一種無變頻器式艦船交流電力推進(jìn)系統(tǒng)控制策略研究

冀 欣，莊亞平，馬守軍，壽海明

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一種無變頻器式艦船交流電力推進(jìn)系統(tǒng)控制策略研究

冀 欣，莊亞平，馬守軍，壽海明

（海軍裝備研究院，北京100161）

為提高交流電力推進(jìn)系統(tǒng)功率密度、降低成本，提出一種基于永磁推進(jìn)電機(jī)的無變頻器式交流電力推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)取消了大功率變頻器和減速齒輪箱，原動機(jī)與電勵磁發(fā)電機(jī)直連，發(fā)電機(jī)與推進(jìn)電機(jī)直連。通過控制原動機(jī)轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)勵磁電流實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。建立了該電力推進(jìn)系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，提出了系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性約束條件，推導(dǎo)了系統(tǒng)主要電氣量與發(fā)電機(jī)勵磁電流及負(fù)載轉(zhuǎn)矩間的函數(shù)關(guān)系。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度、提高推進(jìn)效率及電機(jī)容量利用率，分別提出采用δ1+δ2= π/4、Isd2=0和cosθ=1三種控制策略，針對各控制策略和不同的電機(jī)參數(shù)匹配條件，推導(dǎo)了系統(tǒng)主要電氣量與負(fù)載轉(zhuǎn)矩間的函數(shù)關(guān)系。針對系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性及各控制策略下系統(tǒng)運(yùn)行特性開展了數(shù)字仿真研究，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

交流電力推進(jìn) 永磁推進(jìn)電機(jī) 無變頻器 數(shù)學(xué)模型 靜態(tài)穩(wěn)定性 控制策略

0 引言

船舶交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)因其總體布置靈活、功率密度高，并可實(shí)現(xiàn)能量的綜合利用，已成為未來船舶動力系統(tǒng)的發(fā)展方向[1-5]。但是，在當(dāng)前技術(shù)水平下，由于采用變頻調(diào)速方式，其單機(jī)功率受限，系統(tǒng)尺寸、重量仍然較大，造價較高。為進(jìn)一步提高功率密度、降低成本，本文在交流電力推進(jìn)原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用永磁同步電機(jī)等新技術(shù)，擴(kuò)展提出一種基于永磁同步電機(jī)的無變頻器式交流電力推進(jìn)系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)采用電勵磁同步發(fā)電機(jī)和永磁同步推進(jìn)電機(jī)，原動機(jī)主軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直連，發(fā)電機(jī)與永磁推進(jìn)電機(jī)通過電纜直連，利用兩臺電機(jī)磁極組成的“電氣齒輪”取代減速齒輪箱，并取消大功率變頻調(diào)速器，在實(shí)現(xiàn)全電力推進(jìn)的同時，規(guī)避了大功率變頻器這個瓶頸，為船舶電力推進(jìn)技術(shù)研究提供了一種新的思路。

在交流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)與推進(jìn)電機(jī)通過變頻器相連，兩臺電機(jī)間為解耦關(guān)系，可針對兩臺電機(jī)進(jìn)行獨(dú)立分析[7-11]。在該類系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出電壓恒定，主要通過控制電力電子器件的通斷狀態(tài)調(diào)節(jié)變頻器輸出電壓的頻率、幅值和相位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的調(diào)節(jié)。交流同步電機(jī)的變頻調(diào)速控制策略主要可以分為磁場定向控制和直接轉(zhuǎn)矩控制兩種。其中，磁場定向控制主要是通過坐標(biāo)變換，將交流同步電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效為直流電機(jī)，從而模仿直流電機(jī)進(jìn)行解耦控制；直接轉(zhuǎn)矩控制則是在靜止坐標(biāo)系上對電機(jī)轉(zhuǎn)矩和磁鏈進(jìn)行控制，并采用bang-bang控制以獲得快速的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)。目前，相關(guān)研究成果較為成熟，已廣泛應(yīng)用于電氣傳動領(lǐng)域[12-20]。

在本電力推進(jìn)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)與永磁推進(jìn)電機(jī)直接相連，兩臺電機(jī)具有相同的端電壓、定子電流、功率因數(shù)和氣隙磁鏈，其電路、磁路系統(tǒng)強(qiáng)耦合，兩臺電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)相互影響。此外，系統(tǒng)中可控變量較少，僅發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵磁電流兩個變量可供調(diào)節(jié)，目前針對該類電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制策略問題，國內(nèi)外尚無相關(guān)研究成果可供參考。因此，有必要從建立該系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型入手，推導(dǎo)主要電氣量間的函數(shù)關(guān)系，并針對不同控制策略下系統(tǒng)的運(yùn)行特性開展研究，為后續(xù)電機(jī)參數(shù)匹配的選擇與優(yōu)化提供技術(shù)支持和理論支撐。

