程垠鐘，李莉紅，晏 陽，杜劍維

（中國艦船研究院，北京 100192）

基于 PLECS 的船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)仿真研究

程垠鐘，李莉紅，晏 陽，杜劍維

（中國艦船研究院，北京 100192）

針對船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)，分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性。給出船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)的機理模型，包括原動機、發(fā)電機、推進電機和四象限負載等。在 PLECS 軟件中建立船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)的仿真模型，實現(xiàn)了系統(tǒng)起動、加速和突然倒車等正常和極端工況的數(shù)字仿真，仿真結(jié)果驗證了本文所進行的數(shù)字仿真研究的正確性，能夠為系統(tǒng)的早期設(shè)計提供仿真工具。

船舶綜合電力系統(tǒng)；中壓直流；仿真

0 引 言

隨著船舶現(xiàn)代化的發(fā)展，船舶綜合電力推進［1］已經(jīng)逐漸成為船舶的主流推進方式。采用中壓直流（Medium Voltage DC， MVDC）配電的船舶綜合電力系統(tǒng)除了具備船舶綜合電力系統(tǒng)本身的優(yōu)點外，還具有能夠提高系統(tǒng)的功率密度、節(jié)省空間、提高系統(tǒng)的效率等潛在的優(yōu)點，因而成為了船舶綜合電力系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢［2–3］。然而，與優(yōu)點相對應(yīng)的是系統(tǒng)復(fù)雜程度和控制難度的大大增加［4］，需要有效的分析和研發(fā)工具從而充分發(fā)揮 MVDC 系統(tǒng)的優(yōu)點。

建模與仿真在設(shè)計研發(fā)階段能夠成為船舶綜合電力系統(tǒng)強有力的設(shè)計和分析工具。商用的數(shù)字仿真軟件提供了豐富的模型庫供用戶使用。文獻［5］利用Matlab 初步實現(xiàn)了全電力推進船舶交流電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真，具有進行穩(wěn)態(tài)、動態(tài)仿真和諧波分析的功能；文獻［6］利用 PSCAD 實現(xiàn)了船舶中壓交流綜合電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真；文獻［7］基于 Simulink 完成了低壓直流電力系統(tǒng)的建模與仿真，利用自主構(gòu)建的模型解決了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，仿真速度慢的缺點；文獻［8］開展了初步的中壓直流綜合電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真，但是其研究的工況較為單一，控制方式較為陳舊。

從以往國內(nèi)外進行的船舶綜合電力系統(tǒng)數(shù)字仿真研究來看，針對交流配電系統(tǒng)的仿真研究較多，也較為成熟；而針對直流配電系統(tǒng)的仿真研究則剛剛開始，針對 MVDC 系統(tǒng)的數(shù)字仿真則更加匱乏，使用的模型、控制方式以及仿真研究的工況都較具有一定的局限性。本文通過開展結(jié)構(gòu)分析、數(shù)學(xué)模型等研究，實現(xiàn)了船舶 MVDC 綜合電力系統(tǒng)的數(shù)字仿真。

1 結(jié)構(gòu)及特性分析

本文研究的船舶 MVDC 綜合電力系統(tǒng)的單線圖如圖 1 所示［9］，包含了系統(tǒng)各個典型的組成部分，由燃氣輪機、轉(zhuǎn)速控制器、同步發(fā)電機、勵磁調(diào)壓器、二極管整流器、整流濾波器、制動電阻、逆變?yōu)V波器、PWM 電壓源逆變器（PWM-VSI）、異步推進電機、船槳負載以及直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)組成。這樣一種構(gòu)成也使得系統(tǒng)的仿真體現(xiàn)出了一定的特性：

1）系統(tǒng)包含了動態(tài)特性差別較大的機械設(shè)備和電力電子變換器，系統(tǒng)的時間常數(shù)范圍從納秒級的電力電子開關(guān)時間常數(shù)到百秒級的船舶運動時間常數(shù)，因此，系統(tǒng)存在剛性的問題。

