船舶電力系統整流發電機和蓄電池組并聯供電控制策略

何 宇，汪永茂，雷秉霖

(1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，華中科技大學，湖北 武漢 430074；2. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

基于直流主網的綜合電力系統是船舶電力系統的發展方向[1-5]。基于直流主網的綜合電力系統采用整流發電機作為主電源對系統進行供電[2，6-8]，采用蓄電池組作為后備電源以提升供電可靠性[9-11]。為保證供電可靠性，常將整流發電機輸出端與蓄電池組輸出端直連。正常情況下，由整流發電機對負載供電，同時對蓄電池組浮充。整流發電機發生故障時，發電機出口開關斷開，退出運行，可無縫切換到蓄電池組對負載供電。因此全船最大負載功率不能大于整流發電機的額定功率。

由于船舶的空間重量有限，發電機體積和功率受限，而船舶推進電機推進功率較大、日常電力系統負載較多[12-14]，可能會出現電力負載功率超過發電機的情況。需要研究船舶電力系統的控制策略，在負載功率超過整流發電機功率時，通過切換整流發電機控制方式，使蓄電池組和整流發電機同時對負載供電，蓄電池組能分擔負載功率，船舶電力系統能夠承擔更大的負載功率。

由于蓄電池組容量有限，整流發電機和蓄電池組同時供電時，需盡量讓整流發電機多出力，降低蓄電池組的放電功率，延長蓄電池組供電時間。

本文提出了一種整流發電機和蓄電池組并聯供電策略，可實現在負載功率大于整流發電機額定功率時，整流發電機和蓄電池組同時對負載供電。采用此策略可提升船舶電力系統最大負載功率，增加船舶電力系統穩定性。

1 典型基于直流主網的船舶電力系統

圖1為一種典型的基于直流主網的船舶電力系統拓撲圖。主要由整流永磁發電機、蓄電池組、直流母線、推進電機及其變頻器、逆變電源和船用日常交流負載組成。整流永磁發電機的發電機模塊通過整流器連接到直流母線，蓄電池組出口端直連到直流母線，通過變頻器對推進電機供電，通過逆變電源對船用日常交流負載進行供電。

圖 1 基于直流主網的船舶電力系統拓撲圖Fig. 1 Topological diagram of DC-main-grid ship power system

整流永磁發電機控制系統結構框圖如圖2所示。整流永磁發電機由永磁發電機、整流器組成。整流器采用IGBT作為開關器件的PWM整流電路，其具備直流電壓穩定、功率因素高、交流諧波低等優點。轉子位置檢測裝置將發電機位置信息發送給控制系統，控制系統根據采樣的直流側和交流側電壓電流值，對PWM整流器進行驅動控制，采用恒壓輸出策略，維持直流輸出電壓恒定。

船用蓄電池組一般選用鉛酸蓄電池組。由于蓄電池組出口是直連到直流母線，直流母線電壓值會影響到蓄電池組的充放電狀態。當直流母線電壓值高于蓄電池組空載端電壓時，蓄電池組處于充電狀態。當直流母線電壓值低于蓄電池組空載端電壓時，蓄電池組處于放電狀態。直流母線額定電壓為蓄電池組的浮充電壓，所以當直流母線保持額定電壓時，蓄電池組會處于浮充狀態。蓄電池組單獨供電時，直流母線電壓下降，低于額定電壓。在相同的荷電狀態和溫度下，蓄電池組放電電流越大，端口電壓越低。

圖 2 整流永磁發電機系統結構框圖Fig. 2 Structural block diagram of rectifier permanent magnet generator system

船舶電力系統負載主要分為推進電機和船用日常交流負載。傳統的船舶電力推進系統，推進電機控制多采用交-直-交變頻器，結構較復雜，而在基于直流主網的船舶電力系統中，推進電機控制采用結構更簡單的直-交變頻器。船用日常交流負載主要有泵類負載（如冷卻水泵）和阻感負載（如照明負載）兩類。其使用的交流電由逆變電源從直流母線的直流電逆變得到。逆變電源采用恒壓輸出控制策略，在直流母線電壓在逆變電源額定輸入電壓范圍內發生變化時，其輸出的交流電壓保持不變。

目前船舶電力系統在整流發電機正常時，直流母線電壓處于額定電壓值，整流發電機對負載供電，同時對蓄電池組進行浮充。而在整流發電機故障時，發電機退出運行，僅由蓄電池組進行供電，此時直流母線電壓跌落至蓄電池組端電壓。目前船舶電力系統暫無整流發電機和蓄電池組并聯同時供電的工況，所以系統的最大負載功率不能大于發電機的額定功率。

