艦船電力推進系統的矢量控制及其仿真＊

紀 鋒 付立軍 葉志浩 吳世君 王 剛 馬海鑫

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室1） 武漢 430033）

（海軍92337部隊艦艇質量驗收部2） 大連 116023）

艦船電力系統區別于傳統陸地電力系統，屬于獨立發電供電系統，是艦船正常航行與工作的基礎保證，具有單機容量大，負載功率與裝機功率可比，負載相對集中，運行工況復雜，故障傳播速度快、范圍大等特點，而采用電力推進的綜合電力系統更包含了高功率密度電機和多種功率等級電力電子裝置及其集成技術，智能化高，代表了當今艦船電力系統的發展趨勢.由于針對艦船電力系統的物理試驗具有一定風險和不可重復性，有必要通過計算機仿真手段對系統的穩態和暫態運行情況進行分析.文獻［1－3］探討了SVPWM 的簡化控制算法并給出等效調制函數，文獻［4－5］分析并模擬了艦船螺旋槳機械特性，本文在此基礎上構建基于矢量控制的電力推進系統仿真模型并搭建試驗平臺，通過仿真和試驗兩種方法對比研究電力推進系統中電機運行規律，對比結果證明仿真模型正確，控制方法可行.

1 感應電機矢量控制

在異步電機矢量控制中，定子電流的磁場分量ids設為定值即恒磁通，定子電流的轉矩分量

式中：Lr為定子自感；Lm為定轉子互感；Te為電磁轉矩；pn為極對數；ψdr＝ψr＝｜Ψr｜，Ψr為電機轉子磁鏈，且有

其中：Tr＝Lr／Rr為轉子回路時間常數；p為微分算子.

轉差頻率

由此可得同步旋轉坐標系與靜止坐標系之間的相位角

式中：ωe為同步轉速；ωr為轉子角速度.綜合式（1）～（4）可得矢量控制原理［6］如圖1所示.

圖1中SVPWM模塊即空間矢量脈寬調制環節［7］，為避免頻繁判斷空間矢量的扇區并簡化控制，采用等效調制函數法，其A相電壓調制函數為

圖1 矢量控制原理框圖

B相和C相電壓有同樣結論，只是在結果上相對A相相位分別延遲2π／3和4π／3.

2 系統仿真

基于矢量控制的系統仿真模型按比例模擬船用電力推進系統，包括電源、移相變壓、變頻、負載和控制五部分.

2.1 系統組成

電源部分包括3臺同型號同步發電機，額定功率40kW，額定線電壓390V，額定線電流74 A，額定頻率50Hz.發電機各經相同長度的電纜連接至母線，由于有功率均分裝置，各發電機的相位角一致，潮流相等.

移相變壓部分包括2組4個三相變壓器，其中一組2個變壓器分別產生－7.5°和22.5°移相，另一組2個變壓器分別產生7.5°和－22.5°移相，組內變壓器相差30°，消除5次和7次諧波，組間變壓器相差15°，對稱運行時消除11次和13次諧波.兩個移相變壓器一次側額定電壓均為390V，二次側額定電壓亦為390V，根據電壓矢量圖（見圖2），由正弦定理可得，產生7.5°移相變壓器副邊兩個繞組額定電壓分別為412.0V和67.4V；產生22.5°移相變壓器副邊兩個繞組額定電壓分別為316.1V和198.2V.

圖2 變壓器矢量圖

負載包括2臺異步電動機及其所帶負荷，模擬艦船推進電機.每臺電動機額定功率22kW，額定線電壓380V，額定線電流42.5A，額定頻率50Hz，額定轉速1 480r／min，實驗室模擬電動機J＝0.4s.采用前文所述的矢量控制，電機轉速和三相電流作為反饋變量送到控制模塊，經過圖1所示矢量控制環節得到三相參考電壓，送至逆變器，再經過SVPWM得到三相輸出電壓并對推進電機進行供電.

2.2 螺旋槳負載特性

艦船航行時推進電機的工況由螺旋槳工況決定.由于水的阻尼和艦船自身的慣性都較大，推進電機的調速相對艦船調速而言獨立進行，從而在不同工況下調速特性不盡相同，負載轉矩也因此而有所不同.在自由航行工況，轉矩－轉速特性近似為二次曲線

式中：My為負載轉矩；n為轉速；Ky為常系數.側推電機和正常工況下的主推電機均符合該特性.

在艦船倒車時，螺旋槳進入反轉特性，在開始倒車階段，螺旋槳已經調速至反轉，但艦船因慣性作用仍保持正速行使，制動轉矩為負值，螺旋槳在水壓作用下保持原轉向，如圖3所示.

圖3 螺旋槳反轉特性曲線

由于倒車過程中船速不斷下降，轉矩將隨著船速的降低而不斷從圖3下方曲線過渡到上方曲線.在較短時間內認為船速不變，根據實際工況參數得到近似反轉特性曲線表達式為

2.3 仿真結果

1）工況一 單機啟動 2臺發電機并聯運行，1臺主推電機帶100%負載，另1臺電動機起動.發電機電流、功角波形如圖4所示.

圖4 工況一仿真結果波形

由于諧波影響，功角有脈動，其基波擺動很小，約為10°，經過約2°的超調穩定在22°左右，超調量9%.系統有較大功角穩定裕量，在起動結束后隨即進入穩態.

2）工況二 電動機反轉

3臺發電機工作，2臺主推電機滿載，船速為0.8pu，第6s時同時調節2臺推進電機的速度使其反轉至－0.35pu，推進電機與螺旋槳的慣性時間常數為15s.

推進電機的機械轉矩與轉速對照曲線、推進電機相電流如圖5所示.

圖5 工況二仿真結果波形

仿真結果符合螺旋槳反轉特性，反轉過程中電機電流經歷頻率先降后升過程，與轉速變化規律一致.

3 試驗比較

實驗室模擬實際系統的結構及其各部分參數與仿真模型一致，對工況一進行驗證.

調速時推進電機相電流如圖6所示.調速結束后電流幅頻趨于穩定，系統進入穩態運行.

圖6 調速時推進電機相電流波形

起動初期，電流幅值和頻率都較小，隨著轉速上升，幅頻均增大，如圖7～8所示.

圖7 調速初期推進電機相電流波形

圖8 調速末期推進電機相電流波形

對比可見，仿真結果與試驗結果能夠較好地吻合，誤差不超過5%，從而驗證了系統模型及計算方法的正確性，其數學模型及數值計算方法可以用來對艦船電力系統進行仿真.

4 結束語

電力推進系統包含大功率電機和電力電子裝置，遠比常規艦船電力系統復雜，并且需要考慮螺旋槳負載特性.采用矢量控制，能夠實現同直流電機一樣的勵磁和轉矩解耦控制［8－10］，擁有良好的控制特性和動態性能，并可借由SVPWM等效調制函數的引入進一步簡化控制算法.

由文中分析可知，仿真效果良好，與實際結果相符合，因此該矢量控制方法可以在實際工程項目中進行運用.

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