劉 鵬

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所 青島分部，武漢 430064）

1 引言

艦船綜合電力推進是世界船舶動力的發(fā)展趨勢之一，是現(xiàn)今各國船舶研究的熱點。在傳統(tǒng)艦船電力推進系統(tǒng)試驗中，一般都是使用水力測功機作為推進電機的測試負載。試驗時，推進電機通過傳動軸與水力測功機連接，帶動水力測功機旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為熱能被水力測功機吸收。這種電力推進系統(tǒng)測試方法雖然具有結(jié)構簡單、安裝方便、控制容易的優(yōu)點，但是試驗產(chǎn)生的能量被白白浪費，能量利用率很低，特別是容量較大的推進系統(tǒng)，能量浪費更加嚴重。水力測功機最為突出的缺點是其無法模擬完整的艦船螺旋槳曲線特性，使得推進系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)很難接近實船參數(shù)。

本文研究的是四象限負載模擬系統(tǒng)，這一負載系統(tǒng)不僅能夠模擬實現(xiàn)推進電機的電動及其發(fā)電狀態(tài)的四象限運行，為電力推進系統(tǒng)試驗提供先進的模擬負載，而且可以將被試推進電機旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能回饋到電網(wǎng)中，使得試驗能量利用率顯著提高。文章首先研究了四象限變頻系統(tǒng)的控制策略，然后使用MATLAB/Simulink軟件搭建了整個試驗系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果驗證了四象限模擬負載系統(tǒng)設計的可行性。

2 艦船電力推進系統(tǒng)試驗原理

試驗原理如圖1所示。試驗設備包括四象限負載系統(tǒng)，電力變壓器、傳動軸、扭矩傳感器以及試驗所需的其他輔助電源等。四象限負載系統(tǒng)主要由負載變頻電機、負載變頻器及其控制單元組成。被試電力推進系統(tǒng)包括被試推進電機及其變頻器。被試電力推進系統(tǒng)與試驗室設備連接后進行測試試驗研究。被試推進電機通過傳動軸與負載變頻電機相連，中間的扭矩傳感器用于測量電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。整個系統(tǒng)由中壓電網(wǎng)供電，通過電力變壓器將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為試驗所需的電壓等級。

四象限負載系統(tǒng)的負載變頻器是交-直-交變頻器，其中整流單元是三相有源前端（AFE）整流，中間是直流電容單元，逆變單元是三相橋式全控型逆變器，對整流單元和逆變單元均采用PWM控制，控制單元包括PWM控制電路以及電機控制的軟硬件結(jié)構?？刂茊卧捎梦⑻幚砥骺刂萍夹g，通過對變頻電機的控制，使得變頻電機工作在預先設定的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性四象限曲線上，達到對推進系統(tǒng)進行模擬加載的試驗目的。

2.1 整流單元控制策略

整流單元使用全控型IGBT組成三相全橋電路，使用空間矢量控制策略，并采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制，這一控制策略可實現(xiàn)整流器電網(wǎng)側(cè)的單位功率因數(shù)和電能的雙向流動[1]。控制策略如圖2所示，直流電壓外環(huán)控制是將輸出直流電壓Udc與給定值進行比較，偏差送入 PI調(diào)節(jié)器，PI調(diào)節(jié)后的輸出值作為電流給定值。電流內(nèi)環(huán)控制首先將輸入電流ia、ib、ic經(jīng)過坐標變換為id、iq。坐標變換后的d軸分量id表示電流的有功分量，q軸分量iq代表無功分量。為實現(xiàn)功率因數(shù)是1，取q軸電流給定值為0。對d、q軸電流分別進行PI調(diào)節(jié)控制，調(diào)節(jié)輸出送入SVPWM脈沖產(chǎn)生單元，得到整流器開關管的觸發(fā)脈沖[2]。

