基于不同電機拓撲的船用軸帶發電系統比較

2019-08-01 09:57:16常國梅徐清華邵詩逸武治江烏云翔

微特電機 2019年7期

常國梅，徐清華，邵詩逸，武治江，烏云翔，郭偉

(無錫賽思億電氣科技有限公司，無錫 214028)

0 引言

在傳統船舶推進系統中，除了負責船舶推進的主機之外，通常使用另一臺定速運行的柴油輔機連接發電機為船舶電站提供電能。

近年來，作為對輔機發電機系統的補充和替代，出現了一種軸帶發電的概念[1]。具體地說，是通過齒輪箱將一臺發電機連接在主機軸上，主機軸開始工作后便可以同時帶動發電機轉動從而進行發電。與傳統方案相比，軸帶發電減少了船舶輔機開機啟動次數，降低了使用維護成本，并且提高了主機效率，有效降低了油耗[2-3]。目前，該方案很適合螺旋槳轉速恒定的可調槳系統，并且已經在不少實船中得到了應用，如中國第一艘專為深淵海溝科考設計的萬米級載人深淵科考母船“張謇號”就采用了軸帶發電機，并取得了顯著的節能效果[4]。軸帶發電方案本質上屬于恒定的轉速下輸出恒定的頻率，因此稱為“恒速恒頻”方案[5-6]。如果要在主機轉速時刻變化的定矩槳系統中使用，需要對主機的運行轉速提出很大的限制，所以沒有被廣泛接受，這在很大程度上限制了軸帶發電系統的應用范圍。

此外，考慮到定矩槳系統中發電機的輸出頻率也會發生變化，因此需要在發電機和電站之間連接額外的變頻器[7]，使得無論發電機的頻率如何變化，變頻器都輸出恒定的電壓，這種拓撲結構也稱為“變速恒頻”方案。變頻器采用的是四象限的變頻器，即有源交-直-交結構，兩個交流端子分別連接發電機(也稱“機側”)和電站(也稱“網側”)，分別實施對于發電機和電站的控制，即使變頻器整流側的輸入頻率和電壓發生變化，變頻器輸出端的頻率和電壓都是恒定的[3]。

目前，無論在學術界還是工業界，主要考慮將三種類型的電機用于變速恒頻系統中，這三種電機分別是無刷同步電機、異步電機和無刷雙饋電機。它們的發電原理各不相同，導致了整個電氣系統和控制方案呈現出了比較大的區別。

本文分別就基于這三種電機的方案進行原理分析和性能比較，并且著重在控制方案和控制算法層面進行詳細的技術討論，旨在比較這些方案的主要優缺點，最后通過實驗平臺對上述三個方案的電機系統進行控制算法的驗證。

1 變速恒頻軸帶發電系統簡述

一個典型的變速恒頻軸帶發電系統如圖1所示，其核心是發電機和變頻器的組合。發電機負責將螺旋槳多余的機械能轉化成動能，變頻器負責將發電機頻率和電壓變化的電能轉化成頻率和電壓固定的輸出，通過濾波器濾波后提供給船用負載供電。如果采用不同的發電機，系統的拓撲會有一些變化，下面將對這些內容進行詳細分析。

圖1 軸帶發電系統框圖

2 三種不同發電機拓撲的分析和比較

2.1 無刷同步發電機

2.1.1 基本介紹

同步發電機的系統框圖如圖2所示。無刷同步發電機內置勵磁機，可以通過外部的電壓調節電路板(AVR)對輸出電壓進行調節。該方案的最大優勢在于無刷同步發電機已經被船舶行業廣泛地接受和認同，其技術兼容性好，使得大部分柴油發電機幾乎不需要做改動，就可以應用成為軸帶發電機。

圖2 同步發電機的系統框圖

由于無刷同步發電機通常不會采用絕緣加強的繞組，因此在一般情況下變頻器需要連接一個正弦波濾波器[8]。除此之外，采用無刷同步發電機最大的挑戰和限制在于：

(a) 當主機的轉速運行范圍較寬時，需要定制AVR，保證在較大的范圍內實現恒定的輸出電壓。即便如此，當發電機在低轉速時仍然輸出額定電壓，需要在電機設計時充分考慮磁場飽和，以及為了減緩磁飽和所導致的發電機體積和質量可能增加的問題。

