基于RT-LAB的電力推進船舶半物理仿真研究

汪 敏，歐陽松，楊俊飛

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基于RT-LAB的電力推進船舶半物理仿真研究

汪 敏，歐陽松，楊俊飛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

實驗室內(nèi)電推船舶的研究常采用小比例模型的方式?？紤]到場地和經(jīng)費的因素，仿真技術(shù)也被應(yīng)用于電推船舶的研究，但是數(shù)字仿真存在置信度不足的缺點。本文以實時仿真機RT-LAB為基礎(chǔ)，將受場地經(jīng)費限制的設(shè)備以模型的形式在仿真機中運行，與實物一起搭建電推船半物理仿真平臺。既可以克服數(shù)字仿真置信度不足的缺點，同時也便于進行工況的修改。

電力推進船舶 半物理仿真 RT-LAB

0 引言

20世紀 80年代以來，電力電子技術(shù)的發(fā)展和調(diào)速變換器技術(shù)的進步，為電力推進船舶的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世界90年代以后，電力推進船舶在艦船領(lǐng)域開始得到迅速的發(fā)展。電力推進已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。

大功率用電設(shè)備的使用，使傳統(tǒng)意義上的以電站監(jiān)控為主的船舶電力系統(tǒng)無法滿足需求。船舶綜合電力系統(tǒng)的概念由美國人在1994年提出，全船電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)均有統(tǒng)一的中央系統(tǒng)控制，便于系列化和模塊化，從統(tǒng)籌全船能量的角度真正意義上實現(xiàn)了電力和推進兩大系統(tǒng)的融合。電推船正在向著網(wǎng)絡(luò)化，信息化，智能化的方向發(fā)展[1]。

1 半物理仿真

考慮到經(jīng)費和場地限制，仿真技術(shù)被應(yīng)用到電力推進船舶的研究中來。采用建模與仿真的方法，結(jié)合試驗，對系統(tǒng)進行模擬。對修改設(shè)計，完善方案有很大幫助。尤其是一些設(shè)備因為價格昂貴，在控制機理不清楚的情況下，不宜貿(mào)然采用實物實驗。

盡管仿真技術(shù)有著諸多的優(yōu)越性，但是傳統(tǒng)的數(shù)字仿真仍然存在不足。仿真是以相似理論為基礎(chǔ)，通過對真實和虛擬的事物進行分析并進行模型構(gòu)造。所以仿真系統(tǒng)并不能完全模擬真實的事物本身，并非絕對可信。仿真系統(tǒng)有多大的可信度，結(jié)果是否可用，與仿真過程中的一系列實施步驟密切相關(guān)[2,3]。

為了克服傳統(tǒng)的數(shù)字仿真的不足，近年來，半物理仿真開始在研究和開發(fā)中大量采用，在很大程度上，克服了數(shù)字仿真置信度低，實時性差的缺點。

進行半物理仿真，需要配備專門的實時仿真機。目前市場上主流的實時仿真機有加拿大的RT-LAB、日本的A&D、德國的dSPACE以及我國自行研制的HILworks平臺。

2 RT-LAB實時仿真機

RT-LAB實時仿真機是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一款新型的基于模型的應(yīng)用平臺，主要用作工程設(shè)計與測試。應(yīng)用RT-LAB仿真機，工程師可以在一個平臺上實現(xiàn)工程項目的設(shè)計，既可以實現(xiàn)快速響應(yīng)模型（RCP），又可以支持硬件在回路模式（HILS）。

用戶可以根據(jù)需要將系統(tǒng)的模型分割成若干個子系統(tǒng)，并分布到X86的目標(biāo)機網(wǎng)絡(luò)中并行運算。另外，它還具備靈活的模塊化的設(shè)計能力。

3 半物理仿真平臺的構(gòu)建

以RT-LAB為實時仿真機，搭建一個完整的小比例電推船舶電力系統(tǒng)平臺。完整的平臺包含的主要設(shè)備有：柴油機，調(diào)速器，同步發(fā)電機，配電板，能量管理系統(tǒng)，變壓器，變頻器，推進電機，模擬螺旋槳海況的負載電機，操控系統(tǒng)等。見圖1。

