徐　燃，王　英（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

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雙饋?zhàn)冾l供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)研究

徐燃，王英
（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，遼寧大連116028）

摘要：文章提出了一種由雙饋發(fā)電機(jī)提供變頻電源，驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)的電力推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁，產(chǎn)生變壓變頻電源驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)速運(yùn)行。由于雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)只需提供轉(zhuǎn)差功率，使得變頻器的容量較小，可以在一定程度上緩解電力推進(jìn)對(duì)變頻器容量需求較高的問題。文章給出了電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了此電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻調(diào)速的可行性。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)雙饋電機(jī)變頻發(fā)電變頻調(diào)速

0　引言

電力推進(jìn)的核心就是電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)，目前國(guó)內(nèi)和國(guó)際上都是采用大功率變頻器來(lái)驅(qū)動(dòng)專用的變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，系統(tǒng)中變頻器功率要和電機(jī)匹配，即變頻器功率大于等于電機(jī)功率。針對(duì)目前電力推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)變頻器容量要求不斷提高的情況，本文提出一種基于雙饋發(fā)電機(jī)的變頻電源供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由于變頻器的作用是給雙饋發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)提供勵(lì)磁電流，由雙饋電機(jī)的工作原理可知，變頻器只需提供轉(zhuǎn)差功率，大幅度減小了對(duì)變頻器的容量需求。雙饋發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電和船舶軸帶發(fā)電中已廣泛應(yīng)用，控制技術(shù)相對(duì)成熟。文章在這些理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)學(xué)模型，并對(duì)船模在靜水中正向航行的特性進(jìn)行SIMULINK仿真研究。

1　系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的工作原理為，柴油機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)同軸相連，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在一定的速度下旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子繞組與變頻器相連，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)雙饋電機(jī)定子側(cè)變壓變頻電源的輸出。雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)繞組與所驅(qū)動(dòng)的異步電動(dòng)機(jī)定子繞組直接相連，通過(guò)改變雙饋發(fā)電機(jī)定子發(fā)出電壓，實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速。異步電動(dòng)機(jī)加上負(fù)載即螺旋槳來(lái)進(jìn)行船舶的電力推進(jìn)。

2　雙饋?zhàn)冾l推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析

2.1 柴油機(jī)的工作特性[3]

目前以柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)的技術(shù)較為成熟，在電力船舶領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。因此本文研究以柴油機(jī)為系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)的建模過(guò)程。由上世紀(jì)七十年代發(fā)展至今，關(guān)于增壓柴油機(jī)動(dòng)態(tài)建模的方法有三類：基于“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法”先行建模、基于“容積法”動(dòng)態(tài)建模和多階非線性準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型。由于發(fā)電用的柴油機(jī)要求在負(fù)荷變化時(shí)轉(zhuǎn)速基本不變，即重點(diǎn)在于柴油機(jī)的外部轉(zhuǎn)速特性，因此本文采用第一種建模方法。柴油機(jī)及其速度調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　柴淮機(jī)及其速度調(diào)節(jié)器的模型結(jié)構(gòu)圖

其中ρ表示柴油機(jī)的下垂特性，τ取決于燃油溫度，φ取決于燃油流速，柴油機(jī)本身用一個(gè)帶有比例環(huán)節(jié)K及死區(qū)時(shí)間為TD滯后環(huán)節(jié)來(lái)表示。

由于柴油機(jī)模型中帶有的純滯后環(huán)節(jié)使整個(gè)系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，給分析和設(shè)計(jì)帶來(lái)了不小的麻煩，本文采用文獻(xiàn)[3]中的設(shè)計(jì)方法，用一個(gè)二階多項(xiàng)式分式來(lái)做近似，如式1：

其中TD與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n有關(guān)系，即

文獻(xiàn)[3]中的各種柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)是基于實(shí)際電力艦船所得到的，因此可以作為仿真取值的參考，并可根據(jù)不用的實(shí)際要求對(duì)文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)加以修改。

2.2 雙饋發(fā)電機(jī)VVVF電源輸出控制策略

本節(jié)討論此電力推進(jìn)系統(tǒng)的電源部分。本文采用交-直-交變頻器，對(duì)雙饋電機(jī)控制的核心就是對(duì)變頻器轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的控制，由于篇幅的原因?qū)⒉辉敿?xì)介紹網(wǎng)側(cè)整流器的工作原理和控制方法，網(wǎng)側(cè)整流器給轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器提供穩(wěn)定的直流電壓。

由于轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器的目的是控制雙饋異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)電壓和電流，所以其控制方法要根據(jù)雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型來(lái)建立。此時(shí)的逆變器采用發(fā)電機(jī)定子磁鏈定策略來(lái)控制，雙饋異步發(fā)電機(jī)在定子磁鏈定向下的dq數(shù)學(xué)模型為：

由此式可以看出定子的電壓和電流之間的關(guān)系還受到交叉耦合項(xiàng)的影響，這是采用前饋電壓補(bǔ)償?shù)姆椒梢韵@一影響，需要前饋補(bǔ)償?shù)碾妷簽槭?.8：

磁鏈在αβ坐標(biāo)系的模型為：

其中矢量分析器為：

系統(tǒng)逆變器的控制結(jié)構(gòu)圖如圖2中的虛線部分。

由圖2虛線部分可以看出，在以上述控制策略建立起的變頻電源系統(tǒng)中，給定定子的角頻率ωs，則可以根據(jù)設(shè)定的壓頻比得到對(duì)應(yīng)的電壓給定值，根據(jù)這兩個(gè)給定值來(lái)得到后面負(fù)載所需要的電壓。

