雙饋變頻供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)研究

徐　燃，王　英（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

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雙饋變頻供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)研究

徐燃，王英
（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

摘要：文章提出了一種由雙饋發(fā)電機(jī)提供變頻電源，驅(qū)動變頻電機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁，產(chǎn)生變壓變頻電源驅(qū)動電機(jī)調(diào)速運行。由于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)只需提供轉(zhuǎn)差功率，使得變頻器的容量較小，可以在一定程度上緩解電力推進(jìn)對變頻器容量需求較高的問題。文章給出了電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB對其進(jìn)行了仿真分析，驗證了此電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻調(diào)速的可行性。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)雙饋電機(jī)變頻發(fā)電變頻調(diào)速

0　引言

電力推進(jìn)的核心就是電機(jī)的變頻驅(qū)動，目前國內(nèi)和國際上都是采用大功率變頻器來驅(qū)動專用的變頻電機(jī)實現(xiàn)推進(jìn)，系統(tǒng)中變頻器功率要和電機(jī)匹配，即變頻器功率大于等于電機(jī)功率。針對目前電力推進(jìn)系統(tǒng)對變頻器容量要求不斷提高的情況，本文提出一種基于雙饋發(fā)電機(jī)的變頻電源供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于變頻器的作用是給雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供勵磁電流，由雙饋電機(jī)的工作原理可知，變頻器只需提供轉(zhuǎn)差功率，大幅度減小了對變頻器的容量需求。雙饋發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電和船舶軸帶發(fā)電中已廣泛應(yīng)用，控制技術(shù)相對成熟。文章在這些理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，并對船模在靜水中正向航行的特性進(jìn)行SIMULINK仿真研究。

1　系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理為，柴油機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)同軸相連，帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在一定的速度下旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子繞組與變頻器相連，通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵磁電流實現(xiàn)雙饋電機(jī)定子側(cè)變壓變頻電源的輸出。雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)繞組與所驅(qū)動的異步電動機(jī)定子繞組直接相連，通過改變雙饋發(fā)電機(jī)定子發(fā)出電壓，實現(xiàn)異步電動機(jī)變頻調(diào)速。異步電動機(jī)加上負(fù)載即螺旋槳來進(jìn)行船舶的電力推進(jìn)。

2　雙饋變頻推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計與分析

2.1 柴油機(jī)的工作特性[3]

目前以柴油機(jī)為原動機(jī)的技術(shù)較為成熟，在電力船舶領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。因此本文研究以柴油機(jī)為系統(tǒng)原動機(jī)的建模過程。由上世紀(jì)七十年代發(fā)展至今，關(guān)于增壓柴油機(jī)動態(tài)建模的方法有三類：基于“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法”先行建模、基于“容積法”動態(tài)建模和多階非線性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。由于發(fā)電用的柴油機(jī)要求在負(fù)荷變化時轉(zhuǎn)速基本不變，即重點在于柴油機(jī)的外部轉(zhuǎn)速特性，因此本文采用第一種建模方法。柴油機(jī)及其速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　柴淮機(jī)及其速度調(diào)節(jié)器的模型結(jié)構(gòu)圖

其中ρ表示柴油機(jī)的下垂特性，τ取決于燃油溫度，φ取決于燃油流速，柴油機(jī)本身用一個帶有比例環(huán)節(jié)K及死區(qū)時間為TD滯后環(huán)節(jié)來表示。

由于柴油機(jī)模型中帶有的純滯后環(huán)節(jié)使整個系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，給分析和設(shè)計帶來了不小的麻煩，本文采用文獻(xiàn)[3]中的設(shè)計方法，用一個二階多項式分式來做近似，如式1：

其中TD與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n有關(guān)系，即

文獻(xiàn)[3]中的各種柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)是基于實際電力艦船所得到的，因此可以作為仿真取值的參考，并可根據(jù)不用的實際要求對文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)加以修改。

2.2 雙饋發(fā)電機(jī)VVVF電源輸出控制策略

本節(jié)討論此電力推進(jìn)系統(tǒng)的電源部分。本文采用交-直-交變頻器，對雙饋電機(jī)控制的核心就是對變頻器轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的控制，由于篇幅的原因?qū)⒉辉敿?xì)介紹網(wǎng)側(cè)整流器的工作原理和控制方法，網(wǎng)側(cè)整流器給轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓。

由于轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的目的是控制雙饋異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓和電流，所以其控制方法要根據(jù)雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來建立。此時的逆變器采用發(fā)電機(jī)定子磁鏈定策略來控制，雙饋異步發(fā)電機(jī)在定子磁鏈定向下的dq數(shù)學(xué)模型為：

由此式可以看出定子的電壓和電流之間的關(guān)系還受到交叉耦合項的影響，這是采用前饋電壓補(bǔ)償?shù)姆椒梢韵@一影響，需要前饋補(bǔ)償?shù)碾妷簽槭?.8：