柴油機，調(diào)速器，同步發(fā)電機，配電板，變壓器設(shè)備昂貴，且占據(jù)空間較大，可以采取模型的形式，在仿真機RT-LAB中運行。

整個半物理仿真平臺分為三個部分：仿真機、負載及基礎(chǔ)控制。

1）仿真機，主要模擬柴油機，調(diào)速器，同步發(fā)電機，配電板，變壓器環(huán)節(jié)。以及部分控制算法的執(zhí)行。

2）負載，由兩臺變頻器分別拖動兩臺異步電機，一臺作為推進電機，模擬螺旋槳。另一臺作為負載電機，模擬海況負載。兩臺電機以聯(lián)軸的形式對接。變頻器選用西門子SINAMIC S120 系列。

3）基礎(chǔ)控制，負責(zé)整個系統(tǒng)的控制， 此外還具有PMS功能。PLC選用西門子S7-300系列。上位機選用西門子WinCC軟件[4]。

更理想的架構(gòu)還可以包括一個虛擬的左舷和實際存在的右舷，主模型及算法在主仿真機中運行，虛擬左舷在分布式仿真機中運行，實際右舷由兩臺對拖的變頻電機進行實物仿真。如果模型搭建合理，左右舷的仿真曲線應(yīng)該吻合。如圖2。

圖1電推船舶電力系統(tǒng)平臺

圖2 半物理仿真平臺

4 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

4.1柴油機與調(diào)速器完整模型

柴油機，調(diào)速器與執(zhí)行器的完整模型可以由這三者的模型串聯(lián)后進行簡化。其中比較常用的一種簡化后的建模方法分別是采用二階環(huán)節(jié)進行組合建模，得出前向通路的傳遞函數(shù)為：

式中：為控制器放大系數(shù)。9為放大器時間常數(shù)。10為二階環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。為發(fā)電機組延遲時間。11、12、13為柴油機及其執(zhí)行器的時間常數(shù)。

4.2同步發(fā)電機模型

同步發(fā)電機的模型有穩(wěn)態(tài)模型，瞬態(tài)模型以及次瞬態(tài)模型。

同步電機的穩(wěn)態(tài)模型，可以用一個內(nèi)部等效的電壓源，一個等效電阻和一個等效電抗來描述。如果將凸極電機的等效阻尼繞組考慮在內(nèi)，該繞組等效阻尼時間常數(shù)較大，則可以得到同步電機的瞬態(tài)模型。在瞬態(tài)模型的基礎(chǔ)上，如果再將凸極電機時間常數(shù)較小的等值阻尼繞組的特性考慮在內(nèi)，會得到同步電機的次瞬態(tài)模型。

不同精度要求的系統(tǒng)，采取不同形式的模型。當(dāng)模型階次提高，仿真的精度也會提高，但是計算量會隨之而增加，進行仿真時整體時間會加長，系統(tǒng)運算速度會下降。

4.3勵磁系統(tǒng)模型

勵磁系統(tǒng)前向通路傳遞函數(shù)為：

其反饋單元為：

其中，k為主調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)；t為主調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)；t為超前補償時間常數(shù)；t為滯后補償?shù)臅r間常數(shù)；k為反饋阻尼環(huán)節(jié)的放大系數(shù)；t為阻尼反饋環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。

4.4螺旋槳數(shù)學(xué)模型

螺旋槳的數(shù)學(xué)模型需要將伴流系數(shù)、推力減額系數(shù)、阻力、螺旋槳推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、進速比考慮在內(nèi)。其中伴流系數(shù)、推力減額系數(shù)需要符合一個數(shù)值連續(xù)的分段函數(shù)，避免仿真中發(fā)生跳變。

動態(tài)時，進速比的范圍變化很大，為了克服這個困難，對進速比的值，需要用Chebyshev多項式擬合。從而得出螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩。

船槳的數(shù)學(xué)模型，需要先按照實船的參數(shù)推算出螺旋槳的扭矩T，隨后將其進行折算，由折算結(jié)果得出半實物仿真系統(tǒng)中負載電機的輸出轉(zhuǎn)矩T。

計算在仿真機中是通過軟件實現(xiàn)的。輸入量為船速和螺旋槳的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過模型計算后，輸出量為負載電機的轉(zhuǎn)矩。船速可以由船槳數(shù)學(xué)模型求得，故船槳模型的輸入量僅有螺旋槳轉(zhuǎn)速。

螺旋槳的總模型如圖3[5]。

4.5電力系統(tǒng)模型

選用三臺發(fā)電機組成電站模型。RT-LAB中還應(yīng)運行功率限制模型和脫扣檢測模型。

因為Matlab中無滑動變阻器，而使用電機模型做負載，在起動時對發(fā)電機模型沖擊過大，系統(tǒng)容易報錯。為實現(xiàn)模型中的可調(diào)負載，在仿真時，發(fā)電機的負載使用直流斬波的方式完成。