(b) 如果主機發生故障，無刷同步發電機在靜止條件下無法通過勵磁機實現轉子的勵磁，因此不具備自起動功能，所以電動運行的功能無法實現。

2.1.2 控制系統

同步發電機的控制類似電網的并網控制，與傳統的網側變頻器的控制算法相似，將同步軸帶發電機看成頻率變化的電網，其本質是通過控制輸入電抗器兩端的電壓差實現功率的控制。忽略定子電阻的影響，同步電機的電壓方程如下：

(1)

(2)

式中：vsd,vsq是同步發電機的端電壓；vd,vq是變頻器的輸出電壓；id,iq是變頻器的輸出電流；ωs是同步發電機的角頻率。

矢量控制的關鍵在于同步角度θs的選取，本文選擇θs使得電網矢量定向在d軸上，即vsq=0。該矢量角度θs通過對于三相電網電壓鎖相獲得[5]。

同步發電機的有功功率P的公式如下：

(3)

因此，可以通過對d軸電流id的控制，實現對于直流母線電壓的管理。一個基本的控制框圖如圖3所示。在控制上，需要注意的是矢量控制算法需要足夠快，以至于在控制時間常數上不會和AVR形成互相擾動，導致控制系統發散。

圖3 同步發電機矢量控制框圖

2.2 異步發電機

2.2.1 基本介紹

異步發電機的系統框圖如圖4所示。異步電機的驅動系統已經廣泛應用于工業領域，技術相對成熟。異步電機的軸帶發電本質上可以認為是異步電機驅動系統的逆過程，即異步電動機工作在發電機狀態下，因此，異步軸帶發電機技術成熟度很高。

圖4異步發電機的系統框圖

相對于同步發電機，異步發電機的轉子采用鼠籠結構，可以承受更高的溫度和更惡劣的環境，可靠性更高。

此外，由于異步發電機的勵磁由變頻器提供，而不需要類似AVR這樣的勵磁設備，因此異步發電機的轉速適應范圍更寬，而且可以在零轉速下起動，很適合在電動運行等應急工況下使用。而采用異步發電機最大的限制是勵磁需要由變頻器提供，即變頻器必須先完成預充電，所以在全船失電等特殊情況導致變頻器失電時，異步發電機需要設置專門的變頻器預充回路，以實現異步電機的勵磁。

2.2.2 控制系統

異步電機的基本公式[9]：

(4)

(5)

ψs=Lsis+Lmir

(6)

ψr=Lrir+Lmis

(7)

式中：ωsl是異步發電機的轉差頻率，定義：

ωsl=ωs-pωθ

(8)

通過上述方程組可以推導出異步發電機的控制器。一般來說，采用基于轉子磁鏈定向的矢量控制算法[10]，可以得到異步發電機的轉矩公式：

(9)

控制上需要保證d軸的定子電流isd恒定，以維持整個異步發電機的磁鏈，轉矩可以通過異步發電機的q軸定子電流isq來控制。這樣就形成了有功和無功的解耦控制。

在軸帶發電系統中，轉矩或者有功功率可以用來管理直流母線電壓，整體的控制框圖如圖5所示。

圖5 異步發電機矢量控制框圖

2.3 無刷雙饋發電機

2.3.1 基本介紹

無刷雙饋發電機的系統框圖如圖6所示。無刷雙饋發電機是一種比較新穎的電機，具有兩個獨立的定子繞組，這兩個繞組分別是與電網相連接的功率繞組(PW)和與變頻器相連接的控制繞組(CW)[1]。雖然這兩個三相繞組都繞在定子鐵心上，但它們的極對數組合均采用特殊的設計，磁場沒有直接耦合[11]，而是通過一個特殊的轉子繞組實現磁場的間接耦合，以實現功率的交互。

圖6 無刷雙饋發電機的系統圖

無刷雙饋電機作為軸帶發電系統的最大優勢在于其控制繞組僅吸收滑差功率，所以只需要使用部分功率變頻器即可。變頻器的功率與電機調速范圍密切相關[12]。軸帶發電系統僅要求發電機在一個固定的范圍之內運行，所以基于無刷雙饋發電機的軸帶發電系統可以大大降低變頻器的功率以及相應的成本。

然而，無刷雙饋發電機在技術上還有如下的一系列問題需要考慮和克服。

(1) 基于無刷雙饋發電機的矢量控制雖然已經出現，但是由于受制于功率繞組和控制繞組之間的解耦能力較弱，因此總體動態特性較差；

(2) 無刷雙饋電機的兩組定子繞組的極對數設計，由于需要考慮兩個定子磁場的解耦，必須遵循一定的規范[11]，因此設計靈活性較差。考慮到無刷雙饋電機的轉速是由兩個繞組的極對數之和決定的[12]，所以無刷雙饋電機額定轉速的選擇受到比較多的設計上的限制；

