船舶電力系統(tǒng)整流發(fā)電機和蓄電池組并聯(lián)供電控制策略

何 宇，汪永茂，雷秉霖

(1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，華中科技大學，湖北 武漢 430074；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

基于直流主網(wǎng)的綜合電力系統(tǒng)是船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-5]。基于直流主網(wǎng)的綜合電力系統(tǒng)采用整流發(fā)電機作為主電源對系統(tǒng)進行供電[2，6-8]，采用蓄電池組作為后備電源以提升供電可靠性[9-11]。為保證供電可靠性，常將整流發(fā)電機輸出端與蓄電池組輸出端直連。正常情況下，由整流發(fā)電機對負載供電，同時對蓄電池組浮充。整流發(fā)電機發(fā)生故障時，發(fā)電機出口開關斷開，退出運行，可無縫切換到蓄電池組對負載供電。因此全船最大負載功率不能大于整流發(fā)電機的額定功率。

由于船舶的空間重量有限，發(fā)電機體積和功率受限，而船舶推進電機推進功率較大、日常電力系統(tǒng)負載較多[12-14]，可能會出現(xiàn)電力負載功率超過發(fā)電機的情況。需要研究船舶電力系統(tǒng)的控制策略，在負載功率超過整流發(fā)電機功率時，通過切換整流發(fā)電機控制方式，使蓄電池組和整流發(fā)電機同時對負載供電，蓄電池組能分擔負載功率，船舶電力系統(tǒng)能夠承擔更大的負載功率。

由于蓄電池組容量有限，整流發(fā)電機和蓄電池組同時供電時，需盡量讓整流發(fā)電機多出力，降低蓄電池組的放電功率，延長蓄電池組供電時間。

本文提出了一種整流發(fā)電機和蓄電池組并聯(lián)供電策略，可實現(xiàn)在負載功率大于整流發(fā)電機額定功率時，整流發(fā)電機和蓄電池組同時對負載供電。采用此策略可提升船舶電力系統(tǒng)最大負載功率，增加船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。

1 典型基于直流主網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)

圖1為一種典型的基于直流主網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)拓撲圖。主要由整流永磁發(fā)電機、蓄電池組、直流母線、推進電機及其變頻器、逆變電源和船用日常交流負載組成。整流永磁發(fā)電機的發(fā)電機模塊通過整流器連接到直流母線，蓄電池組出口端直連到直流母線，通過變頻器對推進電機供電，通過逆變電源對船用日常交流負載進行供電。

圖 1 基于直流主網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)拓撲圖Fig. 1 Topological diagram of DC-main-grid ship power system

整流永磁發(fā)電機控制系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。整流永磁發(fā)電機由永磁發(fā)電機、整流器組成。整流器采用IGBT作為開關器件的PWM整流電路，其具備直流電壓穩(wěn)定、功率因素高、交流諧波低等優(yōu)點。轉子位置檢測裝置將發(fā)電機位置信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)采樣的直流側和交流側電壓電流值，對PWM整流器進行驅動控制，采用恒壓輸出策略，維持直流輸出電壓恒定。

船用蓄電池組一般選用鉛酸蓄電池組。由于蓄電池組出口是直連到直流母線，直流母線電壓值會影響到蓄電池組的充放電狀態(tài)。當直流母線電壓值高于蓄電池組空載端電壓時，蓄電池組處于充電狀態(tài)。當直流母線電壓值低于蓄電池組空載端電壓時，蓄電池組處于放電狀態(tài)。直流母線額定電壓為蓄電池組的浮充電壓，所以當直流母線保持額定電壓時，蓄電池組會處于浮充狀態(tài)。蓄電池組單獨供電時，直流母線電壓下降，低于額定電壓。在相同的荷電狀態(tài)和溫度下，蓄電池組放電電流越大，端口電壓越低。

圖 2 整流永磁發(fā)電機系統(tǒng)結構框圖Fig. 2 Structural block diagram of rectifier permanent magnet generator system

船舶電力系統(tǒng)負載主要分為推進電機和船用日常交流負載。傳統(tǒng)的船舶電力推進系統(tǒng)，推進電機控制多采用交-直-交變頻器，結構較復雜，而在基于直流主網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)中，推進電機控制采用結構更簡單的直-交變頻器。船用日常交流負載主要有泵類負載（如冷卻水泵）和阻感負載（如照明負載）兩類。其使用的交流電由逆變電源從直流母線的直流電逆變得到。逆變電源采用恒壓輸出控制策略，在直流母線電壓在逆變電源額定輸入電壓范圍內發(fā)生變化時，其輸出的交流電壓保持不變。

目前船舶電力系統(tǒng)在整流發(fā)電機正常時，直流母線電壓處于額定電壓值，整流發(fā)電機對負載供電，同時對蓄電池組進行浮充。而在整流發(fā)電機故障時，發(fā)電機退出運行，僅由蓄電池組進行供電，此時直流母線電壓跌落至蓄電池組端電壓。目前船舶電力系統(tǒng)暫無整流發(fā)電機和蓄電池組并聯(lián)同時供電的工況，所以系統(tǒng)的最大負載功率不能大于發(fā)電機的額定功率。

2 整流發(fā)電機與蓄電池組并聯(lián)供電控制策略

整流永磁發(fā)電機系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略。雙閉環(huán)控制中外環(huán)是直流輸出電壓反饋控制環(huán)，內環(huán)是交流電流反饋控制環(huán)。

