船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真研究

池波，翁爽

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船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真研究

池波1，翁爽2

（1．中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149； 2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

本文對(duì)兩臺(tái)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)的雙推進(jìn)器船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。通過(guò)搭建模型來(lái)分析電力推進(jìn)系統(tǒng)中的影響因素。本模型基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)，旨在分析船舶的運(yùn)行特性。因此，通過(guò)電力推進(jìn)系統(tǒng)效率和船舶速度的仿真曲線，了解了雙螺旋槳船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的相關(guān)特性。同時(shí)對(duì)不同的參量（功率和推進(jìn)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速，船舶速度等）進(jìn)行了分析，為了提高船舶推進(jìn)功率和推進(jìn)器特性，采用了功率評(píng)估系統(tǒng)（PPP）和螺旋槳優(yōu)化系統(tǒng)（POP）。

推進(jìn) 電力推進(jìn)系統(tǒng) 仿真研究

0 引言

隨著電力電子器件的快速發(fā)展，電力推進(jìn)系統(tǒng)在船舶上的應(yīng)用日益廣泛。電力推進(jìn)船舶的優(yōu)勢(shì)在于可以滿足全球化能源的需要，通過(guò)發(fā)電機(jī)提供給本船推進(jìn)動(dòng)力和全船電網(wǎng)所需的電能。

本文的研究?jī)?nèi)容是單船雙螺旋槳的電力推進(jìn)系統(tǒng)。在船舶建造之前，需要對(duì)船舶的動(dòng)力設(shè)備和推進(jìn)設(shè)備進(jìn)行選型，以滿足船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的需要。采用兩臺(tái)同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳，并通過(guò)變頻器完成對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的控制，是本文的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容。因此，我們?cè)O(shè)想了實(shí)際情況并通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證其優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示[1]。

：船體移動(dòng)時(shí)海水提供的船體電阻；

T，T：螺旋槳產(chǎn)生的推力；

T：外界因素（風(fēng)、波浪等）產(chǎn)生的阻力。

當(dāng)船舶航行時(shí)，船舶受幾個(gè)方面因素的影響，船舶運(yùn)行狀況受海況的影響，而海況又受天氣的影響。海水阻礙船舶的移動(dòng)，實(shí)際上，研究船舶運(yùn)行狀況，需要研究船舶的移動(dòng)模型和了解其他影響的方面。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的特征

船舶推進(jìn)系統(tǒng)主要包括以下方面：

交流發(fā)電機(jī)通過(guò)柴油機(jī)或氣體渦輪機(jī)產(chǎn)生電能，供給配電板和推進(jìn)設(shè)備；

推進(jìn)設(shè)備，包含兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)同步電機(jī)提供給推進(jìn)器動(dòng)力（電機(jī)與螺旋槳之間通過(guò)軸連接），分別由變頻器控制來(lái)調(diào)整螺旋槳的轉(zhuǎn)速。如圖2所示，為一套標(biāo)準(zhǔn)的電力推進(jìn)系統(tǒng)范例。

2 建模與仿真

2.1 推進(jìn)系統(tǒng)的組成和建模

如圖3所示，為系統(tǒng)的構(gòu)造及各子系統(tǒng)的輸入輸出接口。推進(jìn)器的速度的變化，需要根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置確定電機(jī)相電流的大小。

當(dāng)前頻率和轉(zhuǎn)子頻率始終是成比例的關(guān)系（同步變化）。如圖3所示，可使用電流幅值（I）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速角度（θ）來(lái)進(jìn)行控制。這種方法確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定控制。其值由電機(jī)定子電流的相位和幅值決定。

2.2 電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模

本論文的研究方向是針對(duì)船舶的電力推進(jìn)系統(tǒng)。主要為同步電動(dòng)機(jī)在船舶推進(jìn)的相關(guān)特性。

1）同步電機(jī)模型

方程組（1）為同步電動(dòng)機(jī)在d-q坐標(biāo)系的控制方程。為簡(jiǎn)化計(jì)算和方便計(jì)算結(jié)果的表達(dá)，所有電氣量均采用統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)[2]。

方程式組（1）中各磁通量的意義如下：

定子和勵(lì)磁之間無(wú)氣隙磁通。

橫軸分量參數(shù)意義如下：

如下表達(dá)式組（2）[3]：

即磁通參量為：

即：

電磁轉(zhuǎn)矩方程式為：

負(fù)載機(jī)械方程式為:

根據(jù)表達(dá)式（1）和（2），系統(tǒng)表達(dá)式為：

根據(jù)系統(tǒng)表達(dá)式（7）和表達(dá)式（3），系統(tǒng)的表達(dá)式可為方程式（8）[4]：

推進(jìn)的動(dòng)力方程如下：

其中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Q為電磁轉(zhuǎn)矩，Q為摩擦轉(zhuǎn)矩，Q為推進(jìn)轉(zhuǎn)矩。

船舶速度主要由電動(dòng)機(jī)速度決定。本文中，船舶由兩個(gè)同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)定距槳運(yùn)動(dòng)，提供船舶動(dòng)力。此船舶推進(jìn)系統(tǒng)可分為若干個(gè)子系統(tǒng)。

2.3 仿真結(jié)果

我們采用Matlab/Simulink構(gòu)建模型并完成仿真運(yùn)算。其中仿真結(jié)果基于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為在∈[0,800 s]為15 m/s及∈[800 s,1500 s]為10 m/s。

圖4,5,6分別表示電機(jī)速度，船舶速度，螺旋槳功率。

從曲線中可以看出，船舶的速度曲線隨著電機(jī)的速度曲線變化而變化，而圖7中的船舶速度曲線相對(duì)于電機(jī)速度曲線來(lái)講，其趨于穩(wěn)定的速度沒(méi)有電機(jī)那么迅速。

圖8說(shuō)明推進(jìn)功率變化隨電機(jī)速度變化而變化，證實(shí)了推進(jìn)控制框圖的正確性和準(zhǔn)確性。

3 結(jié)論

本文模擬仿真了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，仿真結(jié)果的分析讓我們對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況有更深層次的理解和分析。仿真結(jié)果證明我們建模的準(zhǔn)確性，同時(shí)保證我們針對(duì)未來(lái)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)可以提出更新的控制和電站管理策略。

[1] M. Blanke, R.I. Zamanabadi. Reconfigurable control of a ship propulsion plant, control applications in marine systems. Fukuoka, Japan, 1998, (10):88-95.

[2] T. C. Gillmer, B. Jonson, Propulsive force and propulsion system. Naval Institue Press, Annapolis, Maryland , 1982 ,(50): 172-177.

[3] H. Dallagi. S. Nejim, Etude. Comparative et Modélisation de deux systèmes de propulsion de navire. Conférence Tunisienne de Génie Electrique, 2004, (33): 134-143.

Modeling and Simulation of Ship’s Electric Propulsion System

Chi Bo1，Weng Shuang2

(1.China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China； 2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, SDARI, Shanghai 201203，China)

TM728

A

1003-4862（2014）09-0076-03

2014-08-25

池波（1978-），男，工學(xué)碩士。研究方向：電氣工程。