汪 敏，歐陽松，楊俊飛

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基于RT-LAB的電力推進(jìn)船舶半物理仿真研究

汪 敏，歐陽松，楊俊飛

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電推船舶的研究常采用小比例模型的方式?？紤]到場地和經(jīng)費(fèi)的因素，仿真技術(shù)也被應(yīng)用于電推船舶的研究，但是數(shù)字仿真存在置信度不足的缺點(diǎn)。本文以實(shí)時(shí)仿真機(jī)RT-LAB為基礎(chǔ)，將受場地經(jīng)費(fèi)限制的設(shè)備以模型的形式在仿真機(jī)中運(yùn)行，與實(shí)物一起搭建電推船半物理仿真平臺(tái)。既可以克服數(shù)字仿真置信度不足的缺點(diǎn)，同時(shí)也便于進(jìn)行工況的修改。

電力推進(jìn)船舶 半物理仿真 RT-LAB

0 引言

20世紀(jì) 80年代以來，電力電子技術(shù)的發(fā)展和調(diào)速變換器技術(shù)的進(jìn)步，為電力推進(jìn)船舶的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世界90年代以后，電力推進(jìn)船舶在艦船領(lǐng)域開始得到迅速的發(fā)展。電力推進(jìn)已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。

大功率用電設(shè)備的使用，使傳統(tǒng)意義上的以電站監(jiān)控為主的船舶電力系統(tǒng)無法滿足需求。船舶綜合電力系統(tǒng)的概念由美國人在1994年提出，全船電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)均有統(tǒng)一的中央系統(tǒng)控制，便于系列化和模塊化，從統(tǒng)籌全船能量的角度真正意義上實(shí)現(xiàn)了電力和推進(jìn)兩大系統(tǒng)的融合。電推船正在向著網(wǎng)絡(luò)化，信息化，智能化的方向發(fā)展[1]。

1 半物理仿真

考慮到經(jīng)費(fèi)和場地限制，仿真技術(shù)被應(yīng)用到電力推進(jìn)船舶的研究中來。采用建模與仿真的方法，結(jié)合試驗(yàn)，對系統(tǒng)進(jìn)行模擬。對修改設(shè)計(jì)，完善方案有很大幫助。尤其是一些設(shè)備因?yàn)閮r(jià)格昂貴，在控制機(jī)理不清楚的情況下，不宜貿(mào)然采用實(shí)物實(shí)驗(yàn)。

盡管仿真技術(shù)有著諸多的優(yōu)越性，但是傳統(tǒng)的數(shù)字仿真仍然存在不足。仿真是以相似理論為基礎(chǔ)，通過對真實(shí)和虛擬的事物進(jìn)行分析并進(jìn)行模型構(gòu)造。所以仿真系統(tǒng)并不能完全模擬真實(shí)的事物本身，并非絕對可信。仿真系統(tǒng)有多大的可信度，結(jié)果是否可用，與仿真過程中的一系列實(shí)施步驟密切相關(guān)[2,3]。

為了克服傳統(tǒng)的數(shù)字仿真的不足，近年來，半物理仿真開始在研究和開發(fā)中大量采用，在很大程度上，克服了數(shù)字仿真置信度低，實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。

進(jìn)行半物理仿真，需要配備專門的實(shí)時(shí)仿真機(jī)。目前市場上主流的實(shí)時(shí)仿真機(jī)有加拿大的RT-LAB、日本的A&D、德國的dSPACE以及我國自行研制的HILworks平臺(tái)。

2 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真機(jī)

RT-LAB實(shí)時(shí)仿真機(jī)是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一款新型的基于模型的應(yīng)用平臺(tái)，主要用作工程設(shè)計(jì)與測試。應(yīng)用RT-LAB仿真機(jī)，工程師可以在一個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)，既可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)模型（RCP），又可以支持硬件在回路模式（HILS）。

用戶可以根據(jù)需要將系統(tǒng)的模型分割成若干個(gè)子系統(tǒng)，并分布到X86的目標(biāo)機(jī)網(wǎng)絡(luò)中并行運(yùn)算。另外，它還具備靈活的模塊化的設(shè)計(jì)能力。

3 半物理仿真平臺(tái)的構(gòu)建

以RT-LAB為實(shí)時(shí)仿真機(jī)，搭建一個(gè)完整的小比例電推船舶電力系統(tǒng)平臺(tái)。完整的平臺(tái)包含的主要設(shè)備有：柴油機(jī)，調(diào)速器，同步發(fā)電機(jī)，配電板，能量管理系統(tǒng)，變壓器，變頻器，推進(jìn)電機(jī)，模擬螺旋槳海況的負(fù)載電機(jī)，操控系統(tǒng)等。見圖1。

柴油機(jī)，調(diào)速器，同步發(fā)電機(jī)，配電板，變壓器設(shè)備昂貴，且占據(jù)空間較大，可以采取模型的形式，在仿真機(jī)RT-LAB中運(yùn)行。