直流電壓給定值為直流母線額定電壓，控制整流器輸出直流母線額定電壓。整流器輸入電壓d軸、q軸分量的關系式如下：

整流發(fā)電機輸出的有功功率P和無功功率Q，計算式如下：

可以推算出：

假設發(fā)電機三相交流輸出電壓為三相平穩(wěn)的純正弦電壓：

當給定的有功功率P為整流發(fā)電機額定功率PN，給定的無功功率Q為零時，即整流器在恒功率輸出工作模式時，對應的給定值為：

可見，在恒壓輸出雙閉環(huán)控制的基礎上增加有功電流給定值的限幅環(huán)節(jié)，即可實現(xiàn)在負載功率小于等于整流發(fā)電機額定功率PN時，整流器輸出直流母線額定電壓，在負載功率大于整流發(fā)電機額定功率PN時，整流器輸出額定功率。的限幅值為：

整流發(fā)電機與蓄電池組并聯(lián)供電策略控制框圖如圖3所示。在負載功率小于發(fā)電機額定功率時，有功電流給定值限幅環(huán)節(jié)不起作用，因此整流器處于恒壓輸出工作模式。直流母線電壓值為額定電壓，由于直流母線額定電壓為蓄電池組浮充電壓，此時蓄電池組處于浮充狀態(tài)。

圖 3 整流發(fā)電機與蓄電池組并聯(lián)供電策略控制框圖Fig. 3 Control block system of rectifier generator and storage battery parallel power supply

有功電流限幅環(huán)節(jié)的作用是控制發(fā)電機輸出功率不大于額定功率。當負載功率大于發(fā)電機額定功率時，，此時給定值被限幅而保持為，整流發(fā)電機進入恒功率輸出工作模式，發(fā)電機保持額定功率輸出。由于發(fā)電機輸出功率等于額定功率，小于負載功率，直流母線電壓值下降，當直流母線電壓值下降到低于蓄電池組的空載電壓時，蓄電池組由充電狀態(tài)轉換為放電狀態(tài)。當蓄電池組放電功率恰好等于負載功率與整流發(fā)電機額定功率差值時，直流母線電壓停止下降而進入穩(wěn)態(tài)。此時發(fā)電機輸出功率、蓄電池組放電功率和負載功率滿足下式：

并聯(lián)供電控制策略能夠在負載功率小于或等于整流發(fā)電機額定功率時，維持母線電壓在額定值，使蓄電池組處于浮充狀態(tài)，整流發(fā)電機對負載和蓄電池組供電。并聯(lián)供電控制策略能夠在負載功率大于整流發(fā)電機額定功率時，實現(xiàn)整流發(fā)電機輸出額定功率，蓄電池組補充輸出負載功率超出整流發(fā)電機額定功率的差值，使蓄電池組和整流發(fā)電機的并聯(lián)供電，能夠提升艦船電力系統(tǒng)的最大輸出功率。在負載功率大于整流發(fā)電機額定輸出功率時，此控制策略使得蓄電池組能夠維持供電狀態(tài)最長時間，能維持母線電壓至系統(tǒng)所能維持的最大值。

3 仿真計算

采用Matlab/Simulink平臺進行仿真計算。直流母線額定電壓為450 V，發(fā)電機額定功率為25 kW。蓄電池組采用通用等效模型，電池為滿電，空載時端電壓為435 V。

在0～0.2 s期間，負載有功功率為17 kW，無功功率為2 kVar。此時負載功率小于發(fā)電機額定功率，由圖4可以看出直流母線電壓為額定電壓450 V，發(fā)電機輸出有功功率等于負載有功功率，為17 kW。蓄電池組處于浮充狀態(tài)，充電電流約等于0。由于發(fā)電機無功電流給定值為0，所以發(fā)電機輸出的無功功率為0，負載的無功功率由逆變電源提供。

圖 4 直流母線電壓波形圖Fig. 4 Voltage waveform of DC bus

圖 5 蓄電池組放電電流波形圖Fig. 5 Current waveform of battery discharge current

圖 6 發(fā)電機和蓄電池組功率波形圖Fig. 6 Power waveform of generator and battery

在0.2 s時，負載功率突變至25 kW，達到整流發(fā)電機額定功率。發(fā)電機輸出額定功率，直流母線電壓維持在額定電壓450 V，蓄電池組仍處于浮充狀態(tài)。

在0.8 s時，負載有功功率突變至35 kW，無功功率突變至5 kVar。負載功率大于發(fā)電機額定有功功率，發(fā)電機進入恒功率模式。暫態(tài)過程結束后，發(fā)電機仍輸出額定有功功率25 kW。此時母線電壓不能維持在額定電壓，下降至428 V，低于蓄電池組空載端電壓，蓄電池組處于放電狀態(tài)，放電電流為20 A，放電功率為10 kW。此時蓄電池組放電功率等于負載功率超出整流發(fā)電機額定功率差值，發(fā)電機輸出功率、蓄電池組放電功率和負載功率自動達到平衡。

仿真計算表明，負載功率小于或等于發(fā)電機額定功率時，直流母線電壓能夠維持在額定值，使得蓄電池組處于浮充狀態(tài)，發(fā)電機輸出功率等于負載功率。負載有功功率大于發(fā)電機額定有功功率時，發(fā)電機輸出額定有功功率，直流母線電壓下降，蓄電池組由浮充轉為放電，輸出功率等于負載功率超出發(fā)電機額定功率的差值。

圖 7 負載功率波形圖Fig. 7 Power waveform of load

4 結 語

本文針對基于直流主網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)，提出了整流發(fā)電機與蓄電池組的并聯(lián)供電策略，在負載功率超過整流發(fā)電機額定功率時，可實現(xiàn)整流發(fā)電機和蓄電池組共同對負載供電，提升了船舶電力系統(tǒng)的最大負載功率。建立仿真模型，通過Matlab仿真計算，對供電策略進行驗證。