論的，ZEDS，負(fù)載和PCM，關(guān)鍵組件是單獨(dú)建模和測試。然后，PCM和負(fù)載相互連接，形成了兩個(gè)區(qū)域的ZEDS。對(duì)船舶動(dòng)態(tài)模型和推進(jìn)模型集成是非常簡單的。所需的螺旋槳扭矩和速度是由船舶動(dòng)態(tài)模型計(jì)算出信號(hào)并發(fā)送到推進(jìn)模型電機(jī)。然后ZEDS和推進(jìn)模塊與發(fā)電模塊相互連接。

綜合電力系統(tǒng)（IPS）是一個(gè)具有許多不同特性子系統(tǒng)的大型系統(tǒng)。例如，燃?xì)鉁u輪模型和燃料電池的動(dòng)態(tài)模擬是相對(duì)緩慢的，1 ms的時(shí)間步長就足夠了。另一方面，電力轉(zhuǎn)化模型具有較高的高頻功率開關(guān)，在模型中該子系統(tǒng)的時(shí)間步長為50 μs，比電力產(chǎn)生模型短很多。

2.2 初步仿真

圖8描述了在故障和重構(gòu)過程中的負(fù)載消耗，其中4種情況分別為：

圖8 在故障和重構(gòu)過程中的負(fù)載消耗Fig.8 Power consumed by load satfailure and reconguration scenarios

方案1：左舷總線或PCM1/PCM4失電，非重要負(fù)載失電，重要負(fù)荷從右舷總線供電。

方案2：左舷總線重構(gòu)或PCM1/PCM4恢復(fù)供電，所有負(fù)載平均從兩側(cè)總線供電。

方案3：右舷總線失電，這導(dǎo)致了右舷總線側(cè)非重要負(fù)載失去能源。重要負(fù)載切換到左舷總線供電，進(jìn)而正常工作。

方案4：兩個(gè)總線同時(shí)失電，因此所有的負(fù)載都失去電源。這樣可以驗(yàn)證ZEDS模型的故障仿真和重構(gòu)能力。

圖9描述了推進(jìn)電動(dòng)機(jī)航速從0節(jié)加速到8節(jié)的瞬態(tài)。為了提高螺旋槳轉(zhuǎn)速，實(shí)際轉(zhuǎn)矩明顯比在啟動(dòng)期間所需的扭矩大。實(shí)際轉(zhuǎn)矩和速度曲線與期望的曲線非常吻合。

3 結(jié) 論

圖9 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)航速Fig.9 Dropulsion motor speed

初步的仿真結(jié)果驗(yàn)證了全電力船/綜合電力系統(tǒng)仿真可以仿真不同腳本，如故障模擬，潮流路徑重構(gòu)和能源管理。該仿真可以結(jié)合不同I/O硬件可以支持其他系統(tǒng)的開發(fā)活動(dòng)，如硬件在環(huán)仿真，快速控制原型，進(jìn)行全面的分析。

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