小型電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)

仝永臣，俞萬能

(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

電力推進(jìn)是較為進(jìn)步的一種船舶推進(jìn)方式，從1838年第一艘電動(dòng)試驗(yàn)船誕生以來，已有一百多年的歷史[1－2]．20世紀(jì)后期，功率電子器件制造技術(shù)不斷提高，自控技術(shù)不斷完善，大大地推動(dòng)了商用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展[3]．隨著船舶向大型化發(fā)展，在采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶上，要求推進(jìn)電機(jī)輸出功率較大，一般占整個(gè)電站容量的50%以上．推進(jìn)電機(jī)受惡劣海況對(duì)螺旋槳的影響，在某些工況下會(huì)給電網(wǎng)帶來較大的負(fù)荷變化，形成對(duì)電網(wǎng)的巨大沖擊[4]．小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)功率一般不大于1500 kW，相對(duì)于大型電力推進(jìn)船舶，小型電力推進(jìn)船舶總體控制系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單．但是由于其船舶電站 (功率管理單元)容量小，抗沖擊性差，所以為了保障船舶的運(yùn)行安全，對(duì)于推進(jìn)控制系統(tǒng)的性能要求更高．研究如何提高推進(jìn)設(shè)備控制系統(tǒng)的性能，使電力推進(jìn)系統(tǒng)在各種海況下能安全穩(wěn)定運(yùn)行是小型電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)研究的一個(gè)重要方向．

文獻(xiàn) [5]對(duì)船舶整個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)做了結(jié)構(gòu)介紹，文獻(xiàn) [6]從混合仿真系統(tǒng)的角度，對(duì)船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真模型建立，但都沒有對(duì)電力推進(jìn)控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹;文獻(xiàn)[7]對(duì)電力推進(jìn)模擬器監(jiān)控系統(tǒng)的硬件組成與軟件設(shè)計(jì)介紹較詳細(xì)，但對(duì)電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制性能要求分析還不夠全面;文獻(xiàn)[8]對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)中電機(jī)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比研究，沒能從整個(gè)推進(jìn)控制系統(tǒng)展開分析;文獻(xiàn) [9－10]結(jié)合船舶動(dòng)態(tài)模型對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，但是沒有考慮海況變化引起的螺旋槳負(fù)載變化．結(jié)合小型電力推進(jìn)船舶的特點(diǎn)，提取柴油機(jī)船舶主機(jī)控制系統(tǒng)[11]中適用于電力推進(jìn)船舶的部分，通過對(duì)電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制功能的分析，基于文獻(xiàn) [12]中的小型船舶電力推進(jìn)控制系統(tǒng)，研究設(shè)計(jì)了更能適應(yīng)海上航行條件的小型船舶電力推進(jìn)控制系統(tǒng)．

1 電力推進(jìn)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 推進(jìn)控制功能分析

推進(jìn)控制系統(tǒng)的主要功能是對(duì)不同工況下的變化負(fù)載進(jìn)行最佳的動(dòng)態(tài)控制，從而保證推進(jìn)系統(tǒng)的最佳性能和安全運(yùn)行，主要包括:操作人員可以在駕駛室、集控室和機(jī)旁進(jìn)行多地點(diǎn)操作;根據(jù)電網(wǎng)剩余容量、推進(jìn)控制命令以及推進(jìn)功率要求進(jìn)行相應(yīng)邏輯判斷環(huán)節(jié)的起動(dòng)邏輯和重復(fù)起動(dòng)控制;轉(zhuǎn)速與功率控制;加速速率限制[13]、最大功率限制以及臨界轉(zhuǎn)速避讓等各種限制;安全保護(hù)與應(yīng)急操作等．

1.2 電力推進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在小型電力推進(jìn)船舶中，一般采用交流異步電動(dòng)機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)．由于矢量控制可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，且具有響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍廣、控制精度高、可靠性高的特點(diǎn)，所以一般采用矢量變頻器進(jìn)行調(diào)速．

