某船電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)研究試驗(yàn)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

喻超 胡義軍 龍飛

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

采用電力推進(jìn)的船舶以其優(yōu)越的性能成為一種趨勢(shì)[1]，但是電力系統(tǒng)的船舶運(yùn)行工況的復(fù)雜性直接影響船舶電源的運(yùn)行，對(duì)控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)提出了苛刻的要求。傳統(tǒng)的電力推進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)大多是直接用硬件設(shè)備構(gòu)造，很難改變和擴(kuò)展。為了實(shí)現(xiàn)按需構(gòu)建電力推進(jìn)系統(tǒng)的試驗(yàn)平臺(tái)，需要搭建采用不同的控制策略及開(kāi)放式的試驗(yàn)平臺(tái)。本文提出一個(gè)在沒(méi)有實(shí)船的電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備的情況下對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成、控制策略和設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入的研究的設(shè)計(jì)思想。利用半實(shí)物仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)可根據(jù)需求構(gòu)造的試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。

某型船是我國(guó)海軍首艘配套了電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦船，首制艦的主要設(shè)備采用進(jìn)口設(shè)備。旨在對(duì)國(guó)外設(shè)備與系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行消化吸收，以實(shí)現(xiàn)該艦電力推進(jìn)設(shè)備研制的國(guó)產(chǎn)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深化研究。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

根據(jù)某型船電力推進(jìn)系統(tǒng)試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)和需求，需要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1) 構(gòu)造開(kāi)放的電力推進(jìn)系統(tǒng)：根據(jù)需要構(gòu)造不同的電力推進(jìn)系統(tǒng)。

2) 通過(guò)仿真系統(tǒng)對(duì)負(fù)載參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：在試驗(yàn)環(huán)境內(nèi)部根據(jù)用戶需要配置各種負(fù)載參數(shù)。仿真系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載參數(shù)自動(dòng)生成負(fù)載曲線。

3) 提供可視化用戶接口：為了提高系統(tǒng)的易用性，用戶可在圖形界面下方便地進(jìn)行半實(shí)物仿真系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)狀態(tài)查詢等操作。

1.2 功能要求

基于某型船的電力推進(jìn)系統(tǒng)研究試驗(yàn)平臺(tái)是以該船主要設(shè)備參數(shù)為原型，但可進(jìn)行擴(kuò)展的電力推進(jìn)技術(shù)研究的環(huán)境，可通過(guò)主回路的組合方式不同實(shí)現(xiàn)以下工況試驗(yàn)：

1) 電站試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)在其原動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下模擬船舶電站，在阻抗負(fù)載和推進(jìn)負(fù)載的配合下可模擬電站的單機(jī)試驗(yàn)、并聯(lián)試驗(yàn)等，以研究電站的穩(wěn)定性。

2) 基于共直流母線推進(jìn)負(fù)載的推進(jìn)試驗(yàn)

系統(tǒng)由船舶電站供電，兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)對(duì)拖，其中一臺(tái)作為原動(dòng)機(jī)，另一臺(tái)作為負(fù)載，負(fù)載電機(jī)產(chǎn)生的能量回饋至直流母線，模擬各種推進(jìn)工況。該試驗(yàn)可以研究常見(jiàn)的測(cè)試臺(tái)拖動(dòng)系統(tǒng)的特性。

3) 基于四象限回饋推進(jìn)負(fù)載的推進(jìn)試驗(yàn)

系統(tǒng)由船舶電站供電，模擬電力推進(jìn)系統(tǒng)的兩個(gè)推進(jìn)軸；AFE變頻器支路作為推進(jìn)電機(jī)的負(fù)載，負(fù)載產(chǎn)能的能量回饋至大電網(wǎng)，可模擬各種推進(jìn)工況。該試驗(yàn)可以研究AFE變頻器的控制特性和回饋特性。

2 方案設(shè)計(jì)

