雙饋船舶混合軸帶系統(tǒng)變速恒頻裝置研究

趙統(tǒng)，向大為

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 201804）

0 引言

隨著溫室效應(yīng)的加劇和化石燃料的日益減少，世界各國對(duì)節(jié)能減排工作更加重視，節(jié)能減排的問題已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的突出矛盾，對(duì)于經(jīng)濟(jì)正處于高速發(fā)展的發(fā)展中國家，尤其是中國，節(jié)能減排是緩解環(huán)境問題和能源危機(jī)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的束縛、增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力的重要方法。

船舶是全世界大部分的貨物運(yùn)輸?shù)墓ぞ撸斑\(yùn)輸業(yè)是化石燃料消耗和排放的主要行業(yè)，其營(yíng)運(yùn)費(fèi)用中燃料費(fèi)用一般占運(yùn)費(fèi)的50%以上[1]。因此，船舶的軸帶系統(tǒng)成為研究熱點(diǎn)，它可有效的降低船舶的能源消耗，并提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的可靠性。船舶軸帶系統(tǒng)通過與主軸相連的軸帶電機(jī)利用主機(jī)10%～15%的功率儲(chǔ)備裕量發(fā)電，使主機(jī)運(yùn)行在高能效的最佳狀態(tài)，節(jié)約了船載柴油發(fā)電機(jī)的輕質(zhì)柴油消耗，它是節(jié)約燃料的有效途徑之一[2-6]。

軸帶系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代開始裝船，被廣泛應(yīng)用在燃油消耗量較大的大、中型集裝箱船以及礦砂船、液貨船等遠(yuǎn)洋和工程船舶上。但是傳統(tǒng)軸帶系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差，隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速變化，其電能質(zhì)量很不穩(wěn)定，無法長(zhǎng)時(shí)間與船載柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，使其節(jié)能減排效果受限。隨著現(xiàn)代電力電子與電力傳動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，采用電力電子器件的變速恒頻裝置可以實(shí)現(xiàn)恒頻恒壓發(fā)電，采用矢量控制也可使有功、無功功率解耦控制、靈活調(diào)節(jié)，使軸帶系統(tǒng)發(fā)揮最大的效能。因此，變速恒頻裝置受到了廣泛的關(guān)注。

本文將采用矢量控制（定子電壓定向）的雙饋混合軸帶系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)作為研究重點(diǎn)。在第1部分對(duì)矢量控制（定子電壓定向）的原理進(jìn)行分析；第2部分，利用Matlab/Simulink搭建雙饋混合軸帶系統(tǒng)的模型，驗(yàn)證控制算法和系統(tǒng)參數(shù)[7-9]；第3部分，利用仿真參數(shù)搭建雙饋混合軸帶系統(tǒng)變速恒頻裝置，記錄系統(tǒng)在不同工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第4部分，分析仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

1 基于定子電壓定向的矢量控制策略

如圖1所示，在雙饋混合軸帶系統(tǒng)中，通常采用定子電壓定向的矢量控制[10-16]，將d軸與電網(wǎng)電壓矢量對(duì)齊，因此在d軸和q軸的定子電壓為：

式中， fs是發(fā)電機(jī)的定子頻率（也就是電網(wǎng)電壓頻率）。定子電壓矢量角 θs是相對(duì)于定子坐標(biāo)系的角度。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角速度為，轉(zhuǎn)子位置角 θr是轉(zhuǎn)子位置相對(duì)定子坐標(biāo)系的角度。定子電壓矢量和轉(zhuǎn)子電壓矢量之間的角度差為轉(zhuǎn)差角，定義為：

圖1 定子電壓定向控制的雙饋電機(jī)空間矢量圖Fig.1 Stator voltage oriented doubly-fed motor space vector

因?yàn)殡p饋軸帶電機(jī)運(yùn)行在單位功率因數(shù)下，定子電流矢量和→對(duì)齊，但是方向相反（雙饋軸帶電機(jī)此時(shí)工作在發(fā)電模式）。轉(zhuǎn)子電壓矢量和電流矢量通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器進(jìn)行控制。轉(zhuǎn)子電壓矢量和電流矢量可沿著dq軸分解為兩個(gè)分量，即分解為υdr和 υqr，分解為 idr和 iqr，這些dq軸分量可通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器獨(dú)立進(jìn)行控制。

