小型电力推进船舶推进控制系统

仝永臣，俞万能

(集美大学轮机工程学院，福建 厦门 361021)

0 引言

电力推进是较为进步的一种船舶推进方式，从1838年第一艘电动试验船诞生以来，已有一百多年的历史[1－2]．20世纪后期，功率电子器件制造技术不断提高，自控技术不断完善，大大地推动了商用船舶电力推进系统技术的应用发展[3]．随着船舶向大型化发展，在采用综合电力推进系统的船舶上，要求推进电机输出功率较大，一般占整个电站容量的50%以上．推进电机受恶劣海况对螺旋桨的影响，在某些工况下会给电网带来较大的负荷变化，形成对电网的巨大冲击[4]．小型船舶电力推进系统的推进功率一般不大于1500 kW，相对于大型电力推进船舶，小型电力推进船舶总体控制系统相对简单．但是由于其船舶电站 (功率管理单元)容量小，抗冲击性差，所以为了保障船舶的运行安全，对于推进控制系统的性能要求更高．研究如何提高推进设备控制系统的性能，使电力推进系统在各种海况下能安全稳定运行是小型电力推进船舶推进控制系统研究的一个重要方向．

文献 [5]对船舶整个电力推进系统做了结构介绍，文献 [6]从混合仿真系统的角度，对船舶综合电力推进系统进行了设计和仿真模型建立，但都没有对电力推进控制系统进行详细介绍;文献[7]对电力推进模拟器监控系统的硬件组成与软件设计介绍较详细，但对电力推进船舶推进控制性能要求分析还不够全面;文献[8]对电力推进系统中电机运行规律进行了对比研究，没能从整个推进控制系统展开分析;文献 [9－10]结合船舶动态模型对电力推进系统进行了仿真研究，但是没有考虑海况变化引起的螺旋桨负载变化．结合小型电力推进船舶的特点，提取柴油机船舶主机控制系统[11]中适用于电力推进船舶的部分，通过对电力推进船舶推进控制功能的分析，基于文献 [12]中的小型船舶电力推进控制系统，研究设计了更能适应海上航行条件的小型船舶电力推进控制系统．

1 电力推进变频调速控制系统设计

1.1 推进控制功能分析

推进控制系统的主要功能是对不同工况下的变化负载进行最佳的动态控制，从而保证推进系统的最佳性能和安全运行，主要包括:操作人员可以在驾驶室、集控室和机旁进行多地点操作;根据电网剩余容量、推进控制命令以及推进功率要求进行相应逻辑判断环节的起动逻辑和重复起动控制;转速与功率控制;加速速率限制[13]、最大功率限制以及临界转速避让等各种限制;安全保护与应急操作等．

1.2 电力推进控制系统设计

在小型电力推进船舶中，一般采用交流异步电动机作为推进电机．由于矢量控制可实现无极调速，且具有响应速度快、调速范围广、控制精度高、可靠性高的特点，所以一般采用矢量变频器进行调速．

船舶的螺旋桨负载波动大、随机性强，在功率模式下推进电动机转速随之变化的频率也很高．为了使推进电动机调速平缓，减小负载波动对推进系统的影响，需要设定一定的功率阈值，使系统在这一功率范围内的波动不会引起推进电机运行状态的变化．．

推进电动机的负载本身变化很大，对于转速及功率的调节一般采用闭环PI控制方式，以减小螺旋桨负载变化对系统稳定性的影响．同时采用抗饱和PI控制器来解决闭环控制积分饱和对快速性能的影响[14]．

在转速控制模式下，若设定转速在临界转速区域，临界转速避让环节使设定转速避开该区域，加速 (减速)阶段则稳定在临界转速下限 (上限)运行，若改变设定转速继续加速 (减速)，当设定值高于 (低于)临界转速上限 (下限)，在转速通过临界转速区时改变PI控制器参数，使调节幅度增大，电机转速快速通过临界转速区稳定在设定值运行．

在功率控制模式下，若设定功率所对应稳定转速在临界转速区，系统自动在临界转速下限对应功率稳定运行，当转速离开临界转速区，系统快速越过临界转速区在设定功率稳定运行．

根据小型电力推进船舶推进控制功能要求及其运行特点，设计了能实现其推进控制主要功能的电力推进控制系统，如图1所示．电力推进船舶根据海况手动选择功率模式或转速模式运行．