基于某型船電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能要求來(lái)構(gòu)造本電力推進(jìn)系統(tǒng)研究試驗(yàn)平臺(tái)，如圖1所示，由電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備如變頻器、變壓器和電機(jī)等，結(jié)合實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和仿真功能的裝載了軟件的監(jiān)控臺(tái)組成。該電力推進(jìn)系統(tǒng)研究試驗(yàn)平臺(tái)可通過(guò)實(shí)物和仿真系統(tǒng)，對(duì)負(fù)載參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)搭載不同的組合方式，對(duì)各種全電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成及控制策略進(jìn)行對(duì)比，選擇適合于要求的最佳系統(tǒng)組成及控制策略[2]。

2.1 系統(tǒng)硬件組成

設(shè)置有主回路、操控臺(tái)、仿真臺(tái)和駕控臺(tái)。主回路包括了模擬電站、配電、變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)及其負(fù)載、阻抗負(fù)載和濾波器等，用來(lái)模擬綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中的發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和推進(jìn)負(fù)載?？赏ㄟ^(guò)不同組合方式實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)工況試驗(yàn)，可完成AFE回能、共直流母線對(duì)拖功能等。

操控臺(tái)模擬綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)，主要用于控制系統(tǒng)的電站、配電屏、變頻器、電動(dòng)機(jī)，完成電力推進(jìn)系統(tǒng)的工況模擬、故障模擬、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視及在線故障診斷與報(bào)警等功能。

圖1 電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)研究試驗(yàn)平臺(tái)

仿真臺(tái)可實(shí)現(xiàn)實(shí)船工況和特性仿真，包括螺旋槳負(fù)載特性、螺旋槳出水特性、系統(tǒng)緊急停車特性以及螺旋槳的反轉(zhuǎn)特性等，同時(shí)提供信息設(shè)置及顯示，能在此平臺(tái)上開(kāi)展仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。

駕控臺(tái)模擬綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中的駕駛操作，完成電力推進(jìn)系統(tǒng)的操車等功能。

主回路、操控臺(tái)、駕控臺(tái)和仿真臺(tái)配合，可以對(duì)構(gòu)建的縮比例綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)操控臺(tái)和仿真臺(tái)對(duì)該試驗(yàn)平臺(tái)主回路進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)造、系統(tǒng)工況監(jiān)視、系統(tǒng)保護(hù)等操作，在不同構(gòu)造的主回路系統(tǒng)上進(jìn)行各種工況試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、系統(tǒng)保護(hù)試驗(yàn)、控制策略摸索試驗(yàn)等分析研究。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)組成

本試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控由兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，上層是實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)處理的管理網(wǎng)絡(luò)，下層是實(shí)行性要求高的控制網(wǎng)絡(luò)[3]。上層管理網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)，連接系統(tǒng)仿真臺(tái)和系統(tǒng)操控臺(tái)的IPC、PLC、仿真系統(tǒng)等。下層控制網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線方式，按照不同功能分區(qū)，分別連接各變頻器、控制器、PPU等設(shè)備[4]。配置如圖2所示。

圖2 電力推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)研究試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控網(wǎng)

操控臺(tái)設(shè)置有 IPC、PLC，模擬綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)，提供各種信息設(shè)置及顯示，完成電力推進(jìn)系統(tǒng)的工況模擬、故障模擬、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視及在線故障診斷與報(bào)警等功能。

仿真臺(tái)設(shè)置有 IPC、PLC、仿真系統(tǒng)，可根據(jù)系統(tǒng)的各種工況仿真模擬實(shí)船的螺旋槳負(fù)載特性，并提供各種仿真信息設(shè)置及顯示。

并車屏設(shè)置有一套S7-300，發(fā)電機(jī)控制屏設(shè)有發(fā)電機(jī)多功能保護(hù)裝置PPU，可監(jiān)視發(fā)電機(jī)運(yùn)行的運(yùn)行參數(shù)。通過(guò)PROFIBUS接收操控臺(tái)指令，控制模擬電站的變頻器機(jī)組以及相應(yīng)的供電開(kāi)關(guān)和主開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)模擬電站的PMS管理。

