基于直流電網(wǎng)的船舶電站分區(qū)間目標控制策略研究

賈志強 ，華　斌 ，解錦輝（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

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基于直流電網(wǎng)的船舶電站分區(qū)間目標控制策略研究

賈志強 ，華斌 ，解錦輝
（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

摘要：提出了一種基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)高效率運行的控制策略，即分區(qū)間目標控制策略。引入功率滯環(huán)來確?？刂葡到y(tǒng)輸出穩(wěn)定。并在MATLAB/Simulink中對該系統(tǒng)進行了仿真實現(xiàn)。仿真驗證了該控制策略的可行性。與傳統(tǒng)采用交流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)相比油耗明顯降低，效率顯著提高。

關鍵詞：直流電網(wǎng)船舶電力系統(tǒng)變速發(fā)電分區(qū)間目標控制策略柴油發(fā)電機組

0　引言

本文搭建了基于直流電網(wǎng)的船舶電站的系統(tǒng)級仿真模型。同步發(fā)電機發(fā)出的三相交流電經(jīng)不控整流環(huán)節(jié)接入直流母線，直流電經(jīng)逆變后供三相交流負載使用?？刂葡到y(tǒng)由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、勵磁調(diào)節(jié)器和綜合控制器組成，在分析了柴油機油耗曲線的特征以及最大功率曲線和等功率線的基礎上，提出并在綜合控制器中加入了分區(qū)間目標控制策略，以降低系統(tǒng)油耗，提高系統(tǒng)效率。

1　轉(zhuǎn)速與勵磁調(diào)節(jié)器

變速柴油發(fā)電機組的控制主要由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器控制轉(zhuǎn)速、勵磁調(diào)節(jié)器控制發(fā)電機電壓、綜合控制器作為上位機根據(jù)負載情況調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制器的給定，實現(xiàn)發(fā)電機的高效恒壓變速發(fā)電。

1.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

柴油機調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1　柴淮機調(diào)速系統(tǒng)框圖

參照MATLAB提供的柴油發(fā)電機模型，搭建出一種簡化的柴油機調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。其中，K是控制器的放大系數(shù)，T1是控制器的時間常數(shù)，T2是二階環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。是柴油機組與執(zhí)行器的時間常數(shù)[5]。柴油機在工作過程中，由于燃燒環(huán)節(jié)的噴油發(fā)火延遲，以及熱力環(huán)節(jié)燃氣的熱慣性等因素的影響，因而柴油機是一個有較大延遲的系統(tǒng)，Td是柴油發(fā)電機組的延時時間。轉(zhuǎn)速信號經(jīng)積分限幅環(huán)節(jié)作用于油門齒條調(diào)節(jié)油門大小，進而轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩信號，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速相乘即得柴油機的機械功率，作為柴油機與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出，為發(fā)電機組提供原動力。

圖2　柴淮機與調(diào)速系統(tǒng)模型

1.2 勵磁調(diào)節(jié)器

勵磁調(diào)節(jié)器對維持發(fā)電機端電壓的穩(wěn)定性，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及改善電力系統(tǒng)的運行條件有非常重要的作用[6]。本文中采用的無刷勵磁同步發(fā)電機調(diào)壓系統(tǒng)，取消了碳刷和滑環(huán)，不會產(chǎn)生火花；沒有碳粉的污染，能提高系統(tǒng)絕緣的壽命；此外，維護保養(yǎng)也很簡單。該勵磁調(diào)節(jié)器模型主要由電壓差模型、補償器、放大器、比例飽和環(huán)節(jié)、交流勵磁機及反饋環(huán)節(jié)幾部分組成。

1.2.1 電壓差模型

其中，Ur為發(fā)電機正序電壓，Ud為發(fā)電機d軸電樞端電壓，Uq為發(fā)電機q軸電樞端電壓，Tr為低通濾波器時間常數(shù)。U△為電壓差，Uref為勵磁調(diào)節(jié)器給定參考電壓，Uf0為勵磁電壓初始值，為勵磁機有效增益， Ustab為接地零電壓，Uff為反饋環(huán)節(jié)輸出電壓。

1.2.2 補償器模型

1.2.3 放大器模型

1.2.4 比例飽和環(huán)節(jié)