当选择转速控制模式时，功能和普通的转速控制类似;当选择功率控制模式时，PI调节器对给定功率和实际功率进行PI控制直接输出转矩电流分量，实现电机恒功率控制．

超速限制和功率限制环节将其计算转矩电流分量值与外环给定值进行比较后通过选小器实现动作．正常运行时，限制功能是限幅值状态，限制环节不起作用，只有在负载突变时才会起作用[15]．

2 系统仿真与结果分析

在Matlab/Simulink环境下建立了小型电力推进船舶推进控制系统仿真模型，如图2所示．

图1 电力推进控制系统结构框图Fig.1 Structure of electric propulsion control system

图2 小型电力推进船舶推进控制系统仿真模型Fig.2 Simulation model of the small electric propulsion ship's propulsion control system

该模型由以下几个模块构成:异步电机仿真模块，矢量控制模块，磁链和转矩的滞环控制模块，整流模块，三相逆变器模块，转速、转矩及功率测量模块，带抗饱和PI控制器的速度控制模块、功率控制模块，临界转速避让模块，功率控制模式临界转速避让模块，功率限制模块，转速限制模块，数据输出模块等．限于篇幅各模块的基本功能不再详述．

异步电动机仿真模型采用SimPowerSystems/Machines库中的Asynchronous Machine SI Unit模块，参数设置为:转子类型Squirrel－cage，额定功率Pn=7000 VA，线电压Un=380 V，定子电阻Rs=0.087 Ω，定子电感 Ls=0.8 mH，转子电阻 Rr=0.228 Ω，转子电感 Lr=0.8 mH，互感 Lm=34.7 mH，转动惯量J=1.662 kg·m2，摩擦系数F=0.1(N·m·s)，极对数p=2．

为了验证控制系统性能，对仿真模型进行了一系列仿真实验．为了方便比较分析，给定转速为217.4 r/min，给定功率为5.6 kW，使设定转速与设定功率对应的稳定状态参数一致;转速限制为250 r/min，转矩限制为300 N·m，功率限制为6.5 kW，临界转速为 (100～110)r/min，功率调整阈值为 (90% ～110%)．

为了研究螺旋桨负载波动对推进系统性能的影响，给定负载转矩曲线如图3所示，当t=6 s时负载转矩从200 N·m突减为150 N·m，当t=8 s时负载转矩突加为250 N·m，当t=10 s时负载转矩降为200 N·m．

第6 s及第10 s螺旋桨阻转矩突然变小，推进电机有飞车的危险;第8 s螺旋桨阻转矩突然增大，推进电机有过载的危险．曲线后边的小的波动模拟正常海况下螺旋桨所受浪流小的扰动．

系统仿真波形如图4－图7所示．

图3 设定负载转矩曲线Fig.3 The setting load torque curve

图4 电机转速响应曲线Fig.4 The motor speed response curve

图5 电机电磁转矩曲线Fig.5 The motor electromagnetic torque curve

图6 电机A相定子电流曲线Fig.6 The motor stator current curve of A phase

图7 电机功率响应曲线Fig.7 The motor power response curve

由仿真图看出，在功率模式下，当负载转矩大幅度波动时，转速在超速保护下进行大幅度调整使推进电机功率变化平缓，电流波动小，减小了对电网的冲击，保证电网稳定;在负载转矩小波动(在功率调节阈值内)时，推进电机电流/功率不变，系统不受波动影响，运行稳定．

在转速模式下，当负载转矩大幅度波动时，电流波动大，推进电机功率变化大，转速波动小，最后稳定在设定转速，对负载变化敏感，负载转矩小波动时功率波动大．

通过以上对仿真结果的分析，得出:在起动阶段转速控制模式系统响应快，加速时间短，而运行过程中功率控制模式功率受负载变化影响小，电流、转矩波动平缓，系统抗冲击性好．机动航行或要求恒速航行时可采用转速控制模式，转速响应快，转速跟随性好．当海上航行时，螺旋桨负载不稳定(负载转矩波动频繁或有大幅度变化)时可采用功率控制模式，系统稳定性好，保证船舶安全航行．

3 结语

通过对小型电力推进船舶推进控制系统控制性能要求的分析，设计了小型电力推进船舶变频调速控制系统．通过一系列的仿真实验验证了该控制系统是可行的，为小型电力推进船舶推进控制系统实船改造提供了参考．同时，仿真结果表明对小型船舶电力推进控制系统的研究及改进，可以使小型电力推进船舶控制更趋智能化，更能适应海上多变的环境，提高电力推进系统的可靠性，保证船舶的动力安全，降低船舶运行风险．

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