船舶燃機電機混合動力控制方法

陳虹麗，王子元，趙凱岐

（1.哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱150001；2.中國電子科技集團第43研究所，合肥230022）

船舶燃機電機混合動力控制方法

陳虹麗1，王子元2，趙凱岐1

（1.哈爾濱工程大學自動化學院，哈爾濱150001；2.中國電子科技集團第43研究所，合肥230022）

在對現(xiàn)有混合動力控制系統(tǒng)進行研究的基礎上，提出了新型的燃氣輪機和異步電機混合動力系統(tǒng)。采用模塊化的設計方法，建立了燃氣輪機、異步電機、S.S.S.離合器、并車齒輪箱、并車控制器和螺旋槳等部件的數(shù)學模型，進而構建了整個系統(tǒng)的仿真模型。利用外特性法建立了燃氣輪機的仿真模型；采用電流滯環(huán)跟蹤PWM方法建立了異步電機仿真模型，實現(xiàn)了弱磁調(diào)速；建立了S.S.S.離合器的可靠的仿真模型，能夠研究并車時的沖擊；設計了2種推進方式投切策略，實現(xiàn)了混合動力仿真；設計了并車控制器以實現(xiàn)并車過程調(diào)節(jié)。對混合動力控制策略和并車過程進行了仿真，結(jié)果表明所提出的混合動力系統(tǒng)能夠正常工作，并車控制器工作較好，并車策略有效，能夠減小并車過程中的沖擊。

混合動力；控制器；并車

現(xiàn)代船舶動力裝置主要有內(nèi)燃機、蒸汽輪機、燃氣輪機、電動機、核動力裝置，這些裝置各有優(yōu)缺點。文獻[1-6]都提到了聯(lián)合推進方式，這種方式即為本文研究的混合動力方式。在本文后續(xù)介紹中將不再區(qū)分混合動力和聯(lián)合動力2種名稱?；旌蟿恿ο到y(tǒng)一般由2種型式的推進裝置組成，在低速工況時，只有1個推進設備工作；在高航速或全速工況時，另外1個推進裝置工作或2個推進裝置共同工作[7]。船舶混合動力推進方式十分適于工況變化較大的情況。目前國內(nèi)外的研究，比較成熟的是燃氣輪機和柴油機的組合，多見于柴柴混合動力、柴燃混合動力、燃燃混合動力等形式。燃機電機（簡稱燃電）混合動力是一種新型動力形式，由燃氣輪機和電動機混合推進。目前，國內(nèi)外還沒有文獻研究過這種混合動力推進方式。為獲得短時間的最大航速要求的最大功率，采用單機組功率大，單位重量尺寸小的燃氣輪機作為加速裝置；為方便控制、調(diào)速和推進，節(jié)省燃料，可以使用異步電動機作為巡航裝置。在混合動力裝置中，燃氣輪機和異步電機各自發(fā)揮優(yōu)勢，適用于工況變化大的情況，基本解決了動力裝置的單位重量尺寸、續(xù)航力、耗油率等問題。

1　混合動力系統(tǒng)結(jié)構

本文主要考慮2種推進方式：①正常航行時，異步電機作為推進電機，推動船舶運行，此時燃氣輪機根據(jù)需要處于停轉(zhuǎn)或惰轉(zhuǎn)狀態(tài)；②加速運行時，異步電機與燃氣輪機共同推進。

按照燃氣輪機的推動情況，混合動力系統(tǒng)可分為2種情況：①1臺燃氣輪機通過齒輪箱的傳動作用，同時帶2個螺旋槳負載，如圖1 a）所示；②2臺燃氣輪機通過減速齒輪箱的傳動作用，降低轉(zhuǎn)速，各帶1個螺旋槳負載，如圖1 b）所示。

圖1　船舶混合動力系統(tǒng)結(jié)構示意圖Fig.1 Structure of ship with hybrid power

系統(tǒng)中柴油發(fā)電機組為整條船供電，包括設備用電、生活用電，以及異步電動機工作所需的電力。燃氣輪機輸出端可根據(jù)需要加減速齒輪箱，并且為實現(xiàn)動力切換，輸出端須加自動同步離合器。選擇1～2臺燃氣輪機是根據(jù)實際所要求的功率確定的。由于離合器的工作性質(zhì)，為了實現(xiàn)倒車，可以使用可調(diào)槳距的螺旋槳，或者采用正、倒車減速齒輪箱。

并車系統(tǒng)的仿真控制結(jié)構如圖2所示，整個系統(tǒng)由燃氣輪機、異步電機、S.S.S.離合器、并車齒輪箱、并車控制器和螺旋槳等組成。

圖2　并車仿真結(jié)構Fig.2 Structure of paralleling system

2　混合動力系統(tǒng)數(shù)學模型

2.1異步電機推進系統(tǒng)

