組態(tài)式船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計與實現(xiàn)

劉 樂，蔣 煒，高海波，林治國

組態(tài)式船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計與實現(xiàn)

劉 樂1，蔣 煒2，高海波3，林治國3

（1. 船舶綜合電力技術(shù)重點實驗室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064； 3. 武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063）

針對船舶電力推進系統(tǒng)方案論證效率低、成本高等問題，開發(fā)了一款組態(tài)式船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件。對船舶電力推進系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)劃分，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學模型和仿真模型，并封裝形成模型庫。使用Matlab/GUI開發(fā)界面層，用M語言對Simulink模型進行調(diào)用與控制。使用SQL Server 2008創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取和管理功能。基于該軟件對某船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計方案進行組態(tài)式的圖形化建模，并設(shè)計了典型工況的仿真實驗。結(jié)果表明，仿真模型較好預報了實船運行工況。由此可見，該軟件可有效驗證船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計方案。

船舶電力推進 建模仿真 組態(tài) 模型庫 數(shù)據(jù)庫

0 引言

20世紀80年代以來，以交流推進為主的現(xiàn)代船舶電力推進技術(shù)在機動性、可靠性、推進效率和推進功率等方面都取得了突破性的進展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大[1]。船舶電力推進系統(tǒng)是一個機電磁強耦合的系統(tǒng)，在方案設(shè)計過程中缺少整體性能預報的手段。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，人們借助于系統(tǒng)建模與仿真的方法，部分解決電力推進系統(tǒng)的設(shè)計和性能評估問題。使用建模仿真技術(shù)對船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計方案進行系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)整定、故障仿真和一系列系統(tǒng)動態(tài)與靜態(tài)品質(zhì)指標評估，可以大大縮減研發(fā)時間與成本，對系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化有重要意義[2-3]。

國外海軍強國在上世紀90年代基于Simulink、ProTRAX和VTB等軟件分別開始構(gòu)建綜合電力系統(tǒng)仿真平臺，并不斷完善優(yōu)化。國內(nèi)對電力推進系統(tǒng)的仿真研究集中在子系統(tǒng)的建模與仿真，對完整的綜合電力推進系統(tǒng)的仿真研究不多，且整體還處于全物理仿真和局部數(shù)字仿真階段，半物理仿真技術(shù)和全系統(tǒng)的數(shù)字仿真技術(shù)還沒有得到有效研究與應(yīng)用[4]。

本文在建立系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink、Matlab/GUI和SQL Server 2008分別開發(fā)仿真軟件模型庫、界面及數(shù)據(jù)庫，然后進行系統(tǒng)集成，得到一套通用的組態(tài)式船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件?；谠撥浖?，對某船舶電力推進系統(tǒng)設(shè)計方案進行建模仿真，并進行性能分析，驗證軟件有效性。

1 數(shù)學模型

常見的船舶電力推進系統(tǒng)包括發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力變換系統(tǒng)和推進系統(tǒng)。本文以某交流電力推進設(shè)計方案為例說明建模方法，在該系統(tǒng)所包含的基本部件中，發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)、變壓器和推進電機可在Simulink工具箱中直接調(diào)用通用模型；整流裝置可在Simulink工具箱中使用通用模型按其拓撲結(jié)構(gòu)搭建仿真模型；原動機調(diào)速系統(tǒng)、推進電機控制系統(tǒng)和船槳模型需完全按照數(shù)學模型使用基本元器件搭建仿真模型。本文主要介紹了推進電機控制系統(tǒng)的數(shù)學模型。

推進電機采用永磁同步電機，電機控制方式為預測電流控制。預測電流控制策略是在k時刻初始時通過觀測器得到轉(zhuǎn)速及定子電流等信號，接著估測出8個基本電壓矢量所對應(yīng)的k+1時刻的定子電流，最后通過比較8個基本電壓矢量所對應(yīng)的多目標函數(shù)，選出最符合k時刻要求的開關(guān)狀態(tài)量施加給逆變器[5]。

永磁同步電機dq坐標系下定子電流預測方程及多目標優(yōu)化函數(shù)如下[6]：

2 仿真軟件的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 軟件框架設(shè)計

組態(tài)式船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件由模型層、界面層和數(shù)據(jù)層三部分組成，其中模型層和界面層在Matlab環(huán)境下開發(fā)，充分利用Matlab強大的建模仿真能力和豐富的繪圖功能；數(shù)據(jù)層在SQL Server 2008環(huán)境下開發(fā)，建立存儲仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)Matlab與SQL Server之間的數(shù)據(jù)通信，滿足用戶記錄、管理大量仿真數(shù)據(jù)的需求。仿真軟件基本框架如圖1所示。

模型層是根據(jù)船舶電力推進系統(tǒng)的組態(tài)化及模塊化設(shè)計要求而自定義的分層級電力推進模塊庫，包含總系統(tǒng)、子系統(tǒng)和基本設(shè)備模塊三層；界面層由多個GUI界面組成，按照功能分為方案論證、模型集成、實驗分析、數(shù)據(jù)管理四個部分，其中方案論證又包括方案設(shè)計和仿真實驗；數(shù)據(jù)層作為最主要的數(shù)據(jù)載體，與界面層有著非常頻繁的數(shù)據(jù)交流，通過界面操作，能對數(shù)據(jù)庫中存儲的系統(tǒng)方案信息、仿真實驗信息、設(shè)備參數(shù)信息等進行查詢和管理。