船舶的螺旋槳負(fù)載波動(dòng)大、隨機(jī)性強(qiáng)，在功率模式下推進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化的頻率也很高．為了使推進(jìn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速平緩，減小負(fù)載波動(dòng)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的影響，需要設(shè)定一定的功率閾值，使系統(tǒng)在這一功率范圍內(nèi)的波動(dòng)不會(huì)引起推進(jìn)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化．．

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載本身變化很大，對(duì)于轉(zhuǎn)速及功率的調(diào)節(jié)一般采用閉環(huán)PI控制方式，以減小螺旋槳負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響．同時(shí)采用抗飽和PI控制器來解決閉環(huán)控制積分飽和對(duì)快速性能的影響[14]．

在轉(zhuǎn)速控制模式下，若設(shè)定轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，臨界轉(zhuǎn)速避讓環(huán)節(jié)使設(shè)定轉(zhuǎn)速避開該區(qū)域，加速 (減速)階段則穩(wěn)定在臨界轉(zhuǎn)速下限 (上限)運(yùn)行，若改變?cè)O(shè)定轉(zhuǎn)速繼續(xù)加速 (減速)，當(dāng)設(shè)定值高于 (低于)臨界轉(zhuǎn)速上限 (下限)，在轉(zhuǎn)速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)時(shí)改變PI控制器參數(shù)，使調(diào)節(jié)幅度增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速通過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)穩(wěn)定在設(shè)定值運(yùn)行．

在功率控制模式下，若設(shè)定功率所對(duì)應(yīng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，系統(tǒng)自動(dòng)在臨界轉(zhuǎn)速下限對(duì)應(yīng)功率穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)轉(zhuǎn)速離開臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，系統(tǒng)快速越過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)在設(shè)定功率穩(wěn)定運(yùn)行．

根據(jù)小型電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制功能要求及其運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能實(shí)現(xiàn)其推進(jìn)控制主要功能的電力推進(jìn)控制系統(tǒng)，如圖1所示．電力推進(jìn)船舶根據(jù)海況手動(dòng)選擇功率模式或轉(zhuǎn)速模式運(yùn)行．

當(dāng)選擇轉(zhuǎn)速控制模式時(shí)，功能和普通的轉(zhuǎn)速控制類似;當(dāng)選擇功率控制模式時(shí)，PI調(diào)節(jié)器對(duì)給定功率和實(shí)際功率進(jìn)行PI控制直接輸出轉(zhuǎn)矩電流分量，實(shí)現(xiàn)電機(jī)恒功率控制．

超速限制和功率限制環(huán)節(jié)將其計(jì)算轉(zhuǎn)矩電流分量值與外環(huán)給定值進(jìn)行比較后通過選小器實(shí)現(xiàn)動(dòng)作．正常運(yùn)行時(shí)，限制功能是限幅值狀態(tài)，限制環(huán)節(jié)不起作用，只有在負(fù)載突變時(shí)才會(huì)起作用[15]．

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下建立了小型電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示．

圖1 電力推進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of electric propulsion control system

圖2 小型電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of the small electric propulsion ship's propulsion control system

該模型由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成:異步電機(jī)仿真模塊，矢量控制模塊，磁鏈和轉(zhuǎn)矩的滯環(huán)控制模塊，整流模塊，三相逆變器模塊，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率測(cè)量模塊，帶抗飽和PI控制器的速度控制模塊、功率控制模塊，臨界轉(zhuǎn)速避讓模塊，功率控制模式臨界轉(zhuǎn)速避讓模塊，功率限制模塊，轉(zhuǎn)速限制模塊，數(shù)據(jù)輸出模塊等．限于篇幅各模塊的基本功能不再詳述．

異步電動(dòng)機(jī)仿真模型采用SimPowerSystems/Machines庫中的Asynchronous Machine SI Unit模塊，參數(shù)設(shè)置為:轉(zhuǎn)子類型Squirrel－cage，額定功率Pn=7000 VA，線電壓Un=380 V，定子電阻Rs=0.087 Ω，定子電感 Ls=0.8 mH，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.228 Ω，轉(zhuǎn)子電感 Lr=0.8 mH，互感 Lm=34.7 mH，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J=1.662 kg·m2，摩擦系數(shù)F=0.1(N·m·s)，極對(duì)數(shù)p=2．