異步電動機具有非線性、強耦合、多變量的性質(zhì)，要獲得高動態(tài)調(diào)速性能，必須分析異步電動機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制規(guī)律。目前，得到成熟應用的方案是矢量控制。本文使用的是電流跟蹤PWM控制，控制結(jié)構如圖3所示。

圖3　三相電流閉環(huán)控制的矢量控制系統(tǒng)結(jié)構圖Fig.3 Structure of vector control system controlled by 3-phase current

電流跟蹤PWM控制系統(tǒng)的基本工作原理是：將定子電流2個分量的給定值和進行變換，得到三相電流給定值，與電機實際的三相定子電流比較，采用電流滯環(huán)控制型PWM變頻器，改變定子三相電流。

對于所研究的異步電機，電動機輸出的轉(zhuǎn)矩與直流電源輸出電壓的大小、磁通大小成正相關關系。在啟動和低速時，為了達到較大的轉(zhuǎn)矩，快速提高轉(zhuǎn)速，同時充分利用電機功率，磁通保持在一定水平；當轉(zhuǎn)速超過基速時，在頻率不變的情況下，就必須弱磁。為在弱磁時保持較大的電磁轉(zhuǎn)矩，一般使磁通ψ按照與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1/ωr成正比的關系變化，基本能夠達到次最優(yōu)的最大轉(zhuǎn)矩輸出[8]。

采用弱磁調(diào)節(jié)后，在基速區(qū)（基速nN以下范圍），轉(zhuǎn)矩恒定，磁鏈恒定；在弱磁區(qū)（基速nN以上范圍），轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關系，磁鏈與轉(zhuǎn)速成反比關系，這樣輸出功率恒定。

弱磁調(diào)速應注意電機自身的電壓、電流過載能力，即考慮由發(fā)熱和功率決定的電壓、電流限制。相關公式為[9]：

式（1）、（2）中：Vs是逆變器能夠為電機提供的最大電壓，受可調(diào)直流電壓Vdc以及PWM調(diào)制策略限制；Is是電機能承受的最大電流，受逆變器電流等級和發(fā)熱等級限制。

在確定轉(zhuǎn)矩電流iq的限幅值時，應利用公式的變形確定。這樣既保證了電機能夠以較大的轉(zhuǎn)矩加速，也能保證異步電機不會工作在超出額定功率的狀態(tài)。

2.2燃氣輪機推進系統(tǒng)

船舶燃氣輪機主要由壓氣機、燃燒室和渦輪等部件組成[10]。燃氣輪機是一種強非線性的氣動熱力學系統(tǒng)，其數(shù)學模型一直是人們研究的重點。部件法是常見的建模方法，但是這種方法嚴重依賴各部件的特性曲線。本文中，燃氣輪機建模的重點是求得功率輸出與2個工作參數(shù)，即動力渦輪轉(zhuǎn)速和噴油流量的關系。燃氣輪機的外特性表示燃氣輪機動力渦輪輸出力矩MPT，是關于動力渦輪轉(zhuǎn)速和燃氣輪機燃油供給量的函數(shù)，該特性在實際中表示為一條曲線[11]。

值得注意的是，該曲線是在燃氣輪機穩(wěn)定平衡工況下計算或測量得到的，而燃氣輪機是一個大慣性系統(tǒng)，當燃油供給量變化時，動力渦輪力矩將明顯滯后于外特性曲線上相應的數(shù)值，對于LM2500這樣的大型燃氣輪機，將在8～10 s后才達到外特性曲線所指示的數(shù)值[12]。為此，引入瞬態(tài)扭矩比KE，其定義為：

利用燃氣輪機的外特性曲線和瞬態(tài)扭矩比KE曲線可以構建瞬態(tài)扭矩仿真模型，這2條曲線可以通過文獻[12]得到。在仿真時，根據(jù)燃油量的變化規(guī)律，從外特性曲線上查取動力渦輪力矩MPT，乘以瞬態(tài)扭矩比KE，得到動態(tài)過程中動力渦輪瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩，該力矩可以作為慣性方程中的被積函數(shù)，進而求解得到燃氣輪機轉(zhuǎn)速。

2.3自動同步離合器

自動同步離合器，簡稱3S離合器（Synchronous-Self-Shifting Clutch）主要由主動件、從動件和中間件3部分組成。中間件在主動件上，二者以螺旋齒花鍵互相連接。3S離合器能夠根據(jù)轉(zhuǎn)速差自動地嚙合和脫離，起到切入或切出動力的作用。