為保證功率限制在恢復(fù)時轉(zhuǎn)矩及功率不出現(xiàn)過沖，推出快速功率限制時，應(yīng)該增加一個斜坡函數(shù)，對過沖進行抑制。

主推以外的負載，可以在RT-LAB中定義一個函數(shù)。該函數(shù)值與從PLC傳輸過來的推進電機實際功率相加，作為系統(tǒng)總負荷。

RT-LAB軟件中，模型被劃分為SM與SC兩部分。模型在SM中運行，操作和監(jiān)控在SC中進行。SC與SM間由專用塊連接。

封裝完畢后的RT-LAB模型結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 RT-LAB模型結(jié)構(gòu)

5 半物理仿真驗證

5.1柴油機起動試驗

發(fā)電機空載啟動，運行穩(wěn)定后，6 s時給發(fā)電機突加1.35 MW，功率因數(shù)為0.8的阻感負載。在14 s時再突加同樣的負載，通過自動調(diào)節(jié)，使電機穩(wěn)定運行。試驗結(jié)果見圖5。從上至下依次為柴油機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機端電壓、柴油機轉(zhuǎn)速變化率。

5.2功率限制時柴油機試驗

以大負載轉(zhuǎn)移的方式，模擬異常脫扣。發(fā)電機運行在60%負載下，突增60%負載。圖6中，從上至下依次為柴油機轉(zhuǎn)速、發(fā)電機端電壓以及柴油機轉(zhuǎn)速變化率。當(dāng)大負載突增后，因功率限制投用，迅速將其降到額定負載的20%。柴油機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機端電壓能夠保持穩(wěn)定。柴油機轉(zhuǎn)速變化率出現(xiàn)較大跌落，但是迅速被糾回。

圖5 起動試驗機組波形

圖6 功率限制試驗機組波形

5.3功率限制恢復(fù)試驗

圖7，圖8分別為快速功率限制恢復(fù)時，有無斜坡時，推進變頻器功率的波形對比。由圖可見，沒有斜坡時，功率恢復(fù)會出現(xiàn)較大的過沖。增加斜坡后，過沖得到明顯的改善。

5.4快速功率限制試驗

圖9為快速功率限制時，推進變頻器的轉(zhuǎn)矩波形。當(dāng)檢測到開關(guān)的異常脫扣后，變頻器在60 ms的時間內(nèi)通過限制轉(zhuǎn)矩完成功率的限制。

圖8 有斜坡退出功率限制變頻器波形

圖9 快速功率限制變頻器波形

6 結(jié)束語

基于實時仿真機RT-ALB可以搭建半物理仿真平臺進行船舶電力系統(tǒng)的研究。其優(yōu)勢在于兼有數(shù)字仿真的靈活性與物理仿真的實時性。以此為基礎(chǔ)，可以擴展為分布式仿真平臺，對電力推進船舶進行更深入的研究。

[1] 徐水法, 韓琦, 杜軍. 船舶能量管理系統(tǒng)PMS研究[J]. 中國航海, 2005, (3): 78-86.

[2] Parker D.S,Hodge C.G.Electrical Marines and Drives[C]. The Electrical Warship, Proceedings of the 8th International Symposium IEEE, 1997: 5-13.

[3] 羅成漢. 船舶電力推進模擬平臺的研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué), 2013.

[4] 羅成漢, 陳輝. 船舶能量管理系統(tǒng)PMS對策[J]. 中國航海, 2007, (4): 87-91.

[5] 高海波. 船舶電力推進系統(tǒng)的建模與仿真[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2008.

RT-LAB –based Semi-physical Simulation of an Electric Propulsion Ship

Wang Min, Ouyang Song, Yang Junfei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Small scaled model is often used in the research of electric propulsion ship. At the same time, simulation is also used in the research taking sites and funds into consideration. It has the defect because of the lack of confidence level in simulation. Based on the real-time simulation machine RT-LAB, the equipment which is restricted by sites and funds can be running in RT-LAB as models. Semi-simulation platform consists of RT-LAB and other substantial equipments. By this way, the confidence level can be improved and the working condition can be also modified freely.

electric propulsion ship; semi-physical simulation; RT-LAB

TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0077-04

2015-12-23

汪敏（1984-），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用。