一種無變頻器式艦船交流電力推進系統控制策略研究

冀 欣，莊亞平，馬守軍，壽海明

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一種無變頻器式艦船交流電力推進系統控制策略研究

冀 欣，莊亞平，馬守軍，壽海明

（海軍裝備研究院，北京100161）

為提高交流電力推進系統功率密度、降低成本，提出一種基于永磁推進電機的無變頻器式交流電力推進系統。該系統取消了大功率變頻器和減速齒輪箱，原動機與電勵磁發電機直連，發電機與推進電機直連。通過控制原動機轉速和發電機勵磁電流實現對推進電機轉速和系統運行狀態的調節。建立了該電力推進系統的靜態數學模型，提出了系統靜態穩定性約束條件，推導了系統主要電氣量與發電機勵磁電流及負載轉矩間的函數關系。為提高系統穩定裕度、提高推進效率及電機容量利用率，分別提出采用δ1+δ2= π/4、Isd2=0和cosθ=1三種控制策略，針對各控制策略和不同的電機參數匹配條件，推導了系統主要電氣量與負載轉矩間的函數關系。針對系統靜態穩定性及各控制策略下系統運行特性開展了數字仿真研究，仿真結果驗證了理論分析結果的準確性。

交流電力推進 永磁推進電機 無變頻器 數學模型 靜態穩定性 控制策略

0 引言

船舶交流綜合電力推進系統因其總體布置靈活、功率密度高，并可實現能量的綜合利用，已成為未來船舶動力系統的發展方向[1-5]。但是，在當前技術水平下，由于采用變頻調速方式，其單機功率受限，系統尺寸、重量仍然較大，造價較高。為進一步提高功率密度、降低成本，本文在交流電力推進原理的基礎上，應用永磁同步電機等新技術，擴展提出一種基于永磁同步電機的無變頻器式交流電力推進系統。如圖1所示，該系統采用電勵磁同步發電機和永磁同步推進電機，原動機主軸與發電機轉子直連，發電機與永磁推進電機通過電纜直連，利用兩臺電機磁極組成的“電氣齒輪”取代減速齒輪箱，并取消大功率變頻調速器，在實現全電力推進的同時，規避了大功率變頻器這個瓶頸，為船舶電力推進技術研究提供了一種新的思路。

在交流綜合電力推進系統中，發電機與推進電機通過變頻器相連，兩臺電機間為解耦關系，可針對兩臺電機進行獨立分析[7-11]。在該類系統中，發電機的轉速和輸出電壓恒定，主要通過控制電力電子器件的通斷狀態調節變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位，進而實現對推進電機轉速及系統運行狀態的調節。交流同步電機的變頻調速控制策略主要可以分為磁場定向控制和直接轉矩控制兩種。其中，磁場定向控制主要是通過坐標變換，將交流同步電機在按磁鏈定向的同步旋轉坐標系上等效為直流電機，從而模仿直流電機進行解耦控制；直接轉矩控制則是在靜止坐標系上對電機轉矩和磁鏈進行控制，并采用bang-bang控制以獲得快速的轉矩響應。目前，相關研究成果較為成熟，已廣泛應用于電氣傳動領域[12-20]。

在本電力推進系統中，發電機與永磁推進電機直接相連，兩臺電機具有相同的端電壓、定子電流、功率因數和氣隙磁鏈，其電路、磁路系統強耦合，兩臺電機的運行參數相互影響。此外，系統中可控變量較少，僅發電機轉速和勵磁電流兩個變量可供調節，目前針對該類電力推進系統的控制策略問題，國內外尚無相關研究成果可供參考。因此，有必要從建立該系統數學模型入手，推導主要電氣量間的函數關系，并針對不同控制策略下系統的運行特性開展研究，為后續電機參數匹配的選擇與優化提供技術支持和理論支撐。

1 系統靜態數學模型

為簡化分析過程，本文假設本電力推進系統中電勵磁同步發電機采取隱極設計、永磁同步電機采取表貼式磁極結構，忽略電機的定子繞組電阻，基于標幺值系統建立基于永磁同步推進電機的無變頻器式電力推進系統的靜態數學模型。本電力推進系統的時-空矢量圖如圖2所示。