本文研究的為非中繼式離合器，非中繼式離合器依靠棘輪、棘爪完成離合，功率較中繼式離合器小[13]。

3S離合器是研究并車控制過程中的關鍵，必須建立準確的數(shù)學模型。通過對主動件、中間件、從動件進行受力分析，可以得到相應的力矩方程。

主動件的力矩方程為

式中，J1、ω1、ε1分別為主動件的轉(zhuǎn)動慣量、角速度和角加速度。

中間件的力矩方程為

從動件的力矩方程為

式中，J2、ε2分別為從動件的轉(zhuǎn)動慣量和角加速度。

非中繼式離合器受力分析的具體內(nèi)容可參見文獻[14-16]。

2.4并車齒輪箱

設M1、n1分別為設備1的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，M2、n2分別為設備2的輸入轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，M、n分別為輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，考慮齒輪箱傳遞功率的效率η，則有

2.5螺旋槳負載

螺旋槳吸收主機的功率并將其轉(zhuǎn)換為船舶運動需要的推進力，并與船一起沿軸向移動。螺旋槳在水中運動時受到阻力矩Mp，其與螺旋槳的推力方向相反。為克服阻力矩而使螺旋槳按照給定轉(zhuǎn)速np旋轉(zhuǎn)，螺旋槳應發(fā)出推力Tp。

對于幾何參數(shù)確定的螺旋槳，槳徑D、水密度ρ都是常數(shù)，扭矩和推力表示為：

3　并車控制及仿真

3.1并車控制策略

考慮實際情況，設計艦船的工作過程為：正常運行時，艦船由異步電機驅(qū)動，此時燃氣輪機可有2種工作方式，即處于停止工作狀態(tài)或不為艦船提供功率的惰轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時燃氣輪機的輸出轉(zhuǎn)速低于并車齒輪箱輸入軸處轉(zhuǎn)速。當須要提高航行速度時，同時給定電機和燃氣輪機的轉(zhuǎn)速（另一種情況下燃機需加載到低于電機的轉(zhuǎn)速），此時雙機同時加速。設定正常航行時異步電機處于近額定工作狀態(tài)，隨著輸出轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)速超過異步電機的基速，異步電機進入弱磁調(diào)速范圍，輸出轉(zhuǎn)矩下降，艦船推進所需的轉(zhuǎn)矩相應由燃氣輪機補足。如此進行下去，直到2臺原動機達到各自的設定轉(zhuǎn)速。本文中，異步電機和燃氣輪機的設定轉(zhuǎn)速相同，即認為并車齒輪箱中燃氣輪機與電機的轉(zhuǎn)速比為1∶1；其他比值可進行換算，不失一般性。

3.2并車控制器

常用的并車控制器有3種[17]：單反饋調(diào)速器、主從調(diào)速器、雙反饋調(diào)速器。本文采用雙反饋調(diào)速器作為并車控制器，雙反饋調(diào)速器同時接收燃機和電機的轉(zhuǎn)速反饋值，根據(jù)轉(zhuǎn)速差在設定值的基礎上修正當前燃機和電機的轉(zhuǎn)速設定，其基本原理如下：

式（10）、（11）中：n0為設定轉(zhuǎn)速；n1f為燃機的轉(zhuǎn)速反饋值；n2f為電機的轉(zhuǎn)速反饋值。

3.3仿真

異步電機模型采用Simulink模塊庫中的封裝模型，功率為75 kW。燃氣輪機采用160 kW的異步電機封裝模型進行模擬。仿真使用固定步長的ode4算法，步長設為2 ms。異步電機的相關參數(shù)見表1。

表1　異步電機的參數(shù)Tab.1 Parameters of asynchronous moto

按照圖2構建系統(tǒng)仿真模型，具體控制控制目標為：控制器控制異步電機起動到1 400 r/min，電機起動過程中負載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速平方成正比（以后的負載轉(zhuǎn)矩始終與系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速平方成正比）；通過控制器設定異步電機起動0.7 s后，燃氣輪機起動，設定燃氣輪機起動完成后轉(zhuǎn)速為1 300 r/min；燃氣輪機起動完成后，雙機共同等待提速指令；設定目標轉(zhuǎn)速為2 800 r/min，雙機開始并車。

異步電機起動完成后，承受負載轉(zhuǎn)矩約為500 N?m。在燃氣輪機起動過程中和等待并車過程中，由于轉(zhuǎn)速小于異步電機，燃氣輪機處于惰轉(zhuǎn)狀態(tài)，這樣燃氣輪機并不輸出轉(zhuǎn)矩。提速指令發(fā)出后，并車控制器工作。轉(zhuǎn)矩設定將負載按照比例k=TGT/TM進行分配，本文中取k=9∶1，即并車后燃氣輪機應能分配1 800 N?m大小的負載，電機應能分配200 N?m大小的負載。并車后雙機輸出轉(zhuǎn)速應相等。