1 系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型

為簡化分析過程，本文假設(shè)本電力推進(jìn)系統(tǒng)中電勵磁同步發(fā)電機(jī)采取隱極設(shè)計、永磁同步電機(jī)采取表貼式磁極結(jié)構(gòu)，忽略電機(jī)的定子繞組電阻，基于標(biāo)幺值系統(tǒng)建立基于永磁同步推進(jìn)電機(jī)的無變頻器式電力推進(jìn)系統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。本電力推進(jìn)系統(tǒng)的時-空矢量圖如圖2所示。

（1）

圖中，1、1軸分別為發(fā)電機(jī)直軸、交軸；2、2軸分別為推進(jìn)電機(jī)直軸、交軸；1、2分別為發(fā)電機(jī)、永磁電機(jī)定子繞組磁鏈；ψ20為永磁電機(jī)激磁磁鏈；為電機(jī)端電壓；為電機(jī)定子電流；10、20分別為發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)的內(nèi)電勢；1為發(fā)電機(jī)勵磁電流；1、2分別為發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)功率角；、分別為系統(tǒng)功率因數(shù)角、推進(jìn)電機(jī)內(nèi)功率因數(shù)角；X1、X2分別為發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)的同步電抗。

在此基礎(chǔ)上，忽略各類損耗，可推導(dǎo)出系統(tǒng)主要電氣量與發(fā)電機(jī)勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩間的函數(shù)關(guān)系，詳見式（1）。式中，U/為發(fā)電機(jī)輸出端壓頻比，1+2為系統(tǒng)功率角，T為電磁轉(zhuǎn)矩，L1、L2分別為發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)的同步電感系數(shù)，為L1與L2之比即=L1/L2。

在本電力推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)電機(jī)用于驅(qū)動螺旋槳負(fù)載。若忽略系統(tǒng)中的各類損耗，在穩(wěn)態(tài)條件下，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩間的對應(yīng)關(guān)系具有唯一性。此外，由式（1）可知，在各電氣量函數(shù)關(guān)系中，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速是以電磁轉(zhuǎn)矩的形式存在的。因此，為簡化分析過程，本文將負(fù)載轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速間的函數(shù)直接表述為T=T=()，而不計及螺旋槳負(fù)載的-轉(zhuǎn)矩特性。

2 系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性

對于采用變頻調(diào)速方式的交流電力推進(jìn)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)的功率角均小于π/2時即可保證系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性。此外，由于變頻器輸出電壓的幅值和相位可快速跟蹤推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角，系統(tǒng)基本不存在靜態(tài)穩(wěn)定性問題。對于本電力推進(jìn)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)與推進(jìn)電機(jī)直連，考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸系的機(jī)械慣性，發(fā)電機(jī)輸出電壓無法快速調(diào)節(jié)，當(dāng)系統(tǒng)遭受擾動時，有可能造成電機(jī)失步。因此，有必要針對本電力推進(jìn)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

對于本電力推進(jìn)系統(tǒng)，功角穩(wěn)定性是系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性的主要內(nèi)容。在本電力推進(jìn)系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)的電磁功率P可表述為：

忽略系統(tǒng)及元件的動態(tài)過程，將10和20視為常數(shù)，考慮到發(fā)電機(jī)不允許長期運(yùn)行于逆功狀態(tài)，根據(jù)/判據(jù)，當(dāng)且僅當(dāng)/>0即0<1+2I1)min為(0)·(L1+L2)/ψ20。該約束條件與采用變頻調(diào)速方式的交流電力推進(jìn)系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性條件區(qū)別明顯。

3 系統(tǒng)控制策略研究

系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能主要包括系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定裕度、系統(tǒng)推進(jìn)效率和發(fā)電機(jī)容量利用率等方面內(nèi)容。為提高系統(tǒng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能，本文有針對性地提出下列三類控制策略：

1）1+2=/4控制。為防止系統(tǒng)在遭受擾動后出現(xiàn)逆功或失步等嚴(yán)重事故，應(yīng)當(dāng)保證系統(tǒng)具有足夠的靜態(tài)穩(wěn)定裕度。據(jù)此，本文提出1+2=/4控制，該策略以系統(tǒng)功率角恒為/4為控制目標(biāo)。

2）I2=0控制。為減小定子電流，降低銅耗，提高推進(jìn)效率，可采用I2=0控制，該策略以推進(jìn)電機(jī)定子電流直軸分量為零為控制目標(biāo)。

3）cos=1控制。為充分利用電機(jī)容量并使其與最大推進(jìn)功率匹配，可采用cos=1控制，該策略以系統(tǒng)功率因數(shù)恒為1為控制目標(biāo)。

本文主要基于時-空矢量圖對不同控制策略下系統(tǒng)主要電氣量隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律進(jìn)行研究。由于發(fā)電機(jī)及推進(jìn)電機(jī)內(nèi)電勢的幅值均與轉(zhuǎn)速成正比，為分析方便，本文將矢量圖中電壓類矢量的幅值均乘以1/，處理后的電壓類矢量均用上標(biāo)“′”標(biāo)注。經(jīng)此處理后，發(fā)電機(jī)內(nèi)電勢10和端電壓U'的幅值分別為I1和U/，推進(jìn)電機(jī)內(nèi)電勢20的幅值恒為ψ20，各電氣矢量間的相對位置關(guān)系未發(fā)生改變。