磁鏈在αβ坐標(biāo)系的模型為：

其中矢量分析器為：

系統(tǒng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2中的虛線部分。

由圖2虛線部分可以看出，在以上述控制策略建立起的變頻電源系統(tǒng)中，給定定子的角頻率ωs，則可以根據(jù)設(shè)定的壓頻比得到對應(yīng)的電壓給定值，根據(jù)這兩個給定值來得到后面負(fù)載所需要的電壓。

2.3 電力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

系統(tǒng)采用的推進(jìn)電機(jī)是異步電機(jī)，雙饋發(fā)電機(jī)給推進(jìn)電機(jī)提供變頻電源。如果通過給定變頻電源的輸出頻率控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速時，此時系統(tǒng)為開環(huán)結(jié)構(gòu)，將不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于給定定子磁場轉(zhuǎn)速。為了消除這一影響，系統(tǒng)外環(huán)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制如圖2的反饋環(huán)節(jié)，將給定的負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速和實際負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速作比較，通過PI調(diào)節(jié)器得到實際提供給變頻電源的輸出角頻率。采用這種閉環(huán)系統(tǒng)，就可以直接給定負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速，使調(diào)速更加精確。

2.4 螺旋槳的工作特性

螺旋槳作用在推進(jìn)電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩用無因次量表示為2.11：

其中KM是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，ρ為海水的密度，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑。轉(zhuǎn)矩系數(shù)KM是進(jìn)速比J的函數(shù)，其中進(jìn)速比J的表達(dá)式為：

其中vs為船速，ω為伴流系數(shù)。本文做了一些簡化處理，滿載船舶在靜水中航行時，螺旋槳轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為[7]：

即螺旋槳轉(zhuǎn)矩近似的和轉(zhuǎn)速的平方成正比。

3　系統(tǒng)仿真及其分析

把以上建立起的柴油機(jī)模型、變頻電源-電機(jī)模型和船槳模型連接在一起便組成了雙饋變頻推進(jìn)系統(tǒng)，利用MATLAB/SIMULINK模塊對這個系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

本文只是進(jìn)行理論上的研究，因而采用實驗室用的較小功率的電機(jī)來進(jìn)行仿真，電機(jī)的參數(shù)選擇如表1：

表1　電機(jī)參數(shù)選擇

MATLAB仿真的過程為：船舶由靜止開始啟動、加速，進(jìn)行正向航行，一直到螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值并保持在給定值附近穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。這里將螺旋槳給定值設(shè)為300 r/min,得到螺旋槳轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形、推進(jìn)電機(jī)定子電流波形和變頻電源發(fā)出的電壓波形。如圖3。

由（a）和（b）可以看出船舶由靜止到正向航行穩(wěn)定期間的動態(tài)響應(yīng)時間很短，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時基本保持在300 r/min不變，轉(zhuǎn)矩有較大脈動，但是調(diào)節(jié)時間很短，最后也達(dá)到穩(wěn)定。（c）和（d）可以看出在螺旋槳實際轉(zhuǎn)速和給定值不同時，變頻電源部分會自動的調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和幅值來確保速度與給定值吻合。

4　結(jié)論和展望

本文主要對雙饋變頻供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和仿真，仿真的結(jié)果證明了這種結(jié)構(gòu)在理論上是可行的。由于這種模型是采用模塊化建立的，因此便于修改和完善，例如改善電機(jī)與螺旋槳匹配關(guān)系得到更高的推進(jìn)效率，考慮船體本身的運動得到更好的特性曲線等等。雖然我國對電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究還處于起步階段，但是當(dāng)前對它的研究和應(yīng)用越來越廣泛，隨著我國自主研發(fā)并投入生產(chǎn)實踐的電力推進(jìn)船舶越來越多，也標(biāo)志的中國電力推進(jìn)研究不斷進(jìn)步。

圖2　系統(tǒng)逆變器控制結(jié)構(gòu)圖

圖3　仿真結(jié)果

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Research on Electric Propulsion System with Doubly-fed Variable Frequency Power Supply

Xu Ran,Wang Ying
（School of Electronics and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning,China）

Abstract:The paper presents a type of electric propulsion system.In this system,doubly-fed generators provide the variable frequency power to drive the frequency conversion motor.This system uses the rotor excitation to produce variable voltage and variable frequency power supply to drive the motor to adjust speed.Because the rotor side of doubly-fed generators only needs to provide the slip power,it makes the inverter capacity be small.So it can offset problems that electric propulsion needs the inverter which has the high capacity by this system.The paper elaborates the architecture of electric propulsion system and builds mathematical model.It also verifies the feasibility of frequency conversion speed regulation by Matlab in accordance with the established mathematical model.

Keywords:electric propulsion;doubly-fed generators;inverter generator;frequency conversion speed regulation

作者簡介：徐燃（1991），男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)自動化。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號：U665.11

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0053-04