2 整流發電機與蓄電池組并聯供電控制策略

整流永磁發電機系統采用雙閉環控制策略。雙閉環控制中外環是直流輸出電壓反饋控制環，內環是交流電流反饋控制環。

直流電壓給定值為直流母線額定電壓，控制整流器輸出直流母線額定電壓。整流器輸入電壓d軸、q軸分量的關系式如下：

整流發電機輸出的有功功率P和無功功率Q，計算式如下：

可以推算出：

假設發電機三相交流輸出電壓為三相平穩的純正弦電壓：

當給定的有功功率P為整流發電機額定功率PN，給定的無功功率Q為零時，即整流器在恒功率輸出工作模式時，對應的給定值為：

可見，在恒壓輸出雙閉環控制的基礎上增加有功電流給定值的限幅環節，即可實現在負載功率小于等于整流發電機額定功率PN時，整流器輸出直流母線額定電壓，在負載功率大于整流發電機額定功率PN時，整流器輸出額定功率。的限幅值為：

整流發電機與蓄電池組并聯供電策略控制框圖如圖3所示。在負載功率小于發電機額定功率時，有功電流給定值限幅環節不起作用，因此整流器處于恒壓輸出工作模式。直流母線電壓值為額定電壓，由于直流母線額定電壓為蓄電池組浮充電壓，此時蓄電池組處于浮充狀態。

圖 3 整流發電機與蓄電池組并聯供電策略控制框圖Fig. 3 Control block system of rectifier generator and storage battery parallel power supply

有功電流限幅環節的作用是控制發電機輸出功率不大于額定功率。當負載功率大于發電機額定功率時，，此時給定值被限幅而保持為，整流發電機進入恒功率輸出工作模式，發電機保持額定功率輸出。由于發電機輸出功率等于額定功率，小于負載功率，直流母線電壓值下降，當直流母線電壓值下降到低于蓄電池組的空載電壓時，蓄電池組由充電狀態轉換為放電狀態。當蓄電池組放電功率恰好等于負載功率與整流發電機額定功率差值時，直流母線電壓停止下降而進入穩態。此時發電機輸出功率、蓄電池組放電功率和負載功率滿足下式：

并聯供電控制策略能夠在負載功率小于或等于整流發電機額定功率時，維持母線電壓在額定值，使蓄電池組處于浮充狀態，整流發電機對負載和蓄電池組供電。并聯供電控制策略能夠在負載功率大于整流發電機額定功率時，實現整流發電機輸出額定功率，蓄電池組補充輸出負載功率超出整流發電機額定功率的差值，使蓄電池組和整流發電機的并聯供電，能夠提升艦船電力系統的最大輸出功率。在負載功率大于整流發電機額定輸出功率時，此控制策略使得蓄電池組能夠維持供電狀態最長時間，能維持母線電壓至系統所能維持的最大值。

3 仿真計算

采用Matlab/Simulink平臺進行仿真計算。直流母線額定電壓為450 V，發電機額定功率為25 kW。蓄電池組采用通用等效模型，電池為滿電，空載時端電壓為435 V。

在0～0.2 s期間，負載有功功率為17 kW，無功功率為2 kVar。此時負載功率小于發電機額定功率，由圖4可以看出直流母線電壓為額定電壓450 V，發電機輸出有功功率等于負載有功功率，為17 kW。蓄電池組處于浮充狀態，充電電流約等于0。由于發電機無功電流給定值為0，所以發電機輸出的無功功率為0，負載的無功功率由逆變電源提供。

圖 4 直流母線電壓波形圖Fig. 4 Voltage waveform of DC bus

圖 5 蓄電池組放電電流波形圖Fig. 5 Current waveform of battery discharge current

圖 6 發電機和蓄電池組功率波形圖Fig. 6 Power waveform of generator and battery

在0.2 s時，負載功率突變至25 kW，達到整流發電機額定功率。發電機輸出額定功率，直流母線電壓維持在額定電壓450 V，蓄電池組仍處于浮充狀態。

在0.8 s時，負載有功功率突變至35 kW，無功功率突變至5 kVar。負載功率大于發電機額定有功功率，發電機進入恒功率模式。暫態過程結束后，發電機仍輸出額定有功功率25 kW。此時母線電壓不能維持在額定電壓，下降至428 V，低于蓄電池組空載端電壓，蓄電池組處于放電狀態，放電電流為20 A，放電功率為10 kW。此時蓄電池組放電功率等于負載功率超出整流發電機額定功率差值，發電機輸出功率、蓄電池組放電功率和負載功率自動達到平衡。

仿真計算表明，負載功率小于或等于發電機額定功率時，直流母線電壓能夠維持在額定值，使得蓄電池組處于浮充狀態，發電機輸出功率等于負載功率。負載有功功率大于發電機額定有功功率時，發電機輸出額定有功功率，直流母線電壓下降，蓄電池組由浮充轉為放電，輸出功率等于負載功率超出發電機額定功率的差值。

圖 7 負載功率波形圖Fig. 7 Power waveform of load

4 結 語

本文針對基于直流主網的船舶電力系統，提出了整流發電機與蓄電池組的并聯供電策略，在負載功率超過整流發電機額定功率時，可實現整流發電機和蓄電池組共同對負載供電，提升了船舶電力系統的最大負載功率。建立仿真模型，通過Matlab仿真計算，對供電策略進行驗證。