(3) 無刷雙饋電機本質上采用感應的原理，因此在零轉速時也無法勵磁，在全船失電時需要考慮額外的勵磁回路，也無法做電動機運行。

2.3.2 控制系統

無刷雙饋發電機的主要方程組需要同時考慮兩個定子繞組和一個轉子繞組，相對于同步發電機和異步發電機明顯要復雜，方程組的數量明顯增加，公式為：

(10)

ψ1=L1i1+L1rir

(11)

(12)

ψ2=L2i2+L2rir

(13)

(14)

ψr=Lrir+L1ri1+L2ri2

(15)

無刷雙饋發電機的轉矩公式如下：

(16)

文獻[13]詳細分析了無刷雙饋發電機矢量控制的原理，本質上是通過對控制繞組的電流控制，間接控制功率繞組的電流，最終實現對于轉矩的控制,控制框圖如圖7所示。需要注意的是控制繞組和功率繞組的d軸和q軸無法充分實現解耦控制，需要通過PI控制器進行補償，這樣造成了無刷雙饋發電機的控制動態性能相對較差。

圖7 無刷雙饋發電機矢量控制框圖

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺搭建

為了驗證上述基于三種不同電機的軸帶發電系統的控制方案，并且比較它們的控制指標的區別，建立了一個電機對拖原理實驗臺，用于驗證控制性能，實驗平臺如圖8所示。

圖8 電機對拖實驗臺

該平臺中的原動機采用一個250 kW的異步電機進行驅動，分別進行三種被試電機的實驗，這三種發電機的參數如表1所示。

表1 三種不同電機參數

變頻器的輸出連接到四個電阻箱，最大可以提供60 kW負載，為整個軸帶系統提供負載輸出。為了實現最為苛刻的性能考察，本實驗主要通過負載開關的投切來考察瞬態負載變化對于軸帶發電系統的穩定特性和動態特性的影響。被試變頻器中的網側和機側是完全相同的硬件，通常稱為背靠背結構。控制器采用x86 Celeron 650 MHz CPU的控制器，滿足0.4 ms的控制回路的刷新時間，產生2.5 kHz的PWM信號。

3.2 實驗數據

3.2.1 同步發電機實驗數據

圖9給出了采用同步發電機在額定轉速1 500 r/min下突加負載的數據。本實驗中，負載突加90 kW，即同步發電機額定功率的75%。由圖9(a)可以看到，電網電壓產生了一個瞬間大約20 V(5%)的跌落，然后迅速回復正常。有功電流iq的數據參見圖9(b)，電流追蹤的動態響應非常令人滿意。直流母線電壓如圖9(c)所示，控制在650 V左右，也比較穩定，幾乎沒有產生很大的波動。因此，采用同步發電機作為軸帶發電系統，無論是穩定性，還是動態特性，都是令人滿意的。

(a) 輸出交流電壓有效值

(b) 定子有功電流iq

3.2.2 異步發電機實驗數據

圖10給出了采用異步發電機在額定轉速1 500 r/min下突加負載數據。本實驗中，突加負載100 kW，即異步發電機額定功率的67%。從圖10可以看出，采用異步發電機可以獲得和同步發電機軸帶系統很類似的性能，無論是輸出電壓波動、直流母線波動，還是電流控制[11]，都可以達到指標需求。

(a) 輸出交流電壓有效值

(b) 定子有功電流i2q

3.2.3 無刷雙饋發電機實驗數據

圖11給出了采用無刷雙饋發電機在轉速600 r/min下突加負載的數據。本實驗中，突加負載15 kW，即無刷雙饋發電機額定功率的17%?？梢钥吹剑陔妷翰▌由?，電壓瞬間降低了約11%。無刷雙饋的電壓/功率控制最終是通過對于控制繞組的電流控制來實現的；在電機控制繞組有功電流i2q的控制上，雖然測量值仍然可以跟蹤，但是動態性能遠遠不如同步發電機和異步發電機，這是因為無刷雙饋電機的控制繞組和功率繞組在d和q軸的坐標系之間具有較強的耦合性，需要通過PI控制器慢慢補償，正因為控制繞組和功率繞組本身也有耦合性，所以直流母線電壓波動較大。如果負載出現更大容量的擾動，整個控制系統可能會出現不穩定。