基于MATLAB/Simulink的艦船電力推進四象限負載模擬系統的仿真研究

劉 鵬

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所 青島分部，武漢 430064）

1 引言

艦船綜合電力推進是世界船舶動力的發展趨勢之一，是現今各國船舶研究的熱點。在傳統艦船電力推進系統試驗中，一般都是使用水力測功機作為推進電機的測試負載。試驗時，推進電機通過傳動軸與水力測功機連接，帶動水力測功機旋轉，產生的機械能轉化為熱能被水力測功機吸收。這種電力推進系統測試方法雖然具有結構簡單、安裝方便、控制容易的優點，但是試驗產生的能量被白白浪費，能量利用率很低，特別是容量較大的推進系統，能量浪費更加嚴重。水力測功機最為突出的缺點是其無法模擬完整的艦船螺旋槳曲線特性，使得推進系統試驗數據很難接近實船參數。

本文研究的是四象限負載模擬系統，這一負載系統不僅能夠模擬實現推進電機的電動及其發電狀態的四象限運行，為電力推進系統試驗提供先進的模擬負載，而且可以將被試推進電機旋轉產生的機械能轉化為電能回饋到電網中，使得試驗能量利用率顯著提高。文章首先研究了四象限變頻系統的控制策略，然后使用MATLAB/Simulink軟件搭建了整個試驗系統的仿真模型，仿真結果驗證了四象限模擬負載系統設計的可行性。

2 艦船電力推進系統試驗原理

試驗原理如圖1所示。試驗設備包括四象限負載系統，電力變壓器、傳動軸、扭矩傳感器以及試驗所需的其他輔助電源等。四象限負載系統主要由負載變頻電機、負載變頻器及其控制單元組成。被試電力推進系統包括被試推進電機及其變頻器。被試電力推進系統與試驗室設備連接后進行測試試驗研究。被試推進電機通過傳動軸與負載變頻電機相連，中間的扭矩傳感器用于測量電機轉速和轉矩。整個系統由中壓電網供電，通過電力變壓器將電網電壓轉換為試驗所需的電壓等級。

四象限負載系統的負載變頻器是交-直-交變頻器，其中整流單元是三相有源前端（AFE）整流，中間是直流電容單元，逆變單元是三相橋式全控型逆變器，對整流單元和逆變單元均采用PWM控制，控制單元包括PWM控制電路以及電機控制的軟硬件結構?？刂茊卧捎梦⑻幚砥骺刂萍夹g，通過對變頻電機的控制，使得變頻電機工作在預先設定的轉矩-轉速特性四象限曲線上，達到對推進系統進行模擬加載的試驗目的。

2.1 整流單元控制策略

整流單元使用全控型IGBT組成三相全橋電路，使用空間矢量控制策略，并采用電流內環和電壓外環的雙閉環控制，這一控制策略可實現整流器電網側的單位功率因數和電能的雙向流動[1]。控制策略如圖2所示，直流電壓外環控制是將輸出直流電壓Udc與給定值進行比較，偏差送入 PI調節器，PI調節后的輸出值作為電流給定值。電流內環控制首先將輸入電流ia、ib、ic經過坐標變換為id、iq。坐標變換后的d軸分量id表示電流的有功分量，q軸分量iq代表無功分量。為實現功率因數是1，取q軸電流給定值為0。對d、q軸電流分別進行PI調節控制，調節輸出送入SVPWM脈沖產生單元，得到整流器開關管的觸發脈沖[2]。

圖1 測試系統原理

圖2 整流控制策略框圖

2.2 逆變單元控制策略

逆變單元的結構與整流單元相同，也是由全控型IGBT組成的三相橋式電路，采用的是直接轉矩控制（DTC）得到開關管的觸發脈沖，直接轉矩控制避免了復雜的坐標變換，可實現對電機轉矩和定子磁鏈的直接控制?？刂撇呗钥驁D如圖3所示，對電機的電磁轉矩和定子磁鏈與相應給定值比較得到偏差，其中電機的電磁轉矩和定子磁鏈依據定子磁鏈的“u-i”模型和電磁轉矩模型公式[3]計算得到。轉矩誤差與磁鏈誤差的控制均采用滯環調節（Bang-Bang），滯環的寬度可以通過軟件調節。最后根據轉矩矩滯環調節器輸出值、磁鏈滯環調節器輸出值以及磁鏈的相位角選擇合適的定子電壓空間矢量。

3 MATLAB/Simulink仿真模型和結果分析

艦船電力推進四象限負載模擬系統MATLAB/Simulink仿真模型如圖4所示。仿真參數為：三相電源有效值為10 kV，變壓器一次側10 kV、二次側690 V，電機額定功率3 MW，額定電壓690 V，額定轉速150 rpm。設定直流單元直流給定值為1000 V，電機給定轉速為150 rpm，電機加速率為 180 rpm，電機啟動時外部負載轉矩為0，在1 s時施加80 kN·m的負載轉矩，在1.5 s時施加-80KN.m的負載轉矩。

圖3 逆變器控制策略框圖

圖4 四象限負載模擬系統仿真模型

電機轉速和輸出轉矩仿真結果如圖5和圖6所示。電機0 s開始啟動，在0.85 s時啟動完畢，轉速達到額定轉速。在1 s和1.5 s分別施加與電機轉速反向以及同向的負載轉矩，其中1 s到1.5 s，電機帶動負載轉動，電機處于電動狀態；1.5 s到2 s，負載拖動電機旋轉，電機處于發電狀態。

圖7為系統啟動時整流輸出直流電壓波形。直流電壓經過一段時間調節后達到穩定，并能準確地跟蹤指定電壓1000 V，具有很好的動態和穩定性。圖8為整流單元工作穩定后輸入相電壓和電流穩態波形。由于交流電壓和電流數值相差很大，為便于兩者波形對比，圖中將電壓和電流值進行了歸一化處理。由波形圖可以看到輸入交流電流為正弦形，并且與輸入交流電壓相位相同，實現了單位功率因數。

在1.5 s時，電機轉入發電狀態，直流電壓有小幅上升即有泵生電壓產生，如圖9所示。但隨后就下降到給定值，同時輸入交流電流和輸入交流電壓相位反向，如圖10所示。整流器工作在有源逆變狀態，即將電機的發電產生的電能回饋到了電網中[4]。

圖5 電機轉速仿真圖

圖6 電機輸出轉矩仿真圖

圖7 整流輸出直流電壓波形圖

圖8 輸入相電壓和電流穩態波形圖

圖9 電能回饋時直流電壓波形圖

圖10 有源逆變時輸入相電壓和電流波形圖

4 結束語

在對四象限模擬負載系統的工作原理、控制策略研究的基礎上，使用 MATLAB/Simulink軟件建立了艦船電力推進系統四象限負載模擬系統的仿真模型。仿真波形表明整個試驗系統能夠實現電能的雙向流動，驗證了系統設計的正確性和有效性。

[1] 童亦斌，陳瑤，金新民. 三相電壓型PWM整流器建模與控制研究[J]. 機車電傳動，2007，(4)：15-18.

[2] 馬耀輝，尹華杰，汪萬維. 三相電壓型PWM整流器空間電壓矢量控制仿真[J]. 防爆電機，2009，(2)：15-19.

[3] 丁榮軍.黃濟榮. 現代變流傳動技術與電氣傳動[M].北京：科學出版社，2009.

[4] 初升. 四象限變頻器技術介紹[J]. 變頻器世界，2006，(10)：78-80.