整個(gè)半物理仿真平臺(tái)分為三個(gè)部分：仿真機(jī)、負(fù)載及基礎(chǔ)控制。

1）仿真機(jī)，主要模擬柴油機(jī)，調(diào)速器，同步發(fā)電機(jī)，配電板，變壓器環(huán)節(jié)。以及部分控制算法的執(zhí)行。

2）負(fù)載，由兩臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)兩臺(tái)異步電機(jī)，一臺(tái)作為推進(jìn)電機(jī)，模擬螺旋槳。另一臺(tái)作為負(fù)載電機(jī)，模擬海況負(fù)載。兩臺(tái)電機(jī)以聯(lián)軸的形式對接。變頻器選用西門子SINAMIC S120 系列。

3）基礎(chǔ)控制，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制， 此外還具有PMS功能。PLC選用西門子S7-300系列。上位機(jī)選用西門子WinCC軟件[4]。

更理想的架構(gòu)還可以包括一個(gè)虛擬的左舷和實(shí)際存在的右舷，主模型及算法在主仿真機(jī)中運(yùn)行，虛擬左舷在分布式仿真機(jī)中運(yùn)行，實(shí)際右舷由兩臺(tái)對拖的變頻電機(jī)進(jìn)行實(shí)物仿真。如果模型搭建合理，左右舷的仿真曲線應(yīng)該吻合。如圖2。

圖1電推船舶電力系統(tǒng)平臺(tái)

圖2 半物理仿真平臺(tái)

4 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

4.1柴油機(jī)與調(diào)速器完整模型

柴油機(jī)，調(diào)速器與執(zhí)行器的完整模型可以由這三者的模型串聯(lián)后進(jìn)行簡化。其中比較常用的一種簡化后的建模方法分別是采用二階環(huán)節(jié)進(jìn)行組合建模，得出前向通路的傳遞函數(shù)為：

式中：為控制器放大系數(shù)。9為放大器時(shí)間常數(shù)。10為二階環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。為發(fā)電機(jī)組延遲時(shí)間。11、12、13為柴油機(jī)及其執(zhí)行器的時(shí)間常數(shù)。

4.2同步發(fā)電機(jī)模型

同步發(fā)電機(jī)的模型有穩(wěn)態(tài)模型，瞬態(tài)模型以及次瞬態(tài)模型。

同步電機(jī)的穩(wěn)態(tài)模型，可以用一個(gè)內(nèi)部等效的電壓源，一個(gè)等效電阻和一個(gè)等效電抗來描述。如果將凸極電機(jī)的等效阻尼繞組考慮在內(nèi)，該繞組等效阻尼時(shí)間常數(shù)較大，則可以得到同步電機(jī)的瞬態(tài)模型。在瞬態(tài)模型的基礎(chǔ)上，如果再將凸極電機(jī)時(shí)間常數(shù)較小的等值阻尼繞組的特性考慮在內(nèi)，會(huì)得到同步電機(jī)的次瞬態(tài)模型。

不同精度要求的系統(tǒng)，采取不同形式的模型。當(dāng)模型階次提高，仿真的精度也會(huì)提高，但是計(jì)算量會(huì)隨之而增加，進(jìn)行仿真時(shí)整體時(shí)間會(huì)加長，系統(tǒng)運(yùn)算速度會(huì)下降。

4.3勵(lì)磁系統(tǒng)模型

勵(lì)磁系統(tǒng)前向通路傳遞函數(shù)為：

其反饋單元為：

其中，k為主調(diào)節(jié)器放大倍數(shù)；t為主調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù)；t為超前補(bǔ)償時(shí)間常數(shù)；t為滯后補(bǔ)償?shù)臅r(shí)間常數(shù)；k為反饋?zhàn)枘岘h(huán)節(jié)的放大系數(shù)；t為阻尼反饋環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)。

4.4螺旋槳數(shù)學(xué)模型

螺旋槳的數(shù)學(xué)模型需要將伴流系數(shù)、推力減額系數(shù)、阻力、螺旋槳推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、進(jìn)速比考慮在內(nèi)。其中伴流系數(shù)、推力減額系數(shù)需要符合一個(gè)數(shù)值連續(xù)的分段函數(shù)，避免仿真中發(fā)生跳變。

動(dòng)態(tài)時(shí)，進(jìn)速比的范圍變化很大，為了克服這個(gè)困難，對進(jìn)速比的值，需要用Chebyshev多項(xiàng)式擬合。從而得出螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩。

船槳的數(shù)學(xué)模型，需要先按照實(shí)船的參數(shù)推算出螺旋槳的扭矩T，隨后將其進(jìn)行折算，由折算結(jié)果得出半實(shí)物仿真系統(tǒng)中負(fù)載電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩T。

計(jì)算在仿真機(jī)中是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。輸入量為船速和螺旋槳的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過模型計(jì)算后，輸出量為負(fù)載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。船速可以由船槳數(shù)學(xué)模型求得，故船槳模型的輸入量僅有螺旋槳轉(zhuǎn)速。

