王猛, 王英

(大連交通大學(xué), 遼寧大連 116021)

0 引言

船舶軸帶發(fā)電是由主機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)的供電裝置，利用船舶航行時的剩余功率進(jìn)行發(fā)電的一種發(fā)電形式。船舶航行運費中，燃料費用占50%～60%。我們知道，船舶主機(jī)采用重油作為動力裝置的主要燃料，重油的價格成本較低；而船上的獨立的柴油發(fā)電機(jī)采用的是輕油，輕油的價格比較高，成本大約是重油的一倍。船用雙饋發(fā)電機(jī)將發(fā)電機(jī)建立在船槳動力的裝置上，把螺旋槳推動船的動力一部分轉(zhuǎn)化為軸帶雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)電用的機(jī)械能，這樣就省去了船用柴油機(jī)用輕油發(fā)電的結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上就是用重油代替輕油產(chǎn)生機(jī)械能來發(fā)電，所以用軸帶發(fā)電機(jī)可以很大程度上節(jié)省船舶航行電能的成本。

由于船舶航行時的速度是變化的，為了得到變速恒頻效果，運用傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)需要帶同步補(bǔ)償裝置。而運用雙饋電機(jī)發(fā)電不但可以實現(xiàn)變速恒頻，而且其轉(zhuǎn)子勵磁的發(fā)電控制結(jié)構(gòu)使變頻控制裝置作用在轉(zhuǎn)子部分，而不是主供電電路部分，變頻器的容量明顯減小，系統(tǒng)的成本也顯著降低。

船舶發(fā)電和并網(wǎng)型發(fā)電不同，其發(fā)電是作為一種獨立發(fā)電供給船上所有電器設(shè)備使用，在滿足頻率要求的同時需要發(fā)電裝置提供380V工頻恒定電壓，這就要求對發(fā)電的電壓控制作用增強(qiáng)，增加負(fù)載和卸下負(fù)載時對電網(wǎng)的沖擊要小。所以，獨立發(fā)電重點在于雙饋發(fā)電電壓控制問題。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子勵磁控制雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)發(fā)電的一部分供給負(fù)載使用，另一部分作為轉(zhuǎn)子勵磁的電能使發(fā)電機(jī)正常運行，這樣就組成了一個發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)。直流電源的目的有兩個，一是在發(fā)電機(jī)運行時提供勵磁電能，當(dāng)系統(tǒng)正常發(fā)電時可考慮將其切除；二是在實際發(fā)電時出現(xiàn)故障導(dǎo)致系統(tǒng)不能運行，可以考慮通過測量元件和控制開關(guān)將其接入到發(fā)電系統(tǒng)中。整流裝置選用多脈沖整流或者是PWM整流，也可在電機(jī)的定子側(cè)設(shè)置兩類定子繞組，目的是在整流時盡量減少直流母線和網(wǎng)側(cè)的諧波成分。

2 雙饋發(fā)電數(shù)學(xué)模型與控制策略

由雙饋電機(jī)定子定向下的數(shù)學(xué)模型可知

由雙饋發(fā)電機(jī)的電壓方程和磁鏈方程為：

式中：Rs，Rr是定轉(zhuǎn)子繞組的電阻；Ls，Lr是定轉(zhuǎn)子繞組自感；Lm是定轉(zhuǎn)子繞組的互感；ims是定子廣義勵磁電流；σ為漏磁系數(shù)，

轉(zhuǎn)子d軸電流分量控制定子磁鏈，實現(xiàn)有功控制，而q軸分量保證定子定向。

式（2）忽略定子繞組壓降，得到定子定向下定子磁鏈與定子電壓矢量關(guān)系式

式（5）帶入（3）得雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓方程

其中，由反電動勢引起的交叉耦合項為（9）式。

由于系統(tǒng)是用做獨立發(fā)電系統(tǒng)，與并網(wǎng)系統(tǒng)不同，不需要對并網(wǎng)相位控制。所以，直接將電流的無功分量為零，即iq*=0，這樣就實現(xiàn)了定子磁場強(qiáng)迫定向。這樣的結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)更簡單，算法更容易實現(xiàn)。

在雙饋矢量控制系統(tǒng)中，在把dq軸電流分開控制的同時，為了得到定子電壓強(qiáng)化控制效果，采用一種電壓閉環(huán)作為轉(zhuǎn)子d軸電流前饋補(bǔ)償，給定控制電壓的幅值us*，與通過磁鏈計算得出的定子電壓us進(jìn)行比較作為偏差信號，再通過PI調(diào)節(jié)器得到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流開環(huán)參考補(bǔ)償值irdc*。這種結(jié)構(gòu)在強(qiáng)化電壓控制的同時，可以直接給定定子電壓對定子側(cè)電壓幅值控制。雙饋異步發(fā)電機(jī)獨立發(fā)電時矢量控制系統(tǒng)框圖如圖2。