1.2.5 交流勵磁機模型

交流勵磁機簡化的數(shù)學模型可以用一階慣性環(huán)節(jié)來表示，其輸出的勵磁電壓為

其中Te為勵磁機的時間常數(shù)，Ke為勵磁機的增益常數(shù)。

1.2.6 反饋環(huán)節(jié)

2　綜合控制器

根據(jù)柴油機的油耗特性曲線（圖3）可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，在最大轉(zhuǎn)矩以內(nèi)轉(zhuǎn)矩越大，則油耗越低。而相同負載下，高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速的情況下運行，要比高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的情況下運行的油耗要低。因此本控制策略想要實現(xiàn)的狀態(tài)即是系統(tǒng)根據(jù)實時負載的情況，調(diào)節(jié)原動機的轉(zhuǎn)速，使系統(tǒng)工作在油耗比較低的狀態(tài)下，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

圖3　柴淮機淮耗曲線

為了方便控制策略的實現(xiàn)，首先需要將柴油機的等油耗曲線以及等功率曲線進行分段線性擬合，然后根據(jù)柴油機實時的負載狀況，在等功率曲線上選取油耗較低的點，將該點的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩作為調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的目標點。然而工程實際應用時，實時負載并不會是一成不變的，而有可能是不斷變化的，若是控制器的給定隨負載不斷改變，則有可能會引起系統(tǒng)的振蕩，難以穩(wěn)定，這對系統(tǒng)的可靠運行十分不利。基于此提出了分區(qū)間目標控制策略，即根據(jù)各負載率下最佳轉(zhuǎn)速的實際情況，將負載率分成若干個區(qū)間，每一段區(qū)間有一個確定的目標轉(zhuǎn)速，當負載程度在某段區(qū)間內(nèi)變化時，目標轉(zhuǎn)速并不變化，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

此外，程序上在每一段區(qū)間的功率分界點處設置滯環(huán)，這樣能夠保證當負載功率在區(qū)間分界點附近變化時系統(tǒng)控制的目標點明確，系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

仿真中對該部分進行實現(xiàn)的具體方法是，在各個等油耗曲線上選取若干個點進行最小二乘擬合。隨后，根據(jù)油耗曲線的特點，以及等油耗曲線跟等功率線的走勢，將負載功率分為若干個區(qū)間，每個區(qū)間根據(jù)油耗曲線的走勢選定一個目標轉(zhuǎn)速作為調(diào)速器在該負載區(qū)間下的目標轉(zhuǎn)速。

圖4為綜合控制器程序中設置滯環(huán)的示意圖。當系統(tǒng)負載升高時，當負載功率大于2P時，目標轉(zhuǎn)速從n1變成n2，當負載繼續(xù)增加，增大到4P時，目標轉(zhuǎn)速從n2變成n3。同樣的，當系統(tǒng)負載下降時，只有當負載降到P3時，目標轉(zhuǎn)速才從n3變成n2；負載繼續(xù)降低，降到P1時，目標轉(zhuǎn)速才從n2變成n1。從圖中可以看出，目標轉(zhuǎn)速變換的方向不同，則變換的負載點也不同。合理設置這樣的滯環(huán)，能夠避免因負載波動而引起的控制器目標搖擺的情形，對系統(tǒng)的穩(wěn)定可以起到非常明顯的作用。

3　仿真與驗證

根據(jù)如上所述，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型如圖5所示。

圖4　功率滯環(huán)示意圖

仿真時間設置為24 s，設計工況如表1所示。

表1　仿真工況設置表

根據(jù)以上所設計的工況，分別對恒速發(fā)電和變速發(fā)電兩種仿真模型進行對比。兩者在相同的時間施加相同的負載，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，對比兩者在相同時間內(nèi)燃油的消耗量，進而驗證控制策略是否可行，檢驗系統(tǒng)效率是否提升。

在指定的時間改變負載，經(jīng)過短暫的調(diào)節(jié)過程，兩者負載基本一致，對比如圖6所示。

恒速模式仿真模型的轉(zhuǎn)速給定始終為額定轉(zhuǎn)速。變速模式仿真模型的轉(zhuǎn)速給定則根據(jù)負載的實際情況由綜合調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，仿真時的轉(zhuǎn)速給定如圖7所示。