2）系統(tǒng)各部分之間聯(lián)系緊密，為了使仿真更接近真實系統(tǒng)，必須考慮系統(tǒng)各設(shè)備之間的相互影響，也就是說，系統(tǒng)中的每個設(shè)備都要受到與其連接的設(shè)備的影響［10］，因此，各模型之間的連接必須是雙向的。

3）系統(tǒng)包含正常以及緊急情況下的多種運行工況，為了全面的對系統(tǒng)進行仿真，必須將系統(tǒng)的工況與船槳負載的特性結(jié)合起來。

圖 1 船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Configuration of the shipboard MVDC integrated propulsion system

針對船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)具有上述特性，本文選擇了 PLECS 作為仿真工具［11–13］，采用螺旋槳四象限負載同異步電機 DTC 結(jié)合的方法，實現(xiàn)了全系統(tǒng)正常和緊急情況下多種工況的仿真。

2 系統(tǒng)建模

2.1 發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.1.1 原動機

燃氣輪機及調(diào)速器被作為原動機向同步發(fā)電機提供機械功率，在 MVDC 綜合電力系統(tǒng)中，燃氣輪機受到調(diào)速器的控制帶動同步發(fā)電機始終以一個恒定的速度運行，原動機的動態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)剩余部分的動態(tài)響應(yīng)相互影響，本文采用了簡化的單軸燃氣輪機及其調(diào)速器的標(biāo)幺值模型［14］，其框圖如圖 2 所示。

圖 2 燃氣輪機及調(diào)速器模型結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure of the gas turbine with governor model

2.1.2 同步發(fā)電機-整流器

從圖 1 可知，在系統(tǒng)中，同步發(fā)電機和二極管整流器直接相連，如果采用傳統(tǒng)的 d-q 軸模型，需要使用受控源實現(xiàn) d-q 軸的動態(tài)模型，而受控源不能與二極管等非線性元器件直接相連，需要加入額外的緩沖電路。而 VBR（Voltage-beind-reactance）模型的定子使用阻感支路建模，轉(zhuǎn)子采用狀態(tài)方程建模，采用 VBR模型可以很好避免這一問題［15］。實現(xiàn)定子端直接同二極管整流器連接而不需要額外的緩沖電路，因此實現(xiàn)了在不損失模型精度的情況下仿真模型的簡化，其示意圖如圖 3 所示。

圖 3 同步發(fā)電機 VBR 模型與二極管整流器結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Configuration of the synchronous machine VBR model with diode rectifier

二極管整流器可以采用仿真軟件中提供的開關(guān)模型和平均值模型（AVM），AVM 中［16］使用狀態(tài)方程計算直流母線的電壓

2.1.3 直流電壓控制器

傳統(tǒng)的船舶交流綜合電力系統(tǒng)中，系統(tǒng)的電壓母線為三相交流，通過控制發(fā)電機的勵磁來控制發(fā)電機輸出的三相電壓從而使得交流母線保持穩(wěn)定，在船舶MVDC 綜合電力系統(tǒng)中通過控制勵磁電壓來直接控制直流母線電壓的幅值，直流母線電壓的控制結(jié)構(gòu)如圖 4所示。

圖 4 直流電壓控制器模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 DC voltage regulator-exciter

2.2 推進系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

2.2.1 PWM-VSI

由于同樣為電力電子開關(guān)器件，PWM-VSI 與二極管整理器相似，也可以通過開關(guān)模型和平均值模型兩種方式進行建模，其中開關(guān)模型通常由仿真軟件提供。為建立 PWM-VSI 的平均值模型，假設(shè)所有的開關(guān)都工作在連續(xù)導(dǎo)通的模式，則使用一個連續(xù)的正弦波對 PWM 進行平均［17］

其中，m 為調(diào)制比。相應(yīng)的直流側(cè)電流可以表示為

2.2.2 異步推進電機 DTC 控制系統(tǒng)

