一種小型船舶電力推進系統的仿真研究

張軍賢， 俞萬能

(集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021)

一種小型船舶電力推進系統的仿真研究

張軍賢， 俞萬能

(集美大學 輪機工程學院， 福建 廈門 361021)

針對以往學者對船舶電力推進系統的研究側重于推進電機的性能優化和恒轉矩負載下靜態性能研究的現狀，該文結合實驗室現有的設備和數據，在永磁同步電機矢量控制技術發展的基礎上，利用Matlab 中的Simulink模塊庫搭建一套完整的永磁同步電機、螺旋槳和船體仿真模型，研究轉速給定輸入下電力推進系統從起動到穩定的工作過程。仿真結果證實了該系統具有良好的動靜態性能和抗擾性能，符合實際船舶電力推進系統的工況，為后續的研究工作奠定了基礎，具有實用價值。

電力推進 矢量控制 永磁同步電機 螺旋槳 Simulink

1 引言

近年來，船舶電力推進在大功率器件和電力電子控制技術的日益成熟下取得了飛速發展，有著許多傳統推進系統不可比擬的優勢，成為國內外各大高校和船舶制造行業研究的熱點[1～3]。而永磁同步電機除了具備較好的驅動性能和諸多優點外，還符合國家高效節能的政策，成為船舶電力推進電機的理想選擇。

目前針對永磁同步電機在船舶電力推進上的研究已較為普遍，并且由以往艦船上的吊艙式系統逐步趨向于小型船舶應用方面發展，而實際造出的電力推進船舶數量卻非常有限[4]。電力推進系統是一個由推進電機、螺旋槳和船體三部分組成的復雜系統，以往學者的研究偏重于推進電機的性能和控制優化方面，忽略了螺旋槳和船體兩部分的匹配，以及不同海況對電力推進系統的影響。對于推進電機的負載轉矩，也通常采用恒轉矩輸入予以模擬，從而對穩態系統下的靜態性能進行分析，造成與實際電力推進系統存在一定偏差，研究范圍狹隘，說服力不足，進而也就不能對電力推進系統進行全面貼切的仿真。

本文在前人研究的基礎上，針對電力推進控制系統的特點和船舶螺旋槳的負載特性，搭建完整的船機槳仿真模型，深入研究船舶在各種工況下的推進要求，模擬電力推進系統從起動到穩定的工作過程，分析電機在負載轉矩輸入下的跟隨特性和對船速的響應，研究系統的動靜態性能和對負載擾動的抗擾性能，進一步驗證模型建立的正確合理性。

2 船舶電力推進系統結構

圖1為船舶電力推進系統組成框圖，它是通過原動機帶動發電機，發電機供電給推進電機，再由推進電機直接驅動螺旋槳轉動，從而推動船舶前進的一種方式。現代船舶電力推進系統有利于實現船舶動力裝置的最優化配置和布局設計，具有機動性能好、推進效率高、節能環保、控制靈活、易于實現自動化、安全性與經濟性好等優點[3]。

船舶電力推進的變頻調速控制系統，主要由變頻器、推進電機和螺旋槳構成。電機的各項性能參數由檢測控制設備反饋給變頻器，然后通過對輸出電壓的頻率調節實現對永磁同步電機轉速的控制[5,6]。永磁同步電動機拖動螺旋槳旋轉，從而實現船舶的推進和航速的調整。

圖1 電力推進系統結構框圖

3 電力推進系統結構分析

船舶電力推進系統采用低速大轉矩伺服系統提供轉矩，其性能和功率直接影響船速和排水量，因而要求推進系統必須效率高，以節約能源，保證船舶較好的續航能力[7]。永磁同步電機在針對船舶電力推進系統這種負載轉矩變化和對空間要求都比較大的場合能夠更好滿足推進負載的要求，具有其他推進電機無法比擬的優越性能。由文獻[3]永磁同步電機的物理模型和參數計算公式建立如圖2所示的數學仿真模型。

