电力推进船舶功率计算模块的设计

顾雪晨

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）



电力推进船舶功率计算模块的设计

顾雪晨

（海军驻上海地区舰艇设计研究军事代表室，上海 200011）

摘 要：随着电力推进技术的广泛应用，不同特性的电力负载在起动运行时对电网稳定造成一定冲击，引起电网电压不平衡，从而给负载功率需求计算带来困难。本文针对上述问题，依据软件锁相环设计了负载功率计算模块，并构建简化的船舶电网仿真模型，模拟负载在电网电压三相不平衡情况下功率计算，来验证功率计算模块的性能。结果表明该模块能够快速、准确地计算负载所需实际功率，为电力推进船舶能量管理功率控制策略提供精确数据。

关键词：电力推进 功率计算 电压不平衡 解耦软件锁相环 仿真

0 引言

相对于传统推进，电力推进船舶在电网结构上更为复杂，电网容量更大，电力负载更多，运行在不同工况时，负载的投切都会造成电网不对称运行。在电网电压不平衡时， 三相电网电压中包括正序、负序和零序电压。目前，船舶监控中大多采用互感器来采集负载电压电流来计算负载功率，此时计算的功率并不能反映负载实际所需功率，从而导致能量管理系统不能准确的执行负载功率限制、发电机组的投入等控制策略，影响能量管理系统的控制性能。

能量管理系统作为电力推进船舶管理中心，负责电能产生、调度、分配；负载运行监控管理。对于负载的控制，需要采集包括负载功率、断路器开关信号。功率计算模块则能为能量管理系统精确地提供上述负载信息。该模块主要通过的负载电压电流、断路器开关信号的采集，通过自身计算功能得出负载实时功率值，并通过网络信号传输给能量管理系统。对于三相平衡电网电压信号，常用采用锁相环的功率计算模块能够准确而快速的检测出负载电压幅值、相位和频率[1]，进而得出功率值；而在三相电网不平衡情况下，负载电压正序分量的幅值和相位均含有一定谐波，不能检测出负载的功率值。针对不平衡电网，采用双同步坐标系的解耦软件锁相环（DDSRF-SPLL）方案设计功率计算模块，建立简化的船舶电网系统及功率计算模块模型，针对三相电网不同变化情况，对比分析模块功率计算，验证该模块设计的实用性。

1 不平衡电网分析

当船舶电网电压三相不平衡时[2]，可将三相电压表示为式（1）：

其中，上标中的“+1”、“-1”、“0”分别表示正序、负序和零序。

因存在负序分量，使得电压矢量的幅值和频率不再恒定，因此无法准确计算出负载功率值。采用双同步坐标系的解耦软件锁相环（DDSRF-SPLL）[3-4]方案，分别将正序分量、负序分量固定到正序dq+1坐标系和负序dq-1坐标系上，如图1所示。

图1 双同步坐标系中的电压矢量

2 双同步坐标系解耦实现

依据上述原理建立解耦的双同步坐标系锁相环原理框图[5]，如图2 所示。

图2 解耦的双同步坐标系锁相环原理框图

3 仿真及结果分析

为验证本文设计的功率计算模块的可行性，在MATLAB/Simulink中搭建简化的仿真模块，三相电网电压为25 kV，频率为60 Hz，三相并联负载（RC）有功功率为5 MW，容性无功功率为5 MW。分别对三相电网平衡条件下电压跌落20%、频率跌落10%以及三相电网不平衡情况功率计算进行仿真研究。

图3 电压跌落情况下功率计算模块波形

图4 频率跌落情况下功率计算模块波形

如图3、图4所示，在三相对称情况下，无论是电网电压还是频率的突变，计算模块都能很好地对电网相角进行锁相，频率和功率在突变后很短时间内边进入稳定状态。

由图5可知，在三相电网A相短路情况下，电网频率出现短暂波动，负载功率值也下降，并都在较短时间内达到稳定值。

仿真实验结果表明，基于解耦的双同步坐标系锁相环原理设计的计算模块能够在三相电网平衡和不平衡情况下快速、实时的计算负载功率，满足船舶实时性控制要求。

4 结语

电力推进船舶的下层控制实时性、准确性将直接影响到船舶运行性能。本文依据解耦的双同步坐标系锁相环原理来设计负载功率计算模块，并通过仿真实验验证模块无论是在电压、频率突变的情况下，还是在电压不平衡的情况下，+都能够实时、准确的计算负载功率。验证了该模块设计的正确性、实用性。

图5 三相不平衡情况下功率计算模块波形

参考文献：

[1]林百娟.三相电压不平衡条件下锁相环的设计与实现[D].呼和浩特市:内蒙古工业大学,2009.

[2]张兴,张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012.2:422.

[3]Pedro Rodriguze,Josep Pou Joan Bergas.Decoupled Double Synchronous Reference Frame PLL for Power Converters Control [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2000,22(2):584-592.

[4]Rodriguze P,Bergas J.Decoupled double sysnchronous reference frame PLL for power converters control[J].IEEE Transaction Power Electronics,2000,22(2):584-592.

[5]王颢雄,马伟明,肖飞等.双dq变换软件锁相环的数学模型研究.电工技术学报,2011,26(7):237-241.

[6]Malinnowski M S.Senesorless Control Strategies for Three-Phase PWM Rectifier[D].Warsaw University of Technology.Ph.D.Thesis,2001.

Design of Power Calculation Module for an Electric Propulsion Ship

Gu Xuechen
(Naval Representatives Office in Shipbuilding of Ship Design Research in Shanghai,Shanghai 200011,China)

Abstract:With electric propulsion technology widely used,the electrical load with different characteristics could cause some impact on grid stability in the starting runtime,cause the grid voltage unbalance,and make it difficult to calculate the load power demand.Aimed at the above problems,load power calculation module is designed according to SPLL,and a simplified simulation model of ship power system is constructed to simulate and calculate load power at grid voltage phase imbalance situation to verify the performance of the power calculation module.The results show that the module is able to quickly and accurately calculate the actual power required by the load.It may provide accurate data for the energy management of electric propulsion ship power control strategy.

Keywords:electric propulsion; power calculation; voltage imbalance; decoupling SPLL; simulation

作者简介：顾雪晨（1981-），男。研究方向：电力系统。

收稿日期：2015-10-29

中图分类号：TP271

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0018-04