通過圖 1 可知，在推進系統(tǒng)，需要實現(xiàn)異步推進電機的轉(zhuǎn)矩控制，通常使用的轉(zhuǎn)矩控制方法主要有恒轉(zhuǎn)差率控制［8］、直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）［18］等。然而恒轉(zhuǎn)差率控制不能實現(xiàn)電機的四象限驅(qū)動，直接轉(zhuǎn)矩控制存在開關(guān)頻率變化、起動和低速性能較差以及不能使用平均值的 PWM-VSI 進行建模等缺點，由于綜合電力系統(tǒng)的異步推進電機和螺旋槳同軸相連，多工況的仿真需要實現(xiàn)四象限的運行，而且為了能夠在 DTC 中使用 PWM-VSI 的平均值模型，本文采用了一種恒開關(guān)頻率的異步推進電機直接轉(zhuǎn)矩控制方法，其原理框圖如圖 5 所示。

其中，異步推進電機的定子磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩由2個PI 控制器進行控制，其輸出為定子磁鏈參考坐標(biāo)系下的定子電壓給定，PWM-VSI 在使用仿真軟件提供的開關(guān)模型時，其輸入為 PWM 脈沖，在使用平均值模型時，其輸入為正弦電壓信號。

2.2.3 船槳負載

船舶綜合電力系統(tǒng)的運行工況與螺旋槳負載的特性具有緊密的聯(lián)系，為了進行多種不同工況的運行，進行四象限螺旋槳的建模。

圖 5 恒開關(guān)頻率 DTC 控制框圖Fig. 5 Diagram of the constant switching DTC

旋槳旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩和推力可分別表示為［19］：

其中，KQ為無量綱的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，ρ為海水密度，kg/m3；n 為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，r/s；D 為螺旋槳的直徑，m。在考慮四象限負載特性的情況下，其可以表示為進速系數(shù) J 的函數(shù)，有

其中，Va為船舶的進速，m/s。和均為螺旋槳對于水的前進角的單值函數(shù)，可表示為：

其中，β 為前進角，為相對于水的速度相量同葉片速度相量之間的夾角，有

前進角 β 的變化描述了船舶綜合電力系統(tǒng)螺旋槳工作的4個象限，從而定義了船舶綜合電力系統(tǒng)運行的不同工況。如表 1 所示。

當(dāng)螺旋槳正轉(zhuǎn)，且船舶前向航行時，系統(tǒng)工作在第一象限，在突然倒車的開始時，螺旋槳迅速反轉(zhuǎn)，而船舶本身的慣性時間常數(shù)比較大，會出現(xiàn)一個緩慢減速的過程，此時，螺旋槳反轉(zhuǎn)，而船舶仍向前航行，則系統(tǒng)工作在第 2 象限，異步推進電機將向MVDC 母線回饋能量。當(dāng)螺旋槳反轉(zhuǎn)，船舶的航速降為 0 時，反轉(zhuǎn)的螺旋槳將推進船舶向后航向，此時異步推進電機又將進入電動狀態(tài)，系統(tǒng)將工作在第三象限。當(dāng)螺旋槳反轉(zhuǎn)并推進船舶向后航行時，突然正轉(zhuǎn)螺旋槳，此時，由于船舶的航速不能突變，系統(tǒng)將工作在第四象限，其情況與第 2 象限類似。船舶綜合電力系統(tǒng)在第一象限和第 3 象限都能穩(wěn)定運行，而第 2象限和第四象限則是2個過渡的工況。

表 1 螺旋槳工況與前進角對應(yīng)的關(guān)系Tab. 1 Propeller operating conditions correspond to β

船舶在靜水中的前向加速運動可以通過牛頓第二定律得到［20］：

其中，Va為船舶的前向運行速度，m/s ；t 為推力減額系數(shù)（無量綱）；Fdrag為船體向后的航行阻力，N；m為船舶的質(zhì)量，kg；ma為受到船舶航行影響的船舶的附加質(zhì)量系數(shù)（無量綱）。由于受到船體和周圍水流的影響，船舶的航速和船舶的前進速度往往并不相等，其關(guān)系可以表示為：