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)性能，對(duì)仿真模型進(jìn)行了一系列仿真實(shí)驗(yàn)．為了方便比較分析，給定轉(zhuǎn)速為217.4 r/min，給定功率為5.6 kW，使設(shè)定轉(zhuǎn)速與設(shè)定功率對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)參數(shù)一致;轉(zhuǎn)速限制為250 r/min，轉(zhuǎn)矩限制為300 N·m，功率限制為6.5 kW，臨界轉(zhuǎn)速為 (100～110)r/min，功率調(diào)整閾值為 (90% ～110%)．

為了研究螺旋槳負(fù)載波動(dòng)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)性能的影響，給定負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線如圖3所示，當(dāng)t=6 s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩從200 N·m突減為150 N·m，當(dāng)t=8 s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩突加為250 N·m，當(dāng)t=10 s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩降為200 N·m．

第6 s及第10 s螺旋槳阻轉(zhuǎn)矩突然變小，推進(jìn)電機(jī)有飛車的危險(xiǎn);第8 s螺旋槳阻轉(zhuǎn)矩突然增大，推進(jìn)電機(jī)有過載的危險(xiǎn)．曲線后邊的小的波動(dòng)模擬正常海況下螺旋槳所受浪流小的擾動(dòng)．

系統(tǒng)仿真波形如圖4－圖7所示．

圖3 設(shè)定負(fù)載轉(zhuǎn)矩曲線Fig.3 The setting load torque curve

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線Fig.4 The motor speed response curve

圖5 電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩曲線Fig.5 The motor electromagnetic torque curve

圖6 電機(jī)A相定子電流曲線Fig.6 The motor stator current curve of A phase

圖7 電機(jī)功率響應(yīng)曲線Fig.7 The motor power response curve

由仿真圖看出，在功率模式下，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大幅度波動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速在超速保護(hù)下進(jìn)行大幅度調(diào)整使推進(jìn)電機(jī)功率變化平緩，電流波動(dòng)小，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保證電網(wǎng)穩(wěn)定;在負(fù)載轉(zhuǎn)矩小波動(dòng)(在功率調(diào)節(jié)閾值內(nèi))時(shí)，推進(jìn)電機(jī)電流/功率不變，系統(tǒng)不受波動(dòng)影響，運(yùn)行穩(wěn)定．

在轉(zhuǎn)速模式下，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩大幅度波動(dòng)時(shí)，電流波動(dòng)大，推進(jìn)電機(jī)功率變化大，轉(zhuǎn)速波動(dòng)小，最后穩(wěn)定在設(shè)定轉(zhuǎn)速，對(duì)負(fù)載變化敏感，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小波動(dòng)時(shí)功率波動(dòng)大．

通過以上對(duì)仿真結(jié)果的分析，得出:在起動(dòng)階段轉(zhuǎn)速控制模式系統(tǒng)響應(yīng)快，加速時(shí)間短，而運(yùn)行過程中功率控制模式功率受負(fù)載變化影響小，電流、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)平緩，系統(tǒng)抗沖擊性好．機(jī)動(dòng)航行或要求恒速航行時(shí)可采用轉(zhuǎn)速控制模式，轉(zhuǎn)速響應(yīng)快，轉(zhuǎn)速跟隨性好．當(dāng)海上航行時(shí)，螺旋槳負(fù)載不穩(wěn)定(負(fù)載轉(zhuǎn)矩波動(dòng)頻繁或有大幅度變化)時(shí)可采用功率控制模式，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，保證船舶安全航行．

3 結(jié)語

通過對(duì)小型電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)控制性能要求的分析，設(shè)計(jì)了小型電力推進(jìn)船舶變頻調(diào)速控制系統(tǒng)．通過一系列的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)是可行的，為小型電力推進(jìn)船舶推進(jìn)控制系統(tǒng)實(shí)船改造提供了參考．同時(shí)，仿真結(jié)果表明對(duì)小型船舶電力推進(jìn)控制系統(tǒng)的研究及改進(jìn)，可以使小型電力推進(jìn)船舶控制更趨智能化，更能適應(yīng)海上多變的環(huán)境，提高電力推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，保證船舶的動(dòng)力安全，降低船舶運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)．

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