船舶电力推进系统建模与仿真研究

池波，翁爽



船舶电力推进系统建模与仿真研究

池波1，翁爽2

（1．中海油田服务股份有限公司，北京 101149； 2. 上海船舶研究设计院，上海 201203）

本文对两台同步电机驱动的双推进器船舶的电力推进系统进行了研究。通过搭建模型来分析电力推进系统中的影响因素。本模型基于Matlab/Simulink仿真平台，旨在分析船舶的运行特性。因此，通过电力推进系统效率和船舶速度的仿真曲线，了解了双螺旋桨船舶电力推进系统的相关特性。同时对不同的参量（功率和推进转矩，电机转速，船舶速度等）进行了分析，为了提高船舶推进功率和推进器特性，采用了功率评估系统（PPP）和螺旋桨优化系统（POP）。

推进 电力推进系统 仿真研究

0 引言

随着电力电子器件的快速发展，电力推进系统在船舶上的应用日益广泛。电力推进船舶的优势在于可以满足全球化能源的需要，通过发电机提供给本船推进动力和全船电网所需的电能。

本文的研究内容是单船双螺旋桨的电力推进系统。在船舶建造之前，需要对船舶的动力设备和推进设备进行选型，以满足船舶电力推进系统的需要。采用两台同步电机驱动两个螺旋桨，并通过变频器完成对推进系统的控制，是本文的重点研究内容。因此，我们设想了实际情况并通过仿真结果验证其优点，如图1所示[1]。

：船体移动时海水提供的船体电阻；

T，T：螺旋桨产生的推力；

T：外界因素（风、波浪等）产生的阻力。

当船舶航行时，船舶受几个方面因素的影响，船舶运行状况受海况的影响，而海况又受天气的影响。海水阻碍船舶的移动，实际上，研究船舶运行状况，需要研究船舶的移动模型和了解其他影响的方面。

1 电力推进系统的特征

船舶推进系统主要包括以下方面：

交流发电机通过柴油机或气体涡轮机产生电能，供给配电板和推进设备；

推进设备，包含两个标准同步电机提供给推进器动力（电机与螺旋桨之间通过轴连接），分别由变频器控制来调整螺旋桨的转速。如图2所示，为一套标准的电力推进系统范例。

2 建模与仿真

2.1 推进系统的组成和建模

如图3所示，为系统的构造及各子系统的输入输出接口。推进器的速度的变化，需要根据电机转子的位置确定电机相电流的大小。

当前频率和转子频率始终是成比例的关系（同步变化）。如图3所示，可使用电流幅值（I）和转子转速角度（θ）来进行控制。这种方法确保电机转矩的稳定控制。其值由电机定子电流的相位和幅值决定。

2.2 电力推进系统的建模

本论文的研究方向是针对船舶的电力推进系统。主要为同步电动机在船舶推进的相关特性。

1）同步电机模型

方程组（1）为同步电动机在d-q坐标系的控制方程。为简化计算和方便计算结果的表达，所有电气量均采用统一的量化标准[2]。

方程式组（1）中各磁通量的意义如下：

定子和励磁之间无气隙磁通。

横轴分量参数意义如下：

如下表达式组（2）[3]：

即磁通参量为：

即：

电磁转矩方程式为：

负载机械方程式为:

根据表达式（1）和（2），系统表达式为：

根据系统表达式（7）和表达式（3），系统的表达式可为方程式（8）[4]：

推进的动力方程如下：

其中，J为转动惯量，Q为电磁转矩，Q为摩擦转矩，Q为推进转矩。

船舶速度主要由电动机速度决定。本文中，船舶由两个同步电动机驱动两个定距桨运动，提供船舶动力。此船舶推进系统可分为若干个子系统。

2.3 仿真结果

我们采用Matlab/Simulink构建模型并完成仿真运算。其中仿真结果基于电动机转速为在∈[0,800 s]为15 m/s及∈[800 s,1500 s]为10 m/s。

图4,5,6分别表示电机速度，船舶速度，螺旋桨功率。

从曲线中可以看出，船舶的速度曲线随着电机的速度曲线变化而变化，而图7中的船舶速度曲线相对于电机速度曲线来讲，其趋于稳定的速度没有电机那么迅速。

图8说明推进功率变化随电机速度变化而变化，证实了推进控制框图的正确性和准确性。

3 结论

本文模拟仿真了船舶电力推进系统，仿真结果的分析让我们对系统运行状况有更深层次的理解和分析。仿真结果证明我们建模的准确性，同时保证我们针对未来船舶电力推进系统可以提出更新的控制和电站管理策略。

[1] M. Blanke, R.I. Zamanabadi. Reconfigurable control of a ship propulsion plant, control applications in marine systems. Fukuoka, Japan, 1998, (10):88-95.

[2] T. C. Gillmer, B. Jonson, Propulsive force and propulsion system. Naval Institue Press, Annapolis, Maryland , 1982 ,(50): 172-177.

[3] H. Dallagi. S. Nejim, Etude. Comparative et Modélisation de deux systèmes de propulsion de navire. Conférence Tunisienne de Génie Electrique, 2004, (33): 134-143.

Modeling and Simulation of Ship’s Electric Propulsion System

Chi Bo1，Weng Shuang2

(1.China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China； 2. Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, SDARI, Shanghai 201203，China)

TM728

A

1003-4862（2014）09-0076-03

2014-08-25

池波（1978-），男，工学硕士。研究方向：电气工程。