其中，w 為泰勒伴流系數(shù)（無量綱）。

根據(jù)船槳負載模型，本文給出螺旋槳四象限負載和異步推進電機恒開關(guān)頻率 DTC 系統(tǒng)之間的結(jié)合關(guān)系如圖 6 所示。

3 仿真算例

在機理模型的基礎(chǔ)上，在 PLECS 中構(gòu)建仿真算例對系統(tǒng)進行數(shù)字仿真，仿真所使用的參數(shù)如下［21］：

燃氣輪機及其調(diào)速器參數(shù)：Kp= 8，Kt= 3，TVP= 0.5，TFS= 0.2；

圖 6 恒開關(guān)頻率 DTC 控制框圖Fig. 6 Diagram of the constant switching DTC

21 MW三相同步發(fā)電機參數(shù)：Rr= 1.27 mΩ，Rfd= 401 mΩ，Rkd= 4.74 mΩ，Rkq= 5.26 mΩ，Lls= 391 μH，Lmq= 2.51 mH，Lmd= 2.79 mH，Llfd= 227 μH，Llkd= 69.8 μH，Llkq= 157 μH，P = 2，fb= 60 Hz；

直流電壓控制器參數(shù)：τ1= 0.001，Kp= 0.1，Ki= 0.05，Vmax= 150，τ2= 0.02；

19MW 異步推進電機參數(shù)：Rs= 27 mΩ，Rr= 8 mΩ，f = 15 Hz，Lls= 1.5 mH，Llr= 1.7 mH，Lm= 31.7 mH；

螺旋槳及船體參數(shù)：D = 5.5 m，ρ = 1 025 kg/m3，w = 0.2，td= 0.04，m = 1.325×107kg，ma= 1.08。

本算例進行船舶中壓直流綜合電力系統(tǒng)多工況的仿真，仿真的工況既包括系統(tǒng)的起動、加速等正常工況，也包括了系統(tǒng)突然倒車的極端工況，在突然倒車工況中，船舶需要緊急制動并使得船舶的航向從全速前進到向相反的方向航行。由于螺旋槳的反轉(zhuǎn)使得船舶快速停車并反向航行是船舶綜合電力系統(tǒng)承受的最為嚴重的工況之一。

對于船舶 MVDC 綜合電力系統(tǒng)來說，在突然倒車的情況下，采用雙向的推進電機驅(qū)動系統(tǒng)能夠?qū)⒌管嚠a(chǎn)生的能量回饋到直流母線處，由于采用直流電網(wǎng)的形式，這部分能量將在直流母線處進行處理，采用在直流母線處加入制動電阻的方式將回饋的能量以熱能的形式消耗掉。為不使熱量耗散過大，使用控制器對直流側(cè)制動電阻回路的開關(guān)進行控制，將 MVDC 總線的直流電壓控制在 6 kV 以內(nèi)，當(dāng)電壓超過 6 kV 時，控制器開始工作，從而使得母線的電壓不超過 6 kV。在制動電路模型建立完畢之后進行船舶 MVDC 綜合電力系統(tǒng)突然倒車工況的仿真，仿真結(jié)果如圖 7 ～ 圖 10所示。

圖 7 ～ 圖 10 分別給出了船舶 MVDC 綜合電力系統(tǒng)在突然倒車工況下的燃氣輪機輸出機械轉(zhuǎn)矩、同步發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩、燃氣輪機轉(zhuǎn)速、直流母線電壓、直流母線電流、同步發(fā)電機相電壓、異步推進電機電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、相電流、螺旋槳的阻轉(zhuǎn)矩、推力、船舶航行的速度、燃氣輪機輸出的機械功率、直流母線功率、異步推進電機輸出機械功率的仿真結(jié)果曲線。

圖 7 燃氣輪機轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速結(jié)果Fig. 7 Simulation results of the turbine torque， SM EM torque and turbine speed

圖 8 直流母線電壓、電流和發(fā)電機相電流結(jié)果Fig. 8 Simulation results of the MVDC voltage，current and SM phase current