2.3 電力推進(jìn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制

系統(tǒng)采用的推進(jìn)電機(jī)是異步電機(jī)，雙饋發(fā)電機(jī)給推進(jìn)電機(jī)提供變頻電源。如果通過(guò)給定變頻電源的輸出頻率控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)為開環(huán)結(jié)構(gòu)，將不可避免地產(chǎn)生轉(zhuǎn)差即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速略低于給定定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速。為了消除這一影響，系統(tǒng)外環(huán)采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制如圖2的反饋環(huán)節(jié)，將給定的負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速和實(shí)際負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速作比較，通過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到實(shí)際提供給變頻電源的輸出角頻率。采用這種閉環(huán)系統(tǒng)，就可以直接給定負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)速，使調(diào)速更加精確。

2.4 螺旋槳的工作特性

螺旋槳作用在推進(jìn)電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩用無(wú)因次量表示為2.11：

其中KM是轉(zhuǎn)矩系數(shù)，ρ為海水的密度，n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，D為螺旋槳直徑。轉(zhuǎn)矩系數(shù)KM是進(jìn)速比J的函數(shù)，其中進(jìn)速比J的表達(dá)式為：

其中vs為船速，ω為伴流系數(shù)。本文做了一些簡(jiǎn)化處理，滿載船舶在靜水中航行時(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為[7]：

即螺旋槳轉(zhuǎn)矩近似的和轉(zhuǎn)速的平方成正比。

3　系統(tǒng)仿真及其分析

把以上建立起的柴油機(jī)模型、變頻電源-電機(jī)模型和船槳模型連接在一起便組成了雙饋?zhàn)冾l推進(jìn)系統(tǒng)，利用MATLAB/SIMULINK模塊對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

本文只是進(jìn)行理論上的研究，因而采用實(shí)驗(yàn)室用的較小功率的電機(jī)來(lái)進(jìn)行仿真，電機(jī)的參數(shù)選擇如表1：

表1　電機(jī)參數(shù)選擇

MATLAB仿真的過(guò)程為：船舶由靜止開始啟動(dòng)、加速，進(jìn)行正向航行，一直到螺旋槳轉(zhuǎn)速達(dá)到給定值并保持在給定值附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。這里將螺旋槳給定值設(shè)為300 r/min,得到螺旋槳轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速波形、推進(jìn)電機(jī)定子電流波形和變頻電源發(fā)出的電壓波形。如圖3。

由（a）和（b）可以看出船舶由靜止到正向航行穩(wěn)定期間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間很短，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)基本保持在300 r/min不變，轉(zhuǎn)矩有較大脈動(dòng)，但是調(diào)節(jié)時(shí)間很短，最后也達(dá)到穩(wěn)定。（c）和（d）可以看出在螺旋槳實(shí)際轉(zhuǎn)速和給定值不同時(shí)，變頻電源部分會(huì)自動(dòng)的調(diào)節(jié)輸出電壓的頻率和幅值來(lái)確保速度與給定值吻合。

4　結(jié)論和展望

本文主要對(duì)雙饋?zhàn)冾l供電的電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模和仿真，仿真的結(jié)果證明了這種結(jié)構(gòu)在理論上是可行的。由于這種模型是采用模塊化建立的，因此便于修改和完善，例如改善電機(jī)與螺旋槳匹配關(guān)系得到更高的推進(jìn)效率，考慮船體本身的運(yùn)動(dòng)得到更好的特性曲線等等。雖然我國(guó)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究還處于起步階段，但是當(dāng)前對(duì)它的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，隨著我國(guó)自主研發(fā)并投入生產(chǎn)實(shí)踐的電力推進(jìn)船舶越來(lái)越多，也標(biāo)志的中國(guó)電力推進(jìn)研究不斷進(jìn)步。

圖2　系統(tǒng)逆變器控制結(jié)構(gòu)圖

圖3　仿真結(jié)果

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉波，陳明，侯錦福，胡成.船舶綜合電力推進(jìn)應(yīng)用探討[J].設(shè)計(jì)與研究,2014,139（6）:82-83.

[2] 俞萬(wàn)能.無(wú)源濾波裝置在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)航海,2009,32（1）:29-33.

[3] 王磊.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)建模與分布式仿真研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2013.

[4] 羅彬.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載特性研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2009.

[5] 馬繼先，陳源，陸振偉.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)螺旋槳負(fù)載的建模與仿真[J].2014,22（1）:56-59.

[6] 田玉超.艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2009.

[7] 趙紅，郭晨，吳志良.船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真[J].中國(guó)造船，2006,47（4）：51-55.

Research on Electric Propulsion System with Doubly-fed Variable Frequency Power Supply

Xu Ran,Wang Ying
（School of Electronics and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning,China）

Abstract:The paper presents a type of electric propulsion system.In this system,doubly-fed generators provide the variable frequency power to drive the frequency conversion motor.This system uses the rotor excitation to produce variable voltage and variable frequency power supply to drive the motor to adjust speed.Because the rotor side of doubly-fed generators only needs to provide the slip power,it makes the inverter capacity be small.So it can offset problems that electric propulsion needs the inverter which has the high capacity by this system.The paper elaborates the architecture of electric propulsion system and builds mathematical model.It also verifies the feasibility of frequency conversion speed regulation by Matlab in accordance with the established mathematical model.

Keywords:electric propulsion;doubly-fed generators;inverter generator;frequency conversion speed regulation

作者簡(jiǎn)介：徐燃（1991），男，碩士研究生。研究方向：電力系統(tǒng)自動(dòng)化。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號(hào)：U665.11

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）01-0053-04