模擬電站屏安裝ABB變頻器，接收PMS控制器的指令，完成機(jī)組的啟/停、調(diào)速等，機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，PPU自動(dòng)給變頻器調(diào)速信號(hào)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行調(diào)頻調(diào)載。

負(fù)載控制屏安裝有施耐德 PLC一套，通過(guò)PROFIBUS接收操控臺(tái)指令，完成對(duì)各種負(fù)載的主開(kāi)關(guān)控制。

2.3 仿真

仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)各種工況仿真模擬實(shí)船的螺旋槳負(fù)載特性、螺旋槳出水特性、系統(tǒng)緊急停車特性、螺旋槳的反轉(zhuǎn)及堵轉(zhuǎn)特性及模擬柴油機(jī)特性等。并提供各種仿真信息設(shè)置及顯示。

其核心為螺旋槳模擬控制器，包括數(shù)據(jù)采集和模擬仿真系統(tǒng)，通過(guò)模型計(jì)算的輸出對(duì)模擬負(fù)載進(jìn)行控制，模擬螺旋槳運(yùn)行特性。螺旋槳特性子系統(tǒng)主要是為推進(jìn)電機(jī)提供一個(gè)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)負(fù)載特性－船機(jī)槳?jiǎng)討B(tài)特性，由于船槳數(shù)學(xué)模型具有復(fù)雜性，并對(duì)仿真實(shí)時(shí)性，逼真度都有較高的要求，故需要一個(gè)能高速運(yùn)算處理的新型仿真平臺(tái)。通過(guò)模擬螺旋槳各種工況，實(shí)時(shí)仿真結(jié)果證明可利用該平臺(tái)深入研究能量管理策略。

仿真系統(tǒng)的目的是通過(guò)模擬實(shí)船在各種工況下運(yùn)行，以檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反應(yīng)性、穩(wěn)定性、安全性，為將試驗(yàn)室小比例平臺(tái)延伸到實(shí)際的大系統(tǒng)積累經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件采用 NI公司的 PXIe系列產(chǎn)品，構(gòu)建一個(gè)完整的仿真測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試參數(shù)包括：電壓、電流、轉(zhuǎn)速、扭矩及其他頻率量等。在實(shí)時(shí)平臺(tái)下完成確實(shí)的仿真運(yùn)算及控制，系統(tǒng)能夠保證仿真循環(huán)的時(shí)間確定性及可靠性。數(shù)據(jù)后處理要求可以進(jìn)行諧波分析并自動(dòng)生成報(bào)表與圖表等。

仿真系統(tǒng)的仿真基于 MATLAB 及LABVIEW 軟件進(jìn)行編程，其界面采用SIMULINK的模塊方式。這是國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)通常采用的方式[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

電力推進(jìn)系統(tǒng)研究試驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)開(kāi)放性的研究試驗(yàn)平臺(tái)。按照技術(shù)要求和功能需求對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行主回路及控制、仿真設(shè)計(jì)。其包括了主回路及控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，PLC軟件、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和仿真軟件設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)支持按需構(gòu)造的電力推進(jìn)系統(tǒng)研究試驗(yàn)平臺(tái)。以某型船為基礎(chǔ)利用了近些年興起的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及仿真技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)一個(gè)在沒(méi)有實(shí)船的情況下進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)平臺(tái)提供了一條新的思路。

[1]姚清榮. 艦船用綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng). 船舶工程研究, 2001, (2)： 15～21.

[2]羅耀華, 葉瑰昀, 劉勇. 艦船全電力推進(jìn)系統(tǒng)模擬研究. 船舶工程, 2002(4)： 9-12.

[3]洪敏, 王孟蓮. 某型試驗(yàn)船綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)之監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì). 船電技術(shù), 2003, (8)： 8-10.

[4]唐清揚(yáng). 現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS技術(shù)及總線橋產(chǎn)品.電氣時(shí)代, 2001.

[5]宋世全. 應(yīng)用 Matlab進(jìn)行船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真.實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2008, 27(12)： 168-172.