圖 9 推進電機電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和相電流結(jié)果Fig. 9 Simulation results of the IM EM torque， rotational speed and phase current

圖 10 螺旋槳阻轉(zhuǎn)矩、推力和船舶航速結(jié)果Fig. 10 Simulation results of the propeller load torque， thrust and ship speed

從圖 7 ～ 圖 10 的仿真結(jié)果曲線可看出，仿真開始時，首先進行勵磁系統(tǒng)的動態(tài)過程，建立 5 kV 直流母線電壓，在 15 s 時起動推進電機，給定推進電機的電磁轉(zhuǎn)矩 1 MN.m，50 s 后推進電機的電磁轉(zhuǎn)矩達到給定值，此時，異步推進電機的轉(zhuǎn)速開始逐漸趨于穩(wěn)定，系統(tǒng)的其他狀態(tài)也逐漸趨于穩(wěn)定，船舶將以大約 18 kn穩(wěn)定航行；150 s 時，突然將給定電磁轉(zhuǎn)矩在 30 s 內(nèi)從1 MN.m 降至–0.5 MN.m，隨著電磁轉(zhuǎn)矩給定的降低，系統(tǒng)的各個變量開始從原有的水平降低，其中異步推進電機的轉(zhuǎn)速緩慢降低，在異步推進電機的轉(zhuǎn)矩將為0 而其轉(zhuǎn)速為正轉(zhuǎn)這段時間內(nèi)，船舶仍舊保持前向行駛，大約從 170 s ～ 180 s，推進系統(tǒng)進入能量回饋狀態(tài)，在能量回饋狀態(tài)下，直流母線電壓升高，受到制動回路的控制作用而保持在 6 kV，燃氣輪機輸出的轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩、直流母線電流為 0，在能量回饋階段，燃氣輪機的輸出功率和直流母線的功率均為 0，而異步推進電機輸出的機械功率為負值，表明其進入了發(fā)電狀態(tài)；在 180 s 之后，異步推進電機的轉(zhuǎn)速反轉(zhuǎn)，推進系統(tǒng)重新進入電動狀態(tài)，系統(tǒng)的各個變量開始增加，并最終穩(wěn)定，異步推進電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在–6 rad/s，在螺旋槳反轉(zhuǎn)的作用下，船舶緩慢減速，在 290 s 時航速降為 0，開始向后航行。

4 結(jié) 語

本文建立了 MVDC 綜合電力系統(tǒng)的仿真模型，能夠滿足系統(tǒng)仿真的需要。給出了四象限的螺旋槳和船舶運動負載與異步推進電機 DTC 系統(tǒng)結(jié)合的過程，首次實現(xiàn)了船舶 MVDC 綜合電力系統(tǒng)在正常和緊急等多個不同工況下的動態(tài)仿真，仿真結(jié)果表明了所進行的仿真的正確性。本文的工作為今后中壓直流配電船舶綜合電力系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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Research on simulation of shipboard MVDC integrated power system based on PLECS

CHENG Yin-zhong， LI Li-hong， YAN Yang， DU Jian-wei
（China Ship Research and Development Academy， Beijing 100192， China）

Aiming at shipboard medium voltage DCMVDC integrated power system， the structure and characteristic of the system is analyzed in this paper. The mathematical model of the system， including prime-mover， generator， propulsion motor and four-quadrant propeller load is proposed. Then the simulation model of MVDC shipboard integrated power system is established in PLECS simulation software， and the numeric simulation of the normal and emergency operating conditions such as start， speed up and crash back is carried out. The simulation of the normal and emergency conditions for the whole system is then achieved. The simulation results validate the research of the numerical simulation for the shipboard MVDC integrated power system， which can provide simulation tools in the early design stage for the system.

shipboard integrated power system；MVDC；Simulation

TM743

A

1672 – 7619（2016）04 – 0087 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.04.018

2015 – 11 – 23；

2016 – 01 – 15

程垠鐘（1987 – ），男，博士，工程師，主要從事船舶綜合電力系統(tǒng)的建模、仿真、分析等研究工作。