圖1 仿真軟件基本框架

2.2 組態(tài)式圖形化建模

圖形化建模方法采用面向?qū)ο缶幊趟枷?，將Simulink底層模塊和GUI頂層圖像抽象為一個模塊類，通過該模塊類實現(xiàn)頂層界面對底層模塊的訪問和控制，大大降低了用戶對建模環(huán)境的認知要求[7]。根據(jù)模塊類創(chuàng)建模塊對象，然后為模塊對象選擇已有的設(shè)備參數(shù)，可以實現(xiàn)底層模塊參數(shù)值的快速設(shè)置。模塊對象包括界面圖標和底層模塊，在此基礎(chǔ)上，采用組態(tài)方法進行圖形化建模，連接界面圖標形成直觀的系統(tǒng)配置圖。

2.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

軟件的核心功能是對電力推進系統(tǒng)方案進行仿真，得到系統(tǒng)基本性能預報。設(shè)計一個電力推進系統(tǒng)方案，需要先確定系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的設(shè)備。對于仿真來說，應(yīng)該先選擇仿真模型，然后設(shè)置模塊參數(shù)。仿真模型在界面上有對應(yīng)的配置圖，用以直觀顯示系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，方便參數(shù)設(shè)置。方案設(shè)計完成后，設(shè)置不同的仿真條件對方案進行仿真實驗，得到大量的實驗數(shù)據(jù)，依此論證方案的可行性。

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在SQL Server 2008環(huán)境下創(chuàng)建仿真軟件數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)在GUI界面的可視化，以及界面操作對數(shù)據(jù)庫的存儲和編輯功能。

基于上述技術(shù)對模型層、界面層和數(shù)據(jù)層進行集成，完成船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件的開發(fā)。軟件數(shù)據(jù)分析界面如圖2所示。

圖2 仿真軟件數(shù)據(jù)分析界面

3 仿真實驗

3.1 參數(shù)設(shè)置

基于仿真軟件對采用上述設(shè)計方案的某電力推進船舶建立系統(tǒng)仿真模型，并進行參數(shù)設(shè)置。仿真實驗采用定步長，步長為2s，時長為1000 s，算法為Matlab自帶的二/三階龍格-庫塔法。船機槳參數(shù)如表1所示。

3.2 起航實驗

起航實驗采用三級啟動的測試方式，實驗開始時，設(shè)置電機轉(zhuǎn)速在1秒內(nèi)上升到75 r/min，運行1秒后上升到150 r/min，繼續(xù)運行１秒后上升到額定轉(zhuǎn)速200 r/min并保持到實驗結(jié)束。仿真實驗結(jié)果如圖3~6所示。

表1 推進電機、船舶和螺旋槳參數(shù)

圖3 船舶航速

圖4 電機轉(zhuǎn)速（起航10s）

仿真實驗中，電機轉(zhuǎn)速可以較好地跟隨目標轉(zhuǎn)速。電機轉(zhuǎn)矩和螺旋槳轉(zhuǎn)矩變化趨勢緊跟電機轉(zhuǎn)速，且電機轉(zhuǎn)矩與螺旋槳轉(zhuǎn)矩基本相同。交流母線處電壓總諧波畸變率為3.77%，滿足中國船級社電網(wǎng)電壓總諧波畸變率≤5%的規(guī)范。船舶航速在80 s時開始上升，在500 s左右時穩(wěn)定在18 kn附近，與設(shè)計航速吻合。仿真實驗表明，基于該軟件建立的系統(tǒng)仿真模型可以較好模擬實船運行工況，仿真結(jié)果符合實船運行機理，在此基礎(chǔ)上可以進行進一步的系統(tǒng)性能分析，有效驗證方案的可行性。

4 結(jié)語

由于船舶電力推進系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，機電磁各系統(tǒng)間耦合緊密，系統(tǒng)的全數(shù)字仿真驗證還沒有得到有效應(yīng)用。本文以Matlab和SQL Server2008為平臺開發(fā)出一款組態(tài)式船舶電力推進系統(tǒng)仿真軟件。軟件具有界面友好、組態(tài)式建模方便、仿真精度高等特點，充足的底層模塊庫可以滿足絕大多數(shù)系統(tǒng)方案的仿真驗證，并可以持續(xù)擴充。下一步的研究重點是在軟件模型庫中添加能量管理系統(tǒng)模塊庫，實現(xiàn)能量管理系統(tǒng)與推進系統(tǒng)的共同控制，進一步優(yōu)化仿真軟件的可靠性。

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[3] 王子才. 仿真技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用[J]. 中國工程科學, 2003(2): 40-44．

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Design and Implementation of Marine Electric Propulsion System Configuration Simulation Software

Liu Le1, Jiang Wei2, Gao Haibo3, Lin Zhiguo3

（1. Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory, Wuhan 430063, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 3. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430064, China）

U664.14

A

1003-4862（2019）05-0055-04

2018-11-28

劉樂（1993），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進技術(shù)。E-mail: m13260615416@163.com