圖1 測試系統(tǒng)原理

圖2 整流控制策略框圖

2.2 逆變單元控制策略

逆變單元的結(jié)構與整流單元相同，也是由全控型IGBT組成的三相橋式電路，采用的是直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）得到開關管的觸發(fā)脈沖，直接轉(zhuǎn)矩控制避免了復雜的坐標變換，可實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的直接控制?？刂撇呗钥驁D如圖3所示，對電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈與相應給定值比較得到偏差，其中電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈依據(jù)定子磁鏈的“u-i”模型和電磁轉(zhuǎn)矩模型公式[3]計算得到。轉(zhuǎn)矩誤差與磁鏈誤差的控制均采用滯環(huán)調(diào)節(jié)（Bang-Bang），滯環(huán)的寬度可以通過軟件調(diào)節(jié)。最后根據(jù)轉(zhuǎn)矩矩滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出值、磁鏈滯環(huán)調(diào)節(jié)器輸出值以及磁鏈的相位角選擇合適的定子電壓空間矢量。

3 MATLAB/Simulink仿真模型和結(jié)果分析

艦船電力推進四象限負載模擬系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真模型如圖4所示。仿真參數(shù)為：三相電源有效值為10 kV，變壓器一次側(cè)10 kV、二次側(cè)690 V，電機額定功率3 MW，額定電壓690 V，額定轉(zhuǎn)速150 rpm。設定直流單元直流給定值為1000 V，電機給定轉(zhuǎn)速為150 rpm，電機加速率為 180 rpm，電機啟動時外部負載轉(zhuǎn)矩為0，在1 s時施加80 kN·m的負載轉(zhuǎn)矩，在1.5 s時施加-80KN.m的負載轉(zhuǎn)矩。

圖3 逆變器控制策略框圖

圖4 四象限負載模擬系統(tǒng)仿真模型

電機轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。電機0 s開始啟動，在0.85 s時啟動完畢，轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速。在1 s和1.5 s分別施加與電機轉(zhuǎn)速反向以及同向的負載轉(zhuǎn)矩，其中1 s到1.5 s，電機帶動負載轉(zhuǎn)動，電機處于電動狀態(tài)；1.5 s到2 s，負載拖動電機旋轉(zhuǎn)，電機處于發(fā)電狀態(tài)。

圖7為系統(tǒng)啟動時整流輸出直流電壓波形。直流電壓經(jīng)過一段時間調(diào)節(jié)后達到穩(wěn)定，并能準確地跟蹤指定電壓1000 V，具有很好的動態(tài)和穩(wěn)定性。圖8為整流單元工作穩(wěn)定后輸入相電壓和電流穩(wěn)態(tài)波形。由于交流電壓和電流數(shù)值相差很大，為便于兩者波形對比，圖中將電壓和電流值進行了歸一化處理。由波形圖可以看到輸入交流電流為正弦形，并且與輸入交流電壓相位相同，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

在1.5 s時，電機轉(zhuǎn)入發(fā)電狀態(tài)，直流電壓有小幅上升即有泵生電壓產(chǎn)生，如圖9所示。但隨后就下降到給定值，同時輸入交流電流和輸入交流電壓相位反向，如圖10所示。整流器工作在有源逆變狀態(tài)，即將電機的發(fā)電產(chǎn)生的電能回饋到了電網(wǎng)中[4]。

圖5 電機轉(zhuǎn)速仿真圖

圖6 電機輸出轉(zhuǎn)矩仿真圖

圖7 整流輸出直流電壓波形圖

圖8 輸入相電壓和電流穩(wěn)態(tài)波形圖

圖9 電能回饋時直流電壓波形圖

圖10 有源逆變時輸入相電壓和電流波形圖

4 結(jié)束語

在對四象限模擬負載系統(tǒng)的工作原理、控制策略研究的基礎上，使用 MATLAB/Simulink軟件建立了艦船電力推進系統(tǒng)四象限負載模擬系統(tǒng)的仿真模型。仿真波形表明整個試驗系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能的雙向流動，驗證了系統(tǒng)設計的正確性和有效性。

[1] 童亦斌，陳瑤，金新民. 三相電壓型PWM整流器建模與控制研究[J]. 機車電傳動，2007，(4)：15-18.

[2] 馬耀輝，尹華杰，汪萬維. 三相電壓型PWM整流器空間電壓矢量控制仿真[J]. 防爆電機，2009，(2)：15-19.

[3] 丁榮軍.黃濟榮. 現(xiàn)代變流傳動技術與電氣傳動[M].北京：科學出版社，2009.

[4] 初升. 四象限變頻器技術介紹[J]. 變頻器世界，2006，(10)：78-80.