基于RT-LAB的電力推進船舶半物理仿真研究

汪 敏，歐陽松，楊俊飛

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基于RT-LAB的電力推進船舶半物理仿真研究

汪 敏，歐陽松，楊俊飛

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

實驗室內電推船舶的研究常采用小比例模型的方式。考慮到場地和經費的因素，仿真技術也被應用于電推船舶的研究，但是數字仿真存在置信度不足的缺點。本文以實時仿真機RT-LAB為基礎，將受場地經費限制的設備以模型的形式在仿真機中運行，與實物一起搭建電推船半物理仿真平臺。既可以克服數字仿真置信度不足的缺點，同時也便于進行工況的修改。

電力推進船舶 半物理仿真 RT-LAB

0 引言

20世紀 80年代以來，電力電子技術的發展和調速變換器技術的進步，為電力推進船舶的發展奠定了基礎。20世界90年代以后，電力推進船舶在艦船領域開始得到迅速的發展。電力推進已經取得了廣泛的應用。

大功率用電設備的使用，使傳統意義上的以電站監控為主的船舶電力系統無法滿足需求。船舶綜合電力系統的概念由美國人在1994年提出，全船電力系統的各個環節均有統一的中央系統控制，便于系列化和模塊化，從統籌全船能量的角度真正意義上實現了電力和推進兩大系統的融合。電推船正在向著網絡化，信息化，智能化的方向發展[1]。

1 半物理仿真

考慮到經費和場地限制，仿真技術被應用到電力推進船舶的研究中來。采用建模與仿真的方法，結合試驗，對系統進行模擬。對修改設計，完善方案有很大幫助。尤其是一些設備因為價格昂貴，在控制機理不清楚的情況下，不宜貿然采用實物實驗。

盡管仿真技術有著諸多的優越性，但是傳統的數字仿真仍然存在不足。仿真是以相似理論為基礎，通過對真實和虛擬的事物進行分析并進行模型構造。所以仿真系統并不能完全模擬真實的事物本身，并非絕對可信。仿真系統有多大的可信度，結果是否可用，與仿真過程中的一系列實施步驟密切相關[2,3]。

為了克服傳統的數字仿真的不足，近年來，半物理仿真開始在研究和開發中大量采用，在很大程度上，克服了數字仿真置信度低，實時性差的缺點。

進行半物理仿真，需要配備專門的實時仿真機。目前市場上主流的實時仿真機有加拿大的RT-LAB、日本的A&D、德國的dSPACE以及我國自行研制的HILworks平臺。

2 RT-LAB實時仿真機

RT-LAB實時仿真機是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一款新型的基于模型的應用平臺，主要用作工程設計與測試。應用RT-LAB仿真機，工程師可以在一個平臺上實現工程項目的設計，既可以實現快速響應模型（RCP），又可以支持硬件在回路模式（HILS）。

用戶可以根據需要將系統的模型分割成若干個子系統，并分布到X86的目標機網絡中并行運算。另外，它還具備靈活的模塊化的設計能力。

3 半物理仿真平臺的構建

以RT-LAB為實時仿真機，搭建一個完整的小比例電推船舶電力系統平臺。完整的平臺包含的主要設備有：柴油機，調速器，同步發電機，配電板，能量管理系統，變壓器，變頻器，推進電機，模擬螺旋槳海況的負載電機，操控系統等。見圖1。

柴油機，調速器，同步發電機，配電板，變壓器設備昂貴，且占據空間較大，可以采取模型的形式，在仿真機RT-LAB中運行。

整個半物理仿真平臺分為三個部分：仿真機、負載及基礎控制。

1）仿真機，主要模擬柴油機，調速器，同步發電機，配電板，變壓器環節。以及部分控制算法的執行。

2）負載，由兩臺變頻器分別拖動兩臺異步電機，一臺作為推進電機，模擬螺旋槳。另一臺作為負載電機，模擬海況負載。兩臺電機以聯軸的形式對接。變頻器選用西門子SINAMIC S120 系列。

3）基礎控制，負責整個系統的控制， 此外還具有PMS功能。PLC選用西門子S7-300系列。上位機選用西門子WinCC軟件[4]。

更理想的架構還可以包括一個虛擬的左舷和實際存在的右舷，主模型及算法在主仿真機中運行，虛擬左舷在分布式仿真機中運行，實際右舷由兩臺對拖的變頻電機進行實物仿真。如果模型搭建合理，左右舷的仿真曲線應該吻合。如圖2。

圖1電推船舶電力系統平臺

圖2 半物理仿真平臺

4 系統數學模型

4.1柴油機與調速器完整模型

柴油機，調速器與執行器的完整模型可以由這三者的模型串聯后進行簡化。其中比較常用的一種簡化后的建模方法分別是采用二階環節進行組合建模，得出前向通路的傳遞函數為：

式中：為控制器放大系數。9為放大器時間常數。10為二階環節的時間常數。為發電機組延遲時間。11、12、13為柴油機及其執行器的時間常數。

4.2同步發電機模型

同步發電機的模型有穩態模型，瞬態模型以及次瞬態模型。

同步電機的穩態模型，可以用一個內部等效的電壓源，一個等效電阻和一個等效電抗來描述。如果將凸極電機的等效阻尼繞組考慮在內，該繞組等效阻尼時間常數較大，則可以得到同步電機的瞬態模型。在瞬態模型的基礎上，如果再將凸極電機時間常數較小的等值阻尼繞組的特性考慮在內，會得到同步電機的次瞬態模型。