螺旋槳的總模型如圖3[5]。

4.5電力系統(tǒng)模型

選用三臺(tái)發(fā)電機(jī)組成電站模型。RT-LAB中還應(yīng)運(yùn)行功率限制模型和脫扣檢測模型。

因?yàn)镸atlab中無滑動(dòng)變阻器，而使用電機(jī)模型做負(fù)載，在起動(dòng)時(shí)對發(fā)電機(jī)模型沖擊過大，系統(tǒng)容易報(bào)錯(cuò)。為實(shí)現(xiàn)模型中的可調(diào)負(fù)載，在仿真時(shí)，發(fā)電機(jī)的負(fù)載使用直流斬波的方式完成。

為保證功率限制在恢復(fù)時(shí)轉(zhuǎn)矩及功率不出現(xiàn)過沖，推出快速功率限制時(shí)，應(yīng)該增加一個(gè)斜坡函數(shù)，對過沖進(jìn)行抑制。

主推以外的負(fù)載，可以在RT-LAB中定義一個(gè)函數(shù)。該函數(shù)值與從PLC傳輸過來的推進(jìn)電機(jī)實(shí)際功率相加，作為系統(tǒng)總負(fù)荷。

RT-LAB軟件中，模型被劃分為SM與SC兩部分。模型在SM中運(yùn)行，操作和監(jiān)控在SC中進(jìn)行。SC與SM間由專用塊連接。

封裝完畢后的RT-LAB模型結(jié)構(gòu)如圖4。

圖4 RT-LAB模型結(jié)構(gòu)

5 半物理仿真驗(yàn)證

5.1柴油機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)空載啟動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定后，6 s時(shí)給發(fā)電機(jī)突加1.35 MW，功率因數(shù)為0.8的阻感負(fù)載。在14 s時(shí)再突加同樣的負(fù)載，通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從上至下依次為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)端電壓、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化率。

5.2功率限制時(shí)柴油機(jī)試驗(yàn)

以大負(fù)載轉(zhuǎn)移的方式，模擬異常脫扣。發(fā)電機(jī)運(yùn)行在60%負(fù)載下，突增60%負(fù)載。圖6中，從上至下依次為柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)端電壓以及柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化率。當(dāng)大負(fù)載突增后，因功率限制投用，迅速將其降到額定負(fù)載的20%。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)端電壓能夠保持穩(wěn)定。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速變化率出現(xiàn)較大跌落，但是迅速被糾回。

圖5 起動(dòng)試驗(yàn)機(jī)組波形

圖6 功率限制試驗(yàn)機(jī)組波形

5.3功率限制恢復(fù)試驗(yàn)

圖7，圖8分別為快速功率限制恢復(fù)時(shí)，有無斜坡時(shí)，推進(jìn)變頻器功率的波形對比。由圖可見，沒有斜坡時(shí)，功率恢復(fù)會(huì)出現(xiàn)較大的過沖。增加斜坡后，過沖得到明顯的改善。

5.4快速功率限制試驗(yàn)

圖9為快速功率限制時(shí)，推進(jìn)變頻器的轉(zhuǎn)矩波形。當(dāng)檢測到開關(guān)的異常脫扣后，變頻器在60 ms的時(shí)間內(nèi)通過限制轉(zhuǎn)矩完成功率的限制。

圖8 有斜坡退出功率限制變頻器波形

圖9 快速功率限制變頻器波形

6 結(jié)束語

基于實(shí)時(shí)仿真機(jī)RT-ALB可以搭建半物理仿真平臺(tái)進(jìn)行船舶電力系統(tǒng)的研究。其優(yōu)勢在于兼有數(shù)字仿真的靈活性與物理仿真的實(shí)時(shí)性。以此為基礎(chǔ)，可以擴(kuò)展為分布式仿真平臺(tái)，對電力推進(jìn)船舶進(jìn)行更深入的研究。

[1] 徐水法, 韓琦, 杜軍. 船舶能量管理系統(tǒng)PMS研究[J]. 中國航海, 2005, (3): 78-86.

[2] Parker D.S,Hodge C.G.Electrical Marines and Drives[C]. The Electrical Warship, Proceedings of the 8th International Symposium IEEE, 1997: 5-13.

[3] 羅成漢. 船舶電力推進(jìn)模擬平臺(tái)的研究[D]. 武漢:武漢理工大學(xué), 2013.

[4] 羅成漢, 陳輝. 船舶能量管理系統(tǒng)PMS對策[J]. 中國航海, 2007, (4): 87-91.

[5] 高海波. 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的建模與仿真[D]. 武漢: 武漢理工大學(xué), 2008.

RT-LAB –based Semi-physical Simulation of an Electric Propulsion Ship

Wang Min, Ouyang Song, Yang Junfei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Small scaled model is often used in the research of electric propulsion ship. At the same time, simulation is also used in the research taking sites and funds into consideration. It has the defect because of the lack of confidence level in simulation. Based on the real-time simulation machine RT-LAB, the equipment which is restricted by sites and funds can be running in RT-LAB as models. Semi-simulation platform consists of RT-LAB and other substantial equipments. By this way, the confidence level can be improved and the working condition can be also modified freely.

electric propulsion ship; semi-physical simulation; RT-LAB

TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0077-04

2015-12-23

汪敏（1984-），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。