船用雙饋發電控制策略研究

王猛, 王英

(大連交通大學, 遼寧大連 116021)

0 引言

船舶軸帶發電是由主機驅動發電機的供電裝置，利用船舶航行時的剩余功率進行發電的一種發電形式。船舶航行運費中，燃料費用占50%～60%。我們知道，船舶主機采用重油作為動力裝置的主要燃料，重油的價格成本較低；而船上的獨立的柴油發電機采用的是輕油，輕油的價格比較高，成本大約是重油的一倍。船用雙饋發電機將發電機建立在船槳動力的裝置上，把螺旋槳推動船的動力一部分轉化為軸帶雙饋發電機發電用的機械能，這樣就省去了船用柴油機用輕油發電的結構。本質上就是用重油代替輕油產生機械能來發電，所以用軸帶發電機可以很大程度上節省船舶航行電能的成本。

由于船舶航行時的速度是變化的，為了得到變速恒頻效果，運用傳統同步發電機需要帶同步補償裝置。而運用雙饋電機發電不但可以實現變速恒頻，而且其轉子勵磁的發電控制結構使變頻控制裝置作用在轉子部分，而不是主供電電路部分，變頻器的容量明顯減小，系統的成本也顯著降低。

船舶發電和并網型發電不同，其發電是作為一種獨立發電供給船上所有電器設備使用，在滿足頻率要求的同時需要發電裝置提供380V工頻恒定電壓，這就要求對發電的電壓控制作用增強，增加負載和卸下負載時對電網的沖擊要小。所以，獨立發電重點在于雙饋發電電壓控制問題。

1 系統結構

系統結構如圖1所示。轉子勵磁控制雙饋發電機定子側發電的一部分供給負載使用，另一部分作為轉子勵磁的電能使發電機正常運行，這樣就組成了一個發電循環系統。直流電源的目的有兩個，一是在發電機運行時提供勵磁電能，當系統正常發電時可考慮將其切除；二是在實際發電時出現故障導致系統不能運行，可以考慮通過測量元件和控制開關將其接入到發電系統中。整流裝置選用多脈沖整流或者是PWM整流，也可在電機的定子側設置兩類定子繞組，目的是在整流時盡量減少直流母線和網側的諧波成分。

2 雙饋發電數學模型與控制策略

由雙饋電機定子定向下的數學模型可知

由雙饋發電機的電壓方程和磁鏈方程為：

式中：Rs，Rr是定轉子繞組的電阻；Ls，Lr是定轉子繞組自感；Lm是定轉子繞組的互感；ims是定子廣義勵磁電流；σ為漏磁系數，

轉子d軸電流分量控制定子磁鏈，實現有功控制，而q軸分量保證定子定向。

式（2）忽略定子繞組壓降，得到定子定向下定子磁鏈與定子電壓矢量關系式

式（5）帶入（3）得雙饋電機轉子電壓方程

其中，由反電動勢引起的交叉耦合項為（9）式。

由于系統是用做獨立發電系統，與并網系統不同，不需要對并網相位控制。所以，直接將電流的無功分量為零，即iq*=0，這樣就實現了定子磁場強迫定向。這樣的結構使系統更簡單，算法更容易實現。

在雙饋矢量控制系統中，在把dq軸電流分開控制的同時，為了得到定子電壓強化控制效果，采用一種電壓閉環作為轉子d軸電流前饋補償，給定控制電壓的幅值us*，與通過磁鏈計算得出的定子電壓us進行比較作為偏差信號，再通過PI調節器得到發電機轉子勵磁電流開環參考補償值irdc*。這種結構在強化電壓控制的同時，可以直接給定定子電壓對定子側電壓幅值控制。雙饋異步發電機獨立發電時矢量控制系統框圖如圖2。

實現系統控制需進行磁鏈計算，可以通過雙饋電機定子電壓電流建立磁鏈觀測器來實現。定子磁鏈在αβ坐標系下模型為

對定子發電側頻率的控制是通過轉子勵磁頻率補償轉子旋轉頻率實現的，轉子電流補償頻率：

寫成磁鏈角度的形式

ωs1、ωs、ωr分別是轉子轉差角速度、同步旋轉角速度、轉子旋轉角速度；θs1、θs、θr分別為轉差角度、定子磁鏈角度、轉子位置。

定子電流頻率與同步角速度sω的關系為：

f1為定子電流頻率；np為雙饋電機的極對數。

3 系統仿真

3.1 仿真參數

船航行速度在400 r/min到750 r/min，用simulike和其電力系統元件庫對控制算法仿真。雙饋異步電機參數如下：三相繞線式雙饋電機75 kW，定子額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，極對數為4，同步轉速為750 r/min,定子電阻Rs=40.5 m?，轉子電阻Rr=42 m?，定子自感Ls=12.3 mH，轉子自感Lr=12.4 mH，定轉子互感Lm=11.8 mH。

3.2 仿真結果與分析

在圖（1）中，直流母線電壓諧波是一個重要的問題，特別是在不控整流下產生的六次諧波對系統的影響很大。仿真結果證明，控制策略對低次諧波有很好的適應性。這是因為直流側諧波實際是直流側電壓幅值的小范圍快速波動，由于系統定子電壓閉環作用，直流電壓波動時，調制信號根據波動情況迅速作出相應調整保證定子發電電壓恒定。直流母線疊加幅值為70 V六次諧波仿真如圖3。圖中，調制信號并非完美的正弦波，是因為直流母線電壓小范圍波動時，在電壓閉環調節下，調制信號會立即做出相應調整，消除直流電壓波動帶來的諧波影響。

此種策略控制雙饋異步發電機定子側發電的優點之一是實現定子側的電壓能夠通過給定電壓直接調節，定子電壓給定值在系統運行前可以給定，也可在運行過程中調節定子電壓給定值，都能夠使發電系統定子側電壓控制在給定值。

仿真相電壓設定幅值是2202V，在0.2 s之后，將設定值動態變為250 V的定子電壓和調制信號波形如圖4。由于控制結構使電壓控制值能夠直接給定，所以可以直接方便的進行定子側電壓幅值控制。除了調壓調速以外，用戶一般需要的是380 V的工頻電壓不變，但是系統的這種控制結構對電壓的控制作用更強。原因是電壓閉環的前饋補償作用可以在電壓偏離給定值時及時補償電壓，在反饋的作用下使電壓迅速跟隨給定值，但會增加控制器參數整定難度。

船用發電系統目的是直接給用電器使用，要求對電網側直接接入負載和卸去負載有很強的自動調節能力。在系統運行時，仿真在0.3 s電網側加入15 A負載，在0.6 s后將負載卸下過程中的定子電壓和定子電流仿真波形如圖5。

0.3s增加15 A負載時，定子電壓會降低，在調制信號作用下，定子電壓在1個周期后恢復到控制值。0.6 s卸下15 A負載時，定子電壓會升高，在調制信號作用下，定子電壓1個周期后恢復到控制值。

4 總結

本文介紹了一種對雙饋異步發電機定子發電電壓有強烈控制作用的發電策略算法，并且在數學模型的基礎上進行了動態仿真。這種發電形式可以應用在獨立發電系統中，雙饋電機定子側發電電壓穩定性強，可以直接供用電設備使用。這為雙饋式獨立發電提供了船用電機控制策略的一種理論和工程依據。

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