不同精度要求的系統，采取不同形式的模型。當模型階次提高，仿真的精度也會提高，但是計算量會隨之而增加，進行仿真時整體時間會加長，系統運算速度會下降。

4.3勵磁系統模型

勵磁系統前向通路傳遞函數為：

其反饋單元為：

其中，k為主調節器放大倍數；t為主調節器的時間常數；t為超前補償時間常數；t為滯后補償的時間常數；k為反饋阻尼環節的放大系數；t為阻尼反饋環節的時間常數。

4.4螺旋槳數學模型

螺旋槳的數學模型需要將伴流系數、推力減額系數、阻力、螺旋槳推力系數、扭矩系數、進速比考慮在內。其中伴流系數、推力減額系數需要符合一個數值連續的分段函數，避免仿真中發生跳變。

動態時，進速比的范圍變化很大，為了克服這個困難，對進速比的值，需要用Chebyshev多項式擬合。從而得出螺旋槳的推力和轉矩。

船槳的數學模型，需要先按照實船的參數推算出螺旋槳的扭矩T，隨后將其進行折算，由折算結果得出半實物仿真系統中負載電機的輸出轉矩T。

計算在仿真機中是通過軟件實現的。輸入量為船速和螺旋槳的轉速，經過模型計算后，輸出量為負載電機的轉矩。船速可以由船槳數學模型求得，故船槳模型的輸入量僅有螺旋槳轉速。

螺旋槳的總模型如圖3[5]。

4.5電力系統模型

選用三臺發電機組成電站模型。RT-LAB中還應運行功率限制模型和脫扣檢測模型。

因為Matlab中無滑動變阻器，而使用電機模型做負載，在起動時對發電機模型沖擊過大，系統容易報錯。為實現模型中的可調負載，在仿真時，發電機的負載使用直流斬波的方式完成。

為保證功率限制在恢復時轉矩及功率不出現過沖，推出快速功率限制時，應該增加一個斜坡函數，對過沖進行抑制。

主推以外的負載，可以在RT-LAB中定義一個函數。該函數值與從PLC傳輸過來的推進電機實際功率相加，作為系統總負荷。

RT-LAB軟件中，模型被劃分為SM與SC兩部分。模型在SM中運行，操作和監控在SC中進行。SC與SM間由專用塊連接。

封裝完畢后的RT-LAB模型結構如圖4。

圖4 RT-LAB模型結構

5 半物理仿真驗證

5.1柴油機起動試驗

發電機空載啟動，運行穩定后，6 s時給發電機突加1.35 MW，功率因數為0.8的阻感負載。在14 s時再突加同樣的負載，通過自動調節，使電機穩定運行。試驗結果見圖5。從上至下依次為柴油機轉速、發電機端電壓、柴油機轉速變化率。

5.2功率限制時柴油機試驗

以大負載轉移的方式，模擬異常脫扣。發電機運行在60%負載下，突增60%負載。圖6中，從上至下依次為柴油機轉速、發電機端電壓以及柴油機轉速變化率。當大負載突增后，因功率限制投用，迅速將其降到額定負載的20%。柴油機轉速和發電機端電壓能夠保持穩定。柴油機轉速變化率出現較大跌落，但是迅速被糾回。

圖5 起動試驗機組波形

圖6 功率限制試驗機組波形

5.3功率限制恢復試驗

圖7，圖8分別為快速功率限制恢復時，有無斜坡時，推進變頻器功率的波形對比。由圖可見，沒有斜坡時，功率恢復會出現較大的過沖。增加斜坡后，過沖得到明顯的改善。

5.4快速功率限制試驗

圖9為快速功率限制時，推進變頻器的轉矩波形。當檢測到開關的異常脫扣后，變頻器在60 ms的時間內通過限制轉矩完成功率的限制。

圖8 有斜坡退出功率限制變頻器波形

圖9 快速功率限制變頻器波形

6 結束語

基于實時仿真機RT-ALB可以搭建半物理仿真平臺進行船舶電力系統的研究。其優勢在于兼有數字仿真的靈活性與物理仿真的實時性。以此為基礎，可以擴展為分布式仿真平臺，對電力推進船舶進行更深入的研究。

[1] 徐水法, 韓琦, 杜軍. 船舶能量管理系統PMS研究[J]. 中國航海, 2005, (3): 78-86.

[2] Parker D.S,Hodge C.G.Electrical Marines and Drives[C]. The Electrical Warship, Proceedings of the 8th International Symposium IEEE, 1997: 5-13.

[3] 羅成漢. 船舶電力推進模擬平臺的研究[D]. 武漢:武漢理工大學, 2013.

[4] 羅成漢, 陳輝. 船舶能量管理系統PMS對策[J]. 中國航海, 2007, (4): 87-91.

[5] 高海波. 船舶電力推進系統的建模與仿真[D]. 武漢: 武漢理工大學, 2008.

RT-LAB –based Semi-physical Simulation of an Electric Propulsion Ship

Wang Min, Ouyang Song, Yang Junfei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Small scaled model is often used in the research of electric propulsion ship. At the same time, simulation is also used in the research taking sites and funds into consideration. It has the defect because of the lack of confidence level in simulation. Based on the real-time simulation machine RT-LAB, the equipment which is restricted by sites and funds can be running in RT-LAB as models. Semi-simulation platform consists of RT-LAB and other substantial equipments. By this way, the confidence level can be improved and the working condition can be also modified freely.

electric propulsion ship; semi-physical simulation; RT-LAB

TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0077-04

2015-12-23

汪敏（1984-），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進系統設計與應用。