雙饋混合軸帶系統(tǒng)可通過電磁轉(zhuǎn)矩控制來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制或有功功率控制。和其他軸帶系統(tǒng)相比，可以通過轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制雙饋電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 Te、定子有功功率和無功功率 Qs。

雙饋軸帶電機(jī)的dq軸轉(zhuǎn)子電流與定子有功功率 Ps和無功功率的關(guān)系可表示為式4：

上式表明，在給定定子電壓后，定子有功功率和無功功率可通過dq軸轉(zhuǎn)子電流來控制。

2 仿真研究

為了驗(yàn)證控制策略和主回路結(jié)構(gòu)及參數(shù)的有效性，采用Matlab/Simulink搭建雙饋混合軸帶系統(tǒng)模型，并分析電機(jī)運(yùn)行在軸帶發(fā)電和并車推進(jìn)工況下的運(yùn)行狀態(tài)。

2.1 雙饋混合軸帶系統(tǒng)仿真

為驗(yàn)證本文理論分析和系統(tǒng)建模的準(zhǔn)確性，利用Matlab/Simulink搭建雙饋混合軸帶系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真采用30 kW的雙饋軸帶電機(jī)，其參數(shù)如表1所示，仿真系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

圖2 雙饋混合軸帶系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation structure of doubly-fed shaft system

表1 雙饋電機(jī)仿真模型參數(shù)Table1 Parameters of simulation model for doubly-fed motor

表2 雙饋混合軸帶系統(tǒng)仿真模型參數(shù)Table2 Parameters of simulation model for Doubly-fed shaft system

通過設(shè)置不同的雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)速指令和有功、無功功率指令，使雙饋混合軸帶系統(tǒng)工作在的不同的工況下，記錄并分析仿真結(jié)果。

2.2 雙饋混合軸帶系統(tǒng)仿真分析

系統(tǒng)仿真工況分為兩部分，一是并網(wǎng)后改變雙饋軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速，觀察電機(jī)輸出（有功、無功功率和定子電壓、電流等）的變化；二是在固定轉(zhuǎn)速，進(jìn)行突然改變有功、無功功率的實(shí)驗(yàn)，觀察電機(jī)輸出的變化。以下仿真均忽略電機(jī)啟動(dòng)過程中各量的暫態(tài)過程，只考慮電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各量在不同工況下的變化。

2.2.1 變速恒頻運(yùn)行工況仿真

仿真給定電網(wǎng)電壓400 V，電網(wǎng)頻率50 Hz，電機(jī)處于空載運(yùn)行狀態(tài)。電機(jī)初始轉(zhuǎn)速為1200 r/min（次同步），在1.2 s時(shí)，將轉(zhuǎn)速給定調(diào)為1800 r/min（超同步）電壓電流波形如下：

圖3 轉(zhuǎn)速變化時(shí)電機(jī)波形Fig.3 Waveforms of speed changing

由圖3可知，電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，定子電流幅值幾乎為0 A。1.2 s時(shí)，電機(jī)加速，定子電流出現(xiàn)小幅波動(dòng)，在1.22 s時(shí)，定子電流幅值又恢復(fù)為0 A。在電機(jī)加速過程中，定子電壓的幅值、頻率和相位始終穩(wěn)定；由于1200 r/min和1800 r/min電機(jī)轉(zhuǎn)差率絕對(duì)值相等，符號(hào)相反，所以加速后的轉(zhuǎn)子電流幅值不變，相位反相，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在變速過程中恒壓恒頻發(fā)電。

2.2.2 負(fù)載突變工況仿真

設(shè)定仿真模型電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為1800 r/min，在1.4 s時(shí)，給定電機(jī)18 kW有功功率指令；在1.6 s時(shí)，給定電機(jī)6 kVar無功功率指令。觀察電機(jī)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)子電流變化情況。

圖4 加載有功功率時(shí)電機(jī)波形Fig.4 Waveforms of loading active power

圖5 加載無功功率時(shí)電機(jī)波形Fig.5 Waveforms of loading reactive power

如圖4所示，在1.4 s時(shí)，給定電機(jī)18 kW的有功功率指令，加載過程中，定子電壓相位、頻率和幅值無明顯波動(dòng)；轉(zhuǎn)子電流頻率不變，幅值增大，相位延后，最終保持穩(wěn)定。