實現(xiàn)系統(tǒng)控制需進(jìn)行磁鏈計算，可以通過雙饋電機(jī)定子電壓電流建立磁鏈觀測器來實現(xiàn)。定子磁鏈在αβ坐標(biāo)系下模型為

對定子發(fā)電側(cè)頻率的控制是通過轉(zhuǎn)子勵磁頻率補(bǔ)償轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)頻率實現(xiàn)的，轉(zhuǎn)子電流補(bǔ)償頻率：

寫成磁鏈角度的形式

ωs1、ωs、ωr分別是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差角速度、同步旋轉(zhuǎn)角速度、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角速度；θs1、θs、θr分別為轉(zhuǎn)差角度、定子磁鏈角度、轉(zhuǎn)子位置。

定子電流頻率與同步角速度sω的關(guān)系為：

f1為定子電流頻率；np為雙饋電機(jī)的極對數(shù)。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 仿真參數(shù)

船航行速度在400 r/min到750 r/min，用simulike和其電力系統(tǒng)元件庫對控制算法仿真。雙饋異步電機(jī)參數(shù)如下：三相繞線式雙饋電機(jī)75 kW，定子額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，極對數(shù)為4，同步轉(zhuǎn)速為750 r/min,定子電阻Rs=40.5 m?，轉(zhuǎn)子電阻Rr=42 m?，定子自感Ls=12.3 mH，轉(zhuǎn)子自感Lr=12.4 mH，定轉(zhuǎn)子互感Lm=11.8 mH。

3.2 仿真結(jié)果與分析

在圖（1）中，直流母線電壓諧波是一個重要的問題，特別是在不控整流下產(chǎn)生的六次諧波對系統(tǒng)的影響很大。仿真結(jié)果證明，控制策略對低次諧波有很好的適應(yīng)性。這是因為直流側(cè)諧波實際是直流側(cè)電壓幅值的小范圍快速波動，由于系統(tǒng)定子電壓閉環(huán)作用，直流電壓波動時，調(diào)制信號根據(jù)波動情況迅速作出相應(yīng)調(diào)整保證定子發(fā)電電壓恒定。直流母線疊加幅值為70 V六次諧波仿真如圖3。圖中，調(diào)制信號并非完美的正弦波，是因為直流母線電壓小范圍波動時，在電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)下，調(diào)制信號會立即做出相應(yīng)調(diào)整，消除直流電壓波動帶來的諧波影響。

此種策略控制雙饋異步發(fā)電機(jī)定子側(cè)發(fā)電的優(yōu)點之一是實現(xiàn)定子側(cè)的電壓能夠通過給定電壓直接調(diào)節(jié)，定子電壓給定值在系統(tǒng)運行前可以給定，也可在運行過程中調(diào)節(jié)定子電壓給定值，都能夠使發(fā)電系統(tǒng)定子側(cè)電壓控制在給定值。

仿真相電壓設(shè)定幅值是2202V，在0.2 s之后，將設(shè)定值動態(tài)變?yōu)?50 V的定子電壓和調(diào)制信號波形如圖4。由于控制結(jié)構(gòu)使電壓控制值能夠直接給定，所以可以直接方便的進(jìn)行定子側(cè)電壓幅值控制。除了調(diào)壓調(diào)速以外，用戶一般需要的是380 V的工頻電壓不變，但是系統(tǒng)的這種控制結(jié)構(gòu)對電壓的控制作用更強(qiáng)。原因是電壓閉環(huán)的前饋補(bǔ)償作用可以在電壓偏離給定值時及時補(bǔ)償電壓，在反饋的作用下使電壓迅速跟隨給定值，但會增加控制器參數(shù)整定難度。

船用發(fā)電系統(tǒng)目的是直接給用電器使用，要求對電網(wǎng)側(cè)直接接入負(fù)載和卸去負(fù)載有很強(qiáng)的自動調(diào)節(jié)能力。在系統(tǒng)運行時，仿真在0.3 s電網(wǎng)側(cè)加入15 A負(fù)載，在0.6 s后將負(fù)載卸下過程中的定子電壓和定子電流仿真波形如圖5。

0.3s增加15 A負(fù)載時，定子電壓會降低，在調(diào)制信號作用下，定子電壓在1個周期后恢復(fù)到控制值。0.6 s卸下15 A負(fù)載時，定子電壓會升高，在調(diào)制信號作用下，定子電壓1個周期后恢復(fù)到控制值。

4 總結(jié)

本文介紹了一種對雙饋異步發(fā)電機(jī)定子發(fā)電電壓有強(qiáng)烈控制作用的發(fā)電策略算法，并且在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了動態(tài)仿真。這種發(fā)電形式可以應(yīng)用在獨立發(fā)電系統(tǒng)中，雙饋電機(jī)定子側(cè)發(fā)電電壓穩(wěn)定性強(qiáng)，可以直接供用電設(shè)備使用。這為雙饋式獨立發(fā)電提供了船用電機(jī)控制策略的一種理論和工程依據(jù)。

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