仿真時，并車齒輪箱考慮了0.97的能量傳遞效率，因而實際輸出轉(zhuǎn)矩將小于設定值。

混合動力控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4～9所示。

圖4　異步電機給定磁鏈Fig.4 Setting flux linkage of asynchronous motor

圖5　離合器中間件位移曲線Fig.5 Displacement of the middle part of S.S.S.clutch

圖6　燃氣輪機和異步電機輸出轉(zhuǎn)矩Fig.6 Output torque of gas turbine and asynchronous motor

圖7　燃氣輪機和異步電機輸出轉(zhuǎn)速Fig.7 Output speed of gas turbine and asynchronous motor

圖8　并車齒輪箱輸出轉(zhuǎn)矩Fig.8 Output torque of gas paralleling gear box

圖9　并車齒輪箱輸出轉(zhuǎn)速Fig.9 Output speed of gas paralleling gear box

從圖4可以看出，異步電機在并車過程中很好地實現(xiàn)了弱磁調(diào)速；從圖5可以看出，作為動力切入的關鍵部件，離合器的模型工作正常；從圖6～9可以看出，仿真結(jié)果完全符合預期控制策略要求，燃氣輪機在1.5 s時刻切入動力，從圖8可以看到并車對輸出轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的沖擊，從圖9可以看到并車對輸出轉(zhuǎn)速的沖擊。

4　結(jié)論

在對現(xiàn)有混合動力控制系統(tǒng)進行研究的基礎上，本文提出了新型的燃氣輪機和異步電機混合動力系統(tǒng)。采用模塊化的設計方法，建立了燃氣輪機、異步電機、S.S.S.離合器、并車齒輪箱、并車控制器和螺旋槳等部件的數(shù)學模型，進而構建了整個系統(tǒng)的仿真模型。利用外特性法建立了燃氣輪機的仿真模型；采用電流滯環(huán)跟蹤PWM方法建立了異步電機仿真模型，實現(xiàn)了弱磁調(diào)速；建立了S.S.S.離合器的可靠的仿真模型，能夠研究并車時的沖擊；設計了2種推進方式投切策略，實現(xiàn)了混合動力仿真；設計了并車控制器以實現(xiàn)并車過程調(diào)節(jié)。對混合動力控制策略和并車過程進行了仿真，仿真結(jié)果表明關于燃氣輪機和電機這種新型混合動力系統(tǒng)的設計是正確的；雙反饋的并車調(diào)節(jié)器及燃機、電機內(nèi)部的各種調(diào)節(jié)器運行正常，并取得了很好的效果；離合器和并車齒輪箱等并車重要設備模型正確；控制策略設計是有效的，在并車控制器的調(diào)節(jié)作用下，能夠減小并車時的沖擊。因此，關于混合動力系統(tǒng)的整體設計是正確的，能夠為后續(xù)這方面的研究提供一定的借鑒。

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Hybrid Power Control Method of Ship Burning Gas Turbine and Motor

CHEN Hongli1,WANG Ziyuan2,ZHAO Kaiqi1
（1.College of Automation,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China; 2.43thInstitute of China Electronic Technology Corporation,Hefei 230022,China）

By taking researching into current hybrid power system,a new hybrid system powered by gas turbine and asyn?chronous motor was proposed.Mathematical models of the different parts of the gas turbine and motor power system were researched in this paper.Module method was taken to build the simulation model of different parts,including gas turbine, asynchronous motor,synchronous-self-shifting clutch,parallel gear box,parallel controller and propeller,and obtain the whole system.The simulation model of gas turbine was built by external characteristic;asynchronous motor in method of current hysteresis band PWM control,and realized flux-weaking control;the S.S.S.clutch model was taken advantage of when paralleling.A strategy to switch between two patterns of shipping was designed,thus leading to the hybrid power sys?tem,a paralleling controller was applied to help paralleling.Researches were taken about the strategy of controlling of two power and shock when paralleling.It was proved in this paper that the whole hybrid system worked well,the parallel con?troller worked well to reduce the shock and the strategy of paralleling was efficient.

hybrid power;controller;parallel

U664.16

A

1673-1522（2016）01-0063-06

10.7682/j.issn.1673-1522.2016.01.012

2015-09-12；

2015-11-20

國家自然科學基金資助項目（51109047）；黑龍江省自然科學基金資助項目（F201239）

陳虹麗（1963-），女，教授，博士。