如圖5所示，在1.6 s時(shí)，給定電機(jī)6 kVar無功功率指令，加載過程中，定子電壓相位、頻率和幅值無明顯波動(dòng)；轉(zhuǎn)子電流頻率不變，幅值增大，相位超前，最終保持穩(wěn)定。

綜上，實(shí)現(xiàn)了在電機(jī)負(fù)載（有功、無功功率）突變時(shí)，電機(jī)實(shí)現(xiàn)恒壓恒頻發(fā)電。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

3.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙饋混合軸帶系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖6所示，主電路部分由雙饋軸帶電機(jī)、變速恒頻裝置、并網(wǎng)接觸器、原動(dòng)機(jī)（感應(yīng)電機(jī)）、變頻器和EMI濾波器組成，各個(gè)主要設(shè)備的參數(shù)如表3所示。

圖6 雙饋混合軸帶系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of doubly-fed shaft system

表3 雙饋混合軸帶實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要參數(shù)Table3 Parameters of the Doubly-fed shaft test system

3.1.2 硬件設(shè)計(jì)

變速恒頻裝置主要由機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、控制板（DSP28335）、采樣板、并網(wǎng)接觸器和AC電抗器組成。采樣板采集電壓、電流信號(hào)后送到控制板，控制板經(jīng)過計(jì)算后，輸出控制信號(hào)，從而控制雙饋混合軸帶系統(tǒng)的運(yùn)行。

網(wǎng)側(cè)變流器采用有源前端（AFE），可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，規(guī)格為400 V/15 kW，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制和直流母線電壓控制。

機(jī)側(cè)變流器主板PCB的設(shè)計(jì)如圖7所示，它集成了IGBT模塊、光電隔離接口電路、IGBT驅(qū)動(dòng)板直流電容和預(yù)充電回路等結(jié)構(gòu)。接口電路將控制板輸出的控制信號(hào)轉(zhuǎn)化成IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)（光電隔離），然后通過驅(qū)動(dòng)板驅(qū)動(dòng)IGBT將交流電逆變成所需的三相交流電壓。變速恒頻裝置如圖8所示，雙饋混合軸帶系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖9所示。

AC電抗器用來改善網(wǎng)側(cè)電流波形，額定電壓400 V，額定電流35 A，電感值為4.18 mH。

圖7 機(jī)側(cè)變流器主板PCB設(shè)計(jì)Fig.7 PCB design of the motherboard for the rotor side converter

圖8 變速恒頻裝置Fig.8 Variable-speed constant-frequency equipment

圖9 雙饋軸帶系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Doubly-fed shaft test system

3.1.3 軟件設(shè)計(jì)

控制器選用TI公司的DSP28335，在CCS6.0環(huán)境里實(shí)現(xiàn)C語言編程，程序主要分為主程序、定時(shí)中斷程序（PWM波控制、ADC采樣和光電碼盤采樣等）兩部分。主程序流程圖如圖10所示，其主體為無限循環(huán)檢測(cè)，不斷檢測(cè)變流器各部分工作狀態(tài)，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)流程的執(zhí)行和故障保護(hù)（過壓、過流）的功能。

圖10 主程序流程圖Fig.10 Flow diagram of the main program

定時(shí)中斷程序在主程序無限循環(huán)檢測(cè)里，該程序主要完成電壓電流采樣和AD轉(zhuǎn)換、電機(jī)光碼測(cè)速、控制機(jī)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓跟蹤并網(wǎng)以及變速恒頻發(fā)電下的有功、無功功率解耦控制的功能，實(shí)現(xiàn)定子電壓定向矢量控制。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證雙饋混合軸帶系統(tǒng)變速恒頻裝置的控制和硬件的有效性，進(jìn)行空載并網(wǎng)（830 r/min）、軸帶發(fā)電（800 r/min、880 r/min）和并車推進(jìn)工況（880 r/min、1150 r/min）下的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析如下所述。

3.2.1 空載并網(wǎng)

首先，斷開雙饋軸帶電機(jī)定子側(cè)與電網(wǎng)之間的并網(wǎng)接觸器，控制電機(jī)運(yùn)行在830r/min；然后通過機(jī)側(cè)變流器勵(lì)磁，使電機(jī)定子側(cè)電壓幅值、相位和頻率與電網(wǎng)電壓完全一致；最后，閉合并網(wǎng)接觸器，完成并網(wǎng)。

