船舶直流電網建模與仿真

單曉宇 黃建忠 呂若辰

摘 要：本文介紹了船舶直流電站系統的組成，并對原動機、發電機、整流部分進行了原理分析、建模和仿真，驗證了系統在加卸負載時的穩定性。

關鍵詞：船舶；直流電站；SIMULINK仿真

0 引言

隨著船舶工業的進步和電力電子技術的發展，船舶電力推進技術已有一百多年歷史。最近因為可控整流技術的發展，讓船舶直流電網越來越熱門。直流電網相比過去的交流電網有著燃油效率更高，所需空間小，維護成本低等優勢。

1 船舶直流電站系統組成

相比由原動機、同步發電機、輸配電線路和交流負載組成的傳統船舶交流電站系統，直流電站系統在發電機輸出端對輸出的交流電壓進行整流升壓后并入高壓直流電網。同時在電網負載側，每個驅動電機連接獨立的逆變電路。船舶直流電網系統的組成如圖1所示。

1.1 柴油機及其速度控制系統

發電機組的轉速由柴油機轉速控制系統確定，可以通過改變燃油噴射量來調節柴油機的轉速。對于作為原動機的柴油機，其轉速的穩定直接影響了整體的穩定性，因此對其轉速穩定有嚴格的要求。

轉速反饋單元的輸入量是柴油機的當前實際轉速，經過轉速傳感器后輸出一個轉速信號，這個脈沖電壓信號的頻率與柴油機當前的轉速成正比。我們定義轉速反饋單元的增益為K1。轉速控制單元是整個電子調速器的控制核心，調速系統的調速性能主要受它影響。在實際使用的調速器中，轉速控制部分都設置一個限幅模塊，來避免當柴油機在達到最大供油量時供油齒桿繼續動作增加供油。在一般的PID控制過程中，當輸出信號達到極限飽和時，誤差隨時間會被繼續積分，從而導致輸出信號更加飽和，使得系統的控制性能達不到要求。所以信號未達到飽和時，和飽和后對應的傳遞函數分別為

執行機構是整個調速系統的動作調節單元，能把油門位置的電壓信號轉換成油泵刻度齒條的實際位置，從而將控制的過程轉化為對實際的噴油量的調節，來達到調節柴油機的轉速的目的。由于其轉換過程較為復雜，為了便于分析建模，我們對其進行簡化，用比例環節和慣性環節來進行表達，其公式為

1.2 勵磁控制系統

勵磁控制系統供給并控制同步發電機的磁場電流，使得當發電機輸出在容量之內連續變化時，能維持端電壓。此外，勵磁控制系統必須能夠通過與發電機瞬間和短期容量一致的強勵來響應暫態擾動。一個典型的相復勵交流無刷勵磁控制系統由相復勵裝置，交流勵磁機和自動電壓控制裝置（AVR）組成。

勵磁控制系統模型中4個輸入量Vref，Vd，Vq，Vstab對應發電機設定電壓，發電機d，q軸電壓和發電機接地零電壓，輸出Uf為勵磁電壓。Vd與Vq通過d-q軸電壓與功率投影計算后經過低通濾波器的作用生成相復勵的電壓信號。這個電壓信號，一部分被送入到主控制回路進行處理后送到比例飽和環節，一部分直接送到比例飽和環節，經過選擇后輸出到勵磁機。

2 系統仿真與結果

發電機輸出端經過三相可控全橋整流，和直流升壓電路在直流母線輸出穩定直流電壓。直流電網仿真模型如圖2所示。

2.1 原動機啟動特性實驗

對原動機進行空載啟動，給定信號，得到原動機速度跟隨變化曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，柴油機可以較好地跟隨速度給定信號，并實現穩定。

2.2 加卸負載仿真實驗

當空載達到額定，并穩定運行時，在第5秒，突加負載。得到柴油機轉速波形，勵磁電壓波形和直流母線電壓，如圖4所示。

仿真結果顯示在第5秒突加負載時，母線電壓，柴油機轉速突然降低后又回歸并保持穩定。母線電壓穩定后，突卸負載，可以看到母線電壓升高后迅速下降并穩定。實現了直流母線電壓恒定的控制要求。

3 總結

本文對船舶直流電網進行了仿真，建立了控制系統模型，并驗證了在典型工況下直流母線電壓的穩定性。

參考文獻

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[4]吳賽賽.船舶電站系統建模與仿真[D].哈爾濱工程大學，2013.

（作者單位：上海海事大學）