船舶直流電網(wǎng)建模與仿真

單曉宇 黃建忠 呂若辰

摘 要：本文介紹了船舶直流電站系統(tǒng)的組成，并對原動機(jī)、發(fā)電機(jī)、整流部分進(jìn)行了原理分析、建模和仿真，驗證了系統(tǒng)在加卸負(fù)載時的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：船舶；直流電站；SIMULINK仿真

0 引言

隨著船舶工業(yè)的進(jìn)步和電力電子技術(shù)的發(fā)展，船舶電力推進(jìn)技術(shù)已有一百多年歷史。最近因為可控整流技術(shù)的發(fā)展，讓船舶直流電網(wǎng)越來越熱門。直流電網(wǎng)相比過去的交流電網(wǎng)有著燃油效率更高，所需空間小，維護(hù)成本低等優(yōu)勢。

1 船舶直流電站系統(tǒng)組成

相比由原動機(jī)、同步發(fā)電機(jī)、輸配電線路和交流負(fù)載組成的傳統(tǒng)船舶交流電站系統(tǒng)，直流電站系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)輸出端對輸出的交流電壓進(jìn)行整流升壓后并入高壓直流電網(wǎng)。同時在電網(wǎng)負(fù)載側(cè)，每個驅(qū)動電機(jī)連接獨立的逆變電路。船舶直流電網(wǎng)系統(tǒng)的組成如圖1所示。

1.1 柴油機(jī)及其速度控制系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)確定，可以通過改變?nèi)加蛧娚淞縼碚{(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。對于作為原動機(jī)的柴油機(jī)，其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定直接影響了整體的穩(wěn)定性，因此對其轉(zhuǎn)速穩(wěn)定有嚴(yán)格的要求。

轉(zhuǎn)速反饋單元的輸入量是柴油機(jī)的當(dāng)前實際轉(zhuǎn)速，經(jīng)過轉(zhuǎn)速傳感器后輸出一個轉(zhuǎn)速信號，這個脈沖電壓信號的頻率與柴油機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速成正比。我們定義轉(zhuǎn)速反饋單元的增益為K1。轉(zhuǎn)速控制單元是整個電子調(diào)速器的控制核心，調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能主要受它影響。在實際使用的調(diào)速器中，轉(zhuǎn)速控制部分都設(shè)置一個限幅模塊，來避免當(dāng)柴油機(jī)在達(dá)到最大供油量時供油齒桿繼續(xù)動作增加供油。在一般的PID控制過程中，當(dāng)輸出信號達(dá)到極限飽和時，誤差隨時間會被繼續(xù)積分，從而導(dǎo)致輸出信號更加飽和，使得系統(tǒng)的控制性能達(dá)不到要求。所以信號未達(dá)到飽和時，和飽和后對應(yīng)的傳遞函數(shù)分別為

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個調(diào)速系統(tǒng)的動作調(diào)節(jié)單元，能把油門位置的電壓信號轉(zhuǎn)換成油泵刻度齒條的實際位置，從而將控制的過程轉(zhuǎn)化為對實際的噴油量的調(diào)節(jié)，來達(dá)到調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。由于其轉(zhuǎn)換過程較為復(fù)雜，為了便于分析建模，我們對其進(jìn)行簡化，用比例環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)來進(jìn)行表達(dá)，其公式為

1.2 勵磁控制系統(tǒng)

勵磁控制系統(tǒng)供給并控制同步發(fā)電機(jī)的磁場電流，使得當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出在容量之內(nèi)連續(xù)變化時，能維持端電壓。此外，勵磁控制系統(tǒng)必須能夠通過與發(fā)電機(jī)瞬間和短期容量一致的強(qiáng)勵來響應(yīng)暫態(tài)擾動。一個典型的相復(fù)勵交流無刷勵磁控制系統(tǒng)由相復(fù)勵裝置，交流勵磁機(jī)和自動電壓控制裝置（AVR）組成。

勵磁控制系統(tǒng)模型中4個輸入量Vref，Vd，Vq，Vstab對應(yīng)發(fā)電機(jī)設(shè)定電壓，發(fā)電機(jī)d，q軸電壓和發(fā)電機(jī)接地零電壓，輸出Uf為勵磁電壓。Vd與Vq通過d-q軸電壓與功率投影計算后經(jīng)過低通濾波器的作用生成相復(fù)勵的電壓信號。這個電壓信號，一部分被送入到主控制回路進(jìn)行處理后送到比例飽和環(huán)節(jié)，一部分直接送到比例飽和環(huán)節(jié)，經(jīng)過選擇后輸出到勵磁機(jī)。

2 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

發(fā)電機(jī)輸出端經(jīng)過三相可控全橋整流，和直流升壓電路在直流母線輸出穩(wěn)定直流電壓。直流電網(wǎng)仿真模型如圖2所示。

2.1 原動機(jī)啟動特性實驗

對原動機(jī)進(jìn)行空載啟動，給定信號，得到原動機(jī)速度跟隨變化曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，柴油機(jī)可以較好地跟隨速度給定信號，并實現(xiàn)穩(wěn)定。

2.2 加卸負(fù)載仿真實驗

當(dāng)空載達(dá)到額定，并穩(wěn)定運行時，在第5秒，突加負(fù)載。得到柴油機(jī)轉(zhuǎn)速波形，勵磁電壓波形和直流母線電壓，如圖4所示。

仿真結(jié)果顯示在第5秒突加負(fù)載時，母線電壓，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速突然降低后又回歸并保持穩(wěn)定。母線電壓穩(wěn)定后，突卸負(fù)載，可以看到母線電壓升高后迅速下降并穩(wěn)定。實現(xiàn)了直流母線電壓恒定的控制要求。

3 總結(jié)

本文對船舶直流電網(wǎng)進(jìn)行了仿真，建立了控制系統(tǒng)模型，并驗證了在典型工況下直流母線電壓的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：上海海事大學(xué)）