圖11 空載并網(wǎng)波形Fig.11 Waveforms of motor hooked up to the grid without load

并網(wǎng)過程中電機(jī)定子電壓、電流和轉(zhuǎn)子電流波形如圖11所示，并網(wǎng)過程中，定子電壓幅值、相位和頻率保持穩(wěn)定，并網(wǎng)后定子電壓更加平滑；轉(zhuǎn)子電流受到?jīng)_擊，在一個(gè)周波內(nèi)又恢復(fù)穩(wěn)定；定子電流有小幅振蕩，但很快恢復(fù)了穩(wěn)定。綜上，并網(wǎng)沖擊不大，并網(wǎng)完成。

3.2.2 軸帶發(fā)電

雙饋軸帶電機(jī)與電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)后，進(jìn)行軸帶發(fā)電實(shí)驗(yàn)。在轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，給出P= 0 Kw、Q=1.6 kVar功率的指令，波形如圖12；在轉(zhuǎn)速為880 r/min時(shí)，給出P= 4.3 kW、Q=0 kVar的功率指令，波形如圖13。

圖12 轉(zhuǎn)速800 r/min時(shí)，P=0 kW,Q= 1.6 kVarFig.12 Speed at 800 r/min, P= 0 kW, Q=1.6 kVar

圖13 轉(zhuǎn)速880 r/min時(shí)，P= 4.3 kW,Q= 0 kVarFig.13 Speed at 880 r/min, P= 4.3 kW, Q=0 kVar

圖12、13對(duì)比可知，電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同功率指令工況下，定子電壓頻率、幅值和相位均沒有明顯變化，定子電流的相位和幅值受有功、無功功率的影響；轉(zhuǎn)速變化時(shí)，轉(zhuǎn)子電流的頻率隨隨轉(zhuǎn)差頻率同步變化，以確保定子電壓頻率始終為50 Hz。綜上，在雙饋軸帶電機(jī)轉(zhuǎn)速改變過程中，雙饋混合軸帶系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了恒頻恒壓發(fā)電。

3.2.3 并車推進(jìn)

完成軸帶發(fā)電實(shí)驗(yàn)后，進(jìn)行并車推進(jìn)實(shí)驗(yàn)。電機(jī)次同步運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為880 r/min，給出P=-4.3 kW、Q= 0 kVar的功率指令，波形如圖14。電機(jī)超同步運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1150 r/min，給出P=-5.7 kW、Q= 0 kVar的功率指令，波形如圖15。

圖14 轉(zhuǎn)速880 r/min時(shí),P= -4.3 kW,Q= 0 kVarFig.14 Speed at 880 r/min, P= -4.3 kW, Q=0 kVar

圖15 轉(zhuǎn)速1150 r/min時(shí),P= -5.7 kW, Q= 0 kVarFig.15 Speed at 1150 r/min, P= -5.7 kW, Q=0 kVar

由圖14、15可知，電機(jī)并車推進(jìn)工況運(yùn)行穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)定子電壓頻率、幅值和相位均無明顯變化。電流轉(zhuǎn)子電流頻率隨轉(zhuǎn)差頻率同步變化，以確保定子電壓頻率始終為50 Hz。雙饋混合軸帶系統(tǒng)的并車推進(jìn)實(shí)驗(yàn)完成。

4 結(jié)論

為研發(fā)雙饋混合軸帶系統(tǒng)變速恒頻裝置，本文首先利用Matlab/Simulink搭建了一個(gè)30 kW雙饋混合軸帶系統(tǒng)模型，驗(yàn)證了算法和主回路參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性；然后根據(jù)仿真參數(shù)搭建了一套7.5 kW雙饋混合軸帶系統(tǒng)變速恒頻裝置；最后通過軸帶發(fā)電（有功、無功功率）和并車推進(jìn)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了變速恒頻裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

1） 雙饋混合軸帶系統(tǒng)矢量控制（定子電壓定向）效果好，并網(wǎng)沖擊小，可以完成與船載電網(wǎng)（柴油發(fā)電機(jī)）并網(wǎng)；

2） 雙饋混合軸帶系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軸帶發(fā)電（有功、無功功率）和并車推進(jìn)兩種工況；

3） 雙饋混合軸帶系統(tǒng)在電機(jī)轉(zhuǎn)速變化過程中，定子電壓頻率、幅值和相位均無明顯變化，可實(shí)現(xiàn)恒壓恒頻發(fā)電。

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