（1）

圖中，1、1軸分別為發電機直軸、交軸；2、2軸分別為推進電機直軸、交軸；1、2分別為發電機、永磁電機定子繞組磁鏈；ψ20為永磁電機激磁磁鏈；為電機端電壓；為電機定子電流；10、20分別為發電機、推進電機的內電勢；1為發電機勵磁電流；1、2分別為發電機、推進電機功率角；、分別為系統功率因數角、推進電機內功率因數角；X1、X2分別為發電機、推進電機的同步電抗。

在此基礎上，忽略各類損耗，可推導出系統主要電氣量與發電機勵磁電流和電磁轉矩間的函數關系，詳見式（1）。式中，U/為發電機輸出端壓頻比，1+2為系統功率角，T為電磁轉矩，L1、L2分別為發電機、推進電機的同步電感系數，為L1與L2之比即=L1/L2。

在本電力推進系統中，推進電機用于驅動螺旋槳負載。若忽略系統中的各類損耗，在穩態條件下，推進電機轉速與負載轉矩間的對應關系具有唯一性。此外，由式（1）可知，在各電氣量函數關系中，推進電機轉速是以電磁轉矩的形式存在的。因此，為簡化分析過程，本文將負載轉矩T與轉速間的函數直接表述為T=T=()，而不計及螺旋槳負載的-轉矩特性。

2 系統靜態穩定性

對于采用變頻調速方式的交流電力推進系統，當發電機和推進電機的功率角均小于π/2時即可保證系統的靜態穩定性。此外，由于變頻器輸出電壓的幅值和相位可快速跟蹤推進電機轉子位置角，系統基本不存在靜態穩定性問題。對于本電力推進系統，發電機與推進電機直連，考慮到電機轉子軸系的機械慣性，發電機輸出電壓無法快速調節，當系統遭受擾動時，有可能造成電機失步。因此，有必要針對本電力推進系統的靜態穩定性進行分析。

對于本電力推進系統，功角穩定性是系統靜態穩定性的主要內容。在本電力推進系統中，發電機和推進電機的電磁功率P可表述為：

忽略系統及元件的動態過程，將10和20視為常數，考慮到發電機不允許長期運行于逆功狀態，根據/判據，當且僅當/>0即0<1+2I1)min為(0)·(L1+L2)/ψ20。該約束條件與采用變頻調速方式的交流電力推進系統的靜態穩定性條件區別明顯。

3 系統控制策略研究

系統穩態性能主要包括系統靜態穩定裕度、系統推進效率和發電機容量利用率等方面內容。為提高系統系統穩態性能，本文有針對性地提出下列三類控制策略：

1）1+2=/4控制。為防止系統在遭受擾動后出現逆功或失步等嚴重事故，應當保證系統具有足夠的靜態穩定裕度。據此，本文提出1+2=/4控制，該策略以系統功率角恒為/4為控制目標。

2）I2=0控制。為減小定子電流，降低銅耗，提高推進效率，可采用I2=0控制，該策略以推進電機定子電流直軸分量為零為控制目標。

3）cos=1控制。為充分利用電機容量并使其與最大推進功率匹配，可采用cos=1控制，該策略以系統功率因數恒為1為控制目標。

本文主要基于時-空矢量圖對不同控制策略下系統主要電氣量隨負載轉矩的變化規律進行研究。由于發電機及推進電機內電勢的幅值均與轉速成正比，為分析方便，本文將矢量圖中電壓類矢量的幅值均乘以1/，處理后的電壓類矢量均用上標“′”標注。經此處理后，發電機內電勢10和端電壓U'的幅值分別為I1和U/，推進電機內電勢20的幅值恒為ψ20，各電氣矢量間的相對位置關系未發生改變。

