基于MATLAB/Simulink的艦船電力推進(jìn)四象限負(fù)載模擬系統(tǒng)的仿真研究

劉 鵬

（中國船舶重工集團(tuán)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(jìn)是世界船舶動(dòng)力的發(fā)展趨勢之一，是現(xiàn)今各國船舶研究的熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)中，一般都是使用水力測功機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)的測試負(fù)載。試驗(yàn)時(shí)，推進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)軸與水力測功機(jī)連接，帶動(dòng)水力測功機(jī)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能被水力測功機(jī)吸收。這種電力推進(jìn)系統(tǒng)測試方法雖然具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、控制容易的優(yōu)點(diǎn)，但是試驗(yàn)產(chǎn)生的能量被白白浪費(fèi)，能量利用率很低，特別是容量較大的推進(jìn)系統(tǒng)，能量浪費(fèi)更加嚴(yán)重。水力測功機(jī)最為突出的缺點(diǎn)是其無法模擬完整的艦船螺旋槳曲線特性，使得推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難接近實(shí)船參數(shù)。

本文研究的是四象限負(fù)載模擬系統(tǒng)，這一負(fù)載系統(tǒng)不僅能夠模擬實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的電動(dòng)及其發(fā)電狀態(tài)的四象限運(yùn)行，為電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)提供先進(jìn)的模擬負(fù)載，而且可以將被試推進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋到電網(wǎng)中，使得試驗(yàn)?zāi)芰坷寐曙@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(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了四象限模擬負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

2 艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)原理

試驗(yàn)原理如圖1所示。試驗(yàn)設(shè)備包括四象限負(fù)載系統(tǒng)，電力變壓器、傳動(dòng)軸、扭矩傳感器以及試驗(yàn)所需的其他輔助電源等。四象限負(fù)載系統(tǒng)主要由負(fù)載變頻電機(jī)、負(fù)載變頻器及其控制單元組成。被試電力推進(jìn)系統(tǒng)包括被試推進(jìn)電機(jī)及其變頻器。被試電力推進(jìn)系統(tǒng)與試驗(yàn)室設(shè)備連接后進(jìn)行測試試驗(yàn)研究。被試推進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)軸與負(fù)載變頻電機(jī)相連，中間的扭矩傳感器用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。整個(gè)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(yàn)所需的電壓等級(jí)。

四象限負(fù)載系統(tǒng)的負(fù)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(jī)控制的軟硬件結(jié)構(gòu)?？刂茊卧捎梦⑻幚砥骺刂萍夹g(shù)，通過對變頻電機(jī)的控制，使得變頻電機(jī)工作在預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性四象限曲線上，達(dá)到對推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行模擬加載的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

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(shí)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(dòng)[1]?？刂撇呗匀鐖D2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(jìn)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(biāo)變換為id、iq。坐標(biāo)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(shí)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(jìn)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(guān)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(gòu)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(guān)管的觸發(fā)脈沖，直接轉(zhuǎn)矩控制避免了復(fù)雜的坐標(biāo)變換，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈的直接控制。控制策略框圖如圖3所示，對電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定子磁鏈與相應(yīng)給定值比較得到偏差，其中電機(jī)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(jì)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(jìn)四象限負(fù)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(jī)額定功率3 MW，額定電壓690 V，額定轉(zhuǎn)速150 rpm。設(shè)定直流單元直流給定值為1000 V，電機(jī)給定轉(zhuǎn)速為150 rpm，電機(jī)加速率為 180 rpm，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩為0，在1 s時(shí)施加80 kN·m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在1.5 s時(shí)施加-80KN.m的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

圖3 逆變器控制策略框圖

圖4 四象限負(fù)載模擬系統(tǒng)仿真模型

電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。電機(jī)0 s開始啟動(dòng)，在0.85 s時(shí)啟動(dòng)完畢，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。在1 s和1.5 s分別施加與電機(jī)轉(zhuǎn)速反向以及同向的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其中1 s到1.5 s，電機(jī)帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)；1.5 s到2 s，負(fù)載拖動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。

圖7為系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)整流輸出直流電壓波形。直流電壓經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)節(jié)后達(dá)到穩(wěn)定，并能準(zhǔn)確地跟蹤指定電壓1000 V，具有很好的動(dòng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

在1.5 s時(shí)，電機(jī)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(shí)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(jī)的發(fā)電產(chǎn)生的電能回饋到了電網(wǎng)中[4]。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真圖

圖6 電機(jī)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(shí)直流電壓波形圖

圖10 有源逆變時(shí)輸入相電壓和電流波形圖

4 結(jié)束語

在對四象限模擬負(fù)載系統(tǒng)的工作原理、控制策略研究的基礎(chǔ)上，使用 MATLAB/Simulink軟件建立了艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)四象限負(fù)載模擬系統(tǒng)的仿真模型。仿真波形表明整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能的雙向流動(dòng)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和有效性。

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[3] 丁榮軍.黃濟(jì)榮. 現(xiàn)代變流傳動(dòng)技術(shù)與電氣傳動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

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