3.2 推進電機PMSM矢量控制策略

矢量控制是在磁場定向坐標上，將電流矢量分解成為產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，并使其互相垂直，分別進行調節，最終通過控制定子電流改善電機的轉矩控制性能。這種控制方式能夠實現高精度、高動態性能、大范圍的調速或定位控制[8]。id=0的矢量控制方式最為簡單，適合基速以下的速度控制系統,是目前交流永磁同步電機控制中主要的控制方式。矢量控制用到的主要變換有以下兩個：

圖2 永磁同步電機數學模型

在id=0的控制方式下，永磁同步電機的轉矩公式為

由此可知，電磁轉矩輸出與定子電流成正比，控制時只要準確地檢測轉子的空間位置，控制逆變器使定子的合成電流位于q軸上，那么就能通過控制定子電流的幅值對永磁同步電機電磁轉矩實現很好地控制。圖2為永磁同步電機的矢量控制框圖，主要包括坐標變化模塊、電流PI控制模塊、SVPWM模塊、PWM波形生成模塊、速度PI控制模塊和PMSM電機模塊[9]。

圖3 永磁同步電機矢量控制框圖

3.3 船槳數學模型

通過分析螺旋槳與船體間的相互作用，并根據螺旋槳的工作特性可以得到圖3所示的船槳數學模型。輸入量是螺旋槳轉速和船進速，輸出量是補償修正后的螺旋槳負載轉矩和船速[10]。根據實驗室現有的某電力推進船數據，其船槳主要參數為：螺旋槳直徑D=0.9m,伴流系數ω=0.157，水體密度ρ=1 000kg/m3,推力減額系數t=0.145,阻力系數Kr=694.2，船舶排水量默認為92T，槳設計轉速為584r/min。

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4 電力推進系統仿真

4.1 船機槳模型的構建

綜合以上對永磁同步電機數學模型、船槳數學模型以及矢量控制技術的分析，建立圖4所示的仿真模型，其中永磁同步電機的參數如下：額定電壓380V；電機功率P=2kW；電子繞組Rs=2.875Ω；d相電感繞組Ld=8.5e-3；q相電感繞組=8.5e-3；轉動慣量J=0.8e-3kg·m2；轉子磁場磁通Ψf=0.175Wb；磁通密度B=0；磁極對數Pn=4；仿真時間100s。推進電機的給定轉速為600rad/s，其經過機械轉速轉變、單位轉換和傳動比轉換后與螺旋槳的設定轉速相對應。另外，由于模型庫中的永磁同步電機額定轉矩與實際數據計算出的螺旋槳負載轉矩存在較大量綱差，為了實現船機槳的同步仿真，二者通過一個比例縮小環節進行連接，同時在70s和90s時分別給推進電機加入一個正負擾動來模擬不同海況對系統的影響。圖5為永磁同步電機-螺旋槳推進系統仿真模型。

圖4 船槳數學模型

圖5 永磁同步電機-螺旋槳推進系統仿真模型

4.2 系統仿真波形分析

圖6 永磁同步電機轉速響應曲線

圖7 永磁同步電機輸出轉矩響應曲線

圖8 永磁同步電機三相電流響應曲線

圖9 螺旋槳進速比響應曲線

圖10 螺旋槳推力輸出曲線

根據上述的船機槳模型得出主要參數的仿真波形如圖6～圖13所示。

圖11 螺旋槳負載轉矩輸出曲線

該仿真過程可以分為起動、穩定和抗擾三個工作階段。

起動階段：電機轉速在0.02s即達到給定值并穩定下來，且超調較小，無偏差。由于船速初始狀態輸出為0，在慣性狀態下變化緩慢，所以經船速和槳轉速計算出的進速比較小，而螺旋槳推力和負載轉矩則隨著轉速的上升先達到最大值；同時推進電機為了跟隨負載的變化，轉矩和電流在穩定下來后也隨之達到最大。在此階段中，永磁電機起動速度和對負載的響應速度均較快，表現出良好的起動性能。