本電力推進系統的控制變量為I1和()，而在給定控制策略下，由于I1與()之間存在確定的函數關系，故僅存在()一個獨立的控制變量。

4 算例與仿真分析

4.1 仿真模型

本文基于Matlab軟件搭建了本電力推進系統的全系統數字仿真模型。發電機和推進電機仿真參數設置見表1；共設10檔轉速工況，各工況下推進電機()-負載特性見表2。

4.2 仿真內容

1）在各檔轉速工況下，調節發電機勵磁電流，分別保證1+2=/4、I2=0和cos=1，記錄系統主要電氣量穩態仿真結果。

2）在各檔轉速工況下，當系統功率角穩態值接近/2時，逐漸降低發電機勵磁電流并盡量減小其調整幅度，記錄失穩前系統功率角和發電機勵磁電流的穩態臨界值。

3）計算各控制策略及轉速工況下主要電氣量的穩態值，計算發電機勵磁電流的臨界值，并與仿真結果進行對比。

5 仿真分析

在不同控制策略下，發電機勵磁電流、壓頻比、定子電流、系統功率因數及功率角隨負載轉矩變化的理論曲線與仿真結果對比分別如圖3(a)~(e)所示，圖中，策略1表示δ+δ=π/4控制，策略2表示I=0控制，策略3表示cosθ=1控制。在三種控制策略下，各轉速工況下主要電氣量的理論值與仿真值對比見表3~表5；各轉速工況下發電機勵磁電流臨界值的理論值與仿真值對比見表6。對仿真結果與理論計算結果對比分析如下：

1）在各轉速工況及控制策略下，系統主要電氣量的仿真結果與理論值較為吻合，二者偏差較小。其中，發電機勵磁電流的平均相對誤差為3.04%，壓頻比的平均相對誤差為0.31%，系統功率因數的平均相對誤差為2.71%，定子電流的平均相對誤差為0.49%，系統功率角的平均相對誤差為0.18%。2）在各轉速工況下，系統失穩處功率角臨界值均略小于π/2。在仿真時，當系統功率角接近π/2時，已盡量減小了發電機勵磁電流的調整幅度，雖然此時系統功率角仍滿足靜態穩定性條件，但由于系統穩定裕度極小，即使較小的勵磁電流調整幅度也會對系統造成較大的沖擊，故二者存在偏差。3）各電氣量仿真結果與理論值的偏差隨著推進電機轉速的升高而減小。本文在建立系統數學模型時進行了簡化處理，忽略了電機定子繞組電阻。與定子繞組電阻相比較，低轉速工況下電機同步電抗相對較小，故該簡化引起的誤差相對較大；高轉速工況下電機同步電抗相對較大，該簡化引起的誤差相對較小。

6 結論

1）建立了基于永磁推進電機的無變頻器式交流電力推進系統靜態數學模型，推導了系統主要電氣量與發電機勵磁電流及推進電機負載轉矩間的函數關系，提出了系統功角靜態穩定性判據。

經分析，當且僅當發電機與推進電機的功角之和小于π/2即發電機勵磁電流大于()·(L1+L2)/ψ20時，系統功角是靜態穩定的。

2）為提高系統靜態穩定裕度、推進效率和發電機容量利用率，分別提出采用δ+δ=π/4、=0和cos=1三種控制策略，對各控制策略下If1-T(ω)控制曲線及系統主要電氣量隨T(ω)的變化規律進行了理論分析。

3）開展了基于永磁推進電機的無變頻器式交流電力推進系統的數字仿真研究。對系統靜態穩定性以及不同控制策略下主要電氣量隨()的變化規律進行了仿真分析。仿真結果驗證了所提出控制策略的可行性和理論分析結果的準確性，證明了所提出的靜態穩定性判據的準確性。

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Research on Control Strategy of an AC Electric Propulsion System with No Converters

Ji Xin, Zhuang Yaping, Ma Shoujun, Shou Haiming

（Naval Armament Academy, Beijing 100161, China）

U665.13

A

1003-4862（2016）11-00013-06

2016-06-15

冀欣 (1982-)，男，工程師。研究方向：電力推進。