圖變速發(fā)申模式系統(tǒng)仿真模型

圖6　恒速模式與變速模式仿真負載對比

在此設計工況下，恒速模式突然改變負載時轉(zhuǎn)速變化見圖8，變速模式突然改變負載時轉(zhuǎn)速變化如圖9所示。

由轉(zhuǎn)速給定曲線以及變速發(fā)電模式下發(fā)電機的實際轉(zhuǎn)速可以看出，采用分區(qū)間目標控制策略，且添加了滯環(huán)之后，綜合調(diào)節(jié)器輸出的目標轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，無波動現(xiàn)象出現(xiàn)。系統(tǒng)能夠在給定的目標轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行，電壓電流波形正常，經(jīng)多次仿真驗證，突加突減負載時系統(tǒng)也能夠快速達到新的穩(wěn)定點運行。

圖7　變速發(fā)電模式轉(zhuǎn)速給定值

由系統(tǒng)所處的狀態(tài)，可以得出系統(tǒng)實時油耗率對比如圖10所示。由系統(tǒng)油耗率與系統(tǒng)所承擔的負載，可以計算出系統(tǒng)的累積油耗，進而得出圖11所示的累積油耗的對比曲線。經(jīng)計算，在這種設計工況下運行，相較于原有的恒速發(fā)電模式而言，采用變速發(fā)電模式的系統(tǒng)綜合燃油消耗降低了約8.28%。根據(jù)柴油機油耗曲線以及所采用的分區(qū)間目標控制策略，可得出恒速模式發(fā)電與變速模式發(fā)電在不同負載率下的油耗率曲線。

圖8　恒速模式實際轉(zhuǎn)速

圖9　變速模式時間轉(zhuǎn)速

圖10　恒速模式與變速模式實時油耗率對比示意圖

圖11　恒速模式與變速模式累積油耗對比示意圖

從圖中可以看出，在負載率低于80%左右時，變速發(fā)電模式比恒速發(fā)電模式系統(tǒng)油耗率相對要小。對于經(jīng)常工作在低負載率情況下的船舶而言，燃油消耗可降低的空間是十分明顯的，最大可以降低20%左右。

4　結(jié)論

由以上分析以及仿真對比可以看出，基于直流電網(wǎng)的船舶電力系統(tǒng)采用可變速柴油機作為原動機，采取分區(qū)間目標控制策略，能夠根據(jù)負載情況靈活調(diào)節(jié)系統(tǒng)目標轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)系統(tǒng)最佳運行控制。引入功率滯環(huán)，解決了負載在區(qū)間邊界處變化時引起的控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠在此控制策略下穩(wěn)定運行，與恒速發(fā)電模式相比，燃油消耗有效降低，系統(tǒng)效率顯著提升，經(jīng)濟性比以往恒速發(fā)電模式更佳，尤其適用于經(jīng)常在低負載率情況下作業(yè)的船舶。

參考文獻:

[1] Fredrik Hansen,John O Lindtj?rn,Klaus Vanska.Onboard DC grid for enhanced DP operation in ships [C].Dynamic Positioning Conference,2011:1-8.

[2] 童正軍.民用船舶直流電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].船舶工程，2014:36（增刊1）:104-119.

[3] 張義農(nóng)，湯建華.美英未來艦船綜合電力系統(tǒng)電制選擇分析[J].艦船科學技術(shù)，2012，34（4）：136-139.

[4] 祁斌.ABB創(chuàng)新船用直流電網(wǎng)[J].中國船檢，2013，（7）：75-78.

Research on Inter-partition Target Control Strategy of Ship Power Station based on DC Power Grid

Jia Zhiqiang，Hua Bin，Xie Jinhui
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:A control strategy of ship power system based on high-efficiency DC power operation is proposed,namely inter-partition target control strategies.Power hysteresis loops are introduced to ensure the stable output of control system.The system is implemented in MATLAB/Simulink.The feasibility of the control strategy is verified through the simulation.Compared to traditional ship power system that AC power grid is adopted,fuel consumption is reduced visibly,and efficiency is improved significantly.

Keywords:DC power grid;ship power system;variable speed power generation;inter-partition target control strategies;diesel generator set

作者簡介：賈志強（1991-），男，碩士研究生。研究方向：艦船推進電機及其控制技術(shù)。

收稿日期：2015-09-09

中圖分類號：TM711

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）01-0021-05