穩定階段：電機轉速不再變化，船速則在推力作用下逐漸上升，螺旋槳進速比和船舶阻力也隨著船速逐漸增加。由于螺旋槳推力和負載轉矩與進速比成反比，故二者呈現出一種緩慢下降的趨勢，同時永磁電機的輸出轉矩和電流幅值也做出相應變化。當螺旋槳推力和船舶阻力達到平衡后，船速穩定輸出，其它參數均進入穩定輸出狀態。該階段是個緩慢變化的過程，系統具有良好的穩態性能。

抗擾階段：在第70s和90s時，分別給推進電機外加一個正30%和負50%的擾動，從仿真波形圖可以看出，電機輸出轉矩和電流能夠迅速跟隨負載擾動的變化，克服擾動帶來的影響使系統穩定下來，而螺旋槳和船速的輸出幾乎不受影響。這表明當船舶遇到不同的海況時，系統對外部擾動具有很好的抑制作用。

在此仿真過程中，永磁同步電機、螺旋槳和船體存在緊密配合關系，三者之間相互影響。仿真中系統所表現的特性與實際船舶電力推進系統的工況相符。

5 結論

本文根據電力推進系統的船舶負載特性，在前人對永磁同步電機和螺旋槳負載研究的基礎上，采用矢量控制方式，建立了PMSM-螺旋槳船體仿真模型。仿真結果驗證了系統具有較好的機槳匹配性能、快速起動性能、抗干擾性能和較為理想的動靜態性能，符合實船上電力推進控制系統的工況性能。該機-槳模型的搭建也為進一步研究永磁同步電機的優化控制、機速與船速的數學關系、電機功率和系統節能、電機與螺旋槳的匹配及相互影響等課題建立了參考應用平臺，奠定了良好的基礎。

圖12 船舶阻力曲線

圖13 船速輸出響應曲線

[ 1 ] 王杰，劉桃生等．艦船推進系統中永磁同步電機的滑膜控制[J]．電氣傳動，2013，43(7):53-57.

[ 2 ] 鄧穗湘，沈雄．永磁同步電機在船舶電力推進中的應用和仿真[J]．航海技術，2005,4:43-45.

[ 3 ] 喻林．小型電力推進船舶PMSM控制系統的研究與設計[D]．大連：大連海事大學，2008.

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[ 5 ] Zhao Y T，Liu Y C，Ren J J． Study on direct torque control applied in the electrical propulsion ship[J]．Advanced Materials Research，2012，354-355．

[ 6 ] Huang H， Shen A D，Chu J X．Research on propeller dynamic load simulation system of electric propulsion ship[J]．COE，2013，27(2): 255-263.

[ 7 ] 史婷娜．低速大轉矩永磁同步電機及其控制系統[D]．天津：天津大學，2008.

[ 8 ] 管良勇，徐國卿，袁登科．永磁同步電機矢量控制系統設計與仿真[J]．機電一體化，2008,12：51-53.

[ 9 ] 郭繼寧，李新文．船舶電力推進永磁同步電機矢量控制系統仿真研究[J]．硅谷，2012，8：86-87．

[10] 李俊科．電力推進船舶螺旋槳模擬負載的研制[D]．廈門：集美大學，2012．

Simulation Research on Electric Propulsion System of a Small Ship

ZHANG Jun-xian， YU Wan-neng

( Marine Engineering Institute， Jimei University， Xiamen Fujian 361021， China)

Aim at the status quo that most past studies for ship electric propulsion system has focus on optimizing the performance of propulsion motor and researching the static performance under constant torque load, in order to study the working process of electric propulsion system from start to steady within the given speed input, this article combines with the existing equipments and data in the laboratory, on the basis of technology development of vector control for permanent magnet synchronous motor, and utilizes the Simulink module library in Matlab to build a complete set of simulation models, which include permanent magnet synchronous motor, propeller and ship hull. The simulation results prove that the system has good static and dynamic performance, as well as anti-disturbance, and conforms to actual conditions of marine electric propulsion system. The research lays a foundation for sequential studies and has the practical value.

Electric propulsion Vector control PMSM Propeller Simulink

福建省科技重點項目(2012D035，2013H34)；廈門市科技項目(3502Z20123023)。

張軍賢(1989-)，男，碩士研究生。

U665

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