本電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制變量為I1和()，而在給定控制策略下，由于I1與()之間存在確定的函數(shù)關(guān)系，故僅存在()一個獨(dú)立的控制變量。

4 算例與仿真分析

4.1 仿真模型

本文基于Matlab軟件搭建了本電力推進(jìn)系統(tǒng)的全系統(tǒng)數(shù)字仿真模型。發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置見表1；共設(shè)10檔轉(zhuǎn)速工況，各工況下推進(jìn)電機(jī)()-負(fù)載特性見表2。

4.2 仿真內(nèi)容

1）在各檔轉(zhuǎn)速工況下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵磁電流，分別保證1+2=/4、I2=0和cos=1，記錄系統(tǒng)主要電氣量穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果。

2）在各檔轉(zhuǎn)速工況下，當(dāng)系統(tǒng)功率角穩(wěn)態(tài)值接近/2時，逐漸降低發(fā)電機(jī)勵磁電流并盡量減小其調(diào)整幅度，記錄失穩(wěn)前系統(tǒng)功率角和發(fā)電機(jī)勵磁電流的穩(wěn)態(tài)臨界值。

3）計算各控制策略及轉(zhuǎn)速工況下主要電氣量的穩(wěn)態(tài)值，計算發(fā)電機(jī)勵磁電流的臨界值，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

5 仿真分析

在不同控制策略下，發(fā)電機(jī)勵磁電流、壓頻比、定子電流、系統(tǒng)功率因數(shù)及功率角隨負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化的理論曲線與仿真結(jié)果對比分別如圖3(a)~(e)所示，圖中，策略1表示δ+δ=π/4控制，策略2表示I=0控制，策略3表示cosθ=1控制。在三種控制策略下，各轉(zhuǎn)速工況下主要電氣量的理論值與仿真值對比見表3~表5；各轉(zhuǎn)速工況下發(fā)電機(jī)勵磁電流臨界值的理論值與仿真值對比見表6。對仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果對比分析如下：

1）在各轉(zhuǎn)速工況及控制策略下，系統(tǒng)主要電氣量的仿真結(jié)果與理論值較為吻合，二者偏差較小。其中，發(fā)電機(jī)勵磁電流的平均相對誤差為3.04%，壓頻比的平均相對誤差為0.31%，系統(tǒng)功率因數(shù)的平均相對誤差為2.71%，定子電流的平均相對誤差為0.49%，系統(tǒng)功率角的平均相對誤差為0.18%。2）在各轉(zhuǎn)速工況下，系統(tǒng)失穩(wěn)處功率角臨界值均略小于π/2。在仿真時，當(dāng)系統(tǒng)功率角接近π/2時，已盡量減小了發(fā)電機(jī)勵磁電流的調(diào)整幅度，雖然此時系統(tǒng)功率角仍滿足靜態(tài)穩(wěn)定性條件，但由于系統(tǒng)穩(wěn)定裕度極小，即使較小的勵磁電流調(diào)整幅度也會對系統(tǒng)造成較大的沖擊，故二者存在偏差。3）各電氣量仿真結(jié)果與理論值的偏差隨著推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而減小。本文在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型時進(jìn)行了簡化處理，忽略了電機(jī)定子繞組電阻。與定子繞組電阻相比較，低轉(zhuǎn)速工況下電機(jī)同步電抗相對較小，故該簡化引起的誤差相對較大；高轉(zhuǎn)速工況下電機(jī)同步電抗相對較大，該簡化引起的誤差相對較小。

6 結(jié)論

1）建立了基于永磁推進(jìn)電機(jī)的無變頻器式交流電力推進(jìn)系統(tǒng)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)主要電氣量與發(fā)電機(jī)勵磁電流及推進(jìn)電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)矩間的函數(shù)關(guān)系，提出了系統(tǒng)功角靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)。

經(jīng)分析，當(dāng)且僅當(dāng)發(fā)電機(jī)與推進(jìn)電機(jī)的功角之和小于π/2即發(fā)電機(jī)勵磁電流大于()·(L1+L2)/ψ20時，系統(tǒng)功角是靜態(tài)穩(wěn)定的。

2）為提高系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定裕度、推進(jìn)效率和發(fā)電機(jī)容量利用率，分別提出采用δ+δ=π/4、=0和cos=1三種控制策略，對各控制策略下If1-T(ω)控制曲線及系統(tǒng)主要電氣量隨T(ω)的變化規(guī)律進(jìn)行了理論分析。

3）開展了基于永磁推進(jìn)電機(jī)的無變頻器式交流電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)字仿真研究。對系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性以及不同控制策略下主要電氣量隨()的變化規(guī)律進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制策略的可行性和理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，證明了所提出的靜態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)的準(zhǔn)確性。

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Research on Control Strategy of an AC Electric Propulsion System with No Converters

Ji Xin, Zhuang Yaping, Ma Shoujun, Shou Haiming

（Naval Armament Academy, Beijing 100161, China）

U665.13

A

1003-4862（2016）11-00013-06

2016-06-15

冀欣 (1982-)，男，工程師。研究方向：電力推進(jìn)。