船舶直流电网建模与仿真

单晓宇 黄建忠 吕若辰

摘 要：本文介绍了船舶直流电站系统的组成，并对原动机、发电机、整流部分进行了原理分析、建模和仿真，验证了系统在加卸负载时的稳定性。

关键词：船舶；直流电站；SIMULINK仿真

0 引言

随着船舶工业的进步和电力电子技术的发展，船舶电力推进技术已有一百多年历史。最近因为可控整流技术的发展，让船舶直流电网越来越热门。直流电网相比过去的交流电网有着燃油效率更高，所需空间小，维护成本低等优势。

1 船舶直流电站系统组成

相比由原动机、同步发电机、输配电线路和交流负载组成的传统船舶交流电站系统，直流电站系统在发电机输出端对输出的交流电压进行整流升压后并入高压直流电网。同时在电网负载侧，每个驱动电机连接独立的逆变电路。船舶直流电网系统的组成如图1所示。

1.1 柴油机及其速度控制系统

发电机组的转速由柴油机转速控制系统确定，可以通过改变燃油喷射量来调节柴油机的转速。对于作为原动机的柴油机，其转速的稳定直接影响了整体的稳定性，因此对其转速稳定有严格的要求。

转速反馈单元的输入量是柴油机的当前实际转速，经过转速传感器后输出一个转速信号，这个脉冲电压信号的频率与柴油机当前的转速成正比。我们定义转速反馈单元的增益为K1。转速控制单元是整个电子调速器的控制核心，调速系统的调速性能主要受它影响。在实际使用的调速器中，转速控制部分都设置一个限幅模块，来避免当柴油机在达到最大供油量时供油齿杆继续动作增加供油。在一般的PID控制过程中，当输出信号达到极限饱和时，误差随时间会被继续积分，从而导致输出信号更加饱和，使得系统的控制性能达不到要求。所以信号未达到饱和时，和饱和后对应的传递函数分别为

执行机构是整个调速系统的动作调节单元，能把油门位置的电压信号转换成油泵刻度齿条的实际位置，从而将控制的过程转化为对实际的喷油量的调节，来达到调节柴油机的转速的目的。由于其转换过程较为复杂，为了便于分析建模，我们对其进行简化，用比例环节和惯性环节来进行表达，其公式为

1.2 励磁控制系统

励磁控制系统供给并控制同步发电机的磁场电流，使得当发电机输出在容量之内连续变化时，能维持端电压。此外，励磁控制系统必须能够通过与发电机瞬间和短期容量一致的强励来响应暂态扰动。一个典型的相复励交流无刷励磁控制系统由相复励装置，交流励磁机和自动电压控制装置（AVR）组成。

励磁控制系统模型中4个输入量Vref，Vd，Vq，Vstab对应发电机设定电压，发电机d，q轴电压和发电机接地零电压，输出Uf为励磁电压。Vd与Vq通过d-q轴电压与功率投影计算后经过低通滤波器的作用生成相复励的电压信号。这个电压信号，一部分被送入到主控制回路进行处理后送到比例饱和环节，一部分直接送到比例饱和环节，经过选择后输出到励磁机。

2 系统仿真与结果

发电机输出端经过三相可控全桥整流，和直流升压电路在直流母线输出稳定直流电压。直流电网仿真模型如图2所示。

2.1 原动机启动特性实验

对原动机进行空载启动，给定信号，得到原动机速度跟随变化曲线，如图3所示。

从图3可以看出，柴油机可以较好地跟随速度给定信号，并实现稳定。

2.2 加卸负载仿真实验

当空载达到额定，并稳定运行时，在第5秒，突加负载。得到柴油机转速波形，励磁电压波形和直流母线电压，如图4所示。

仿真结果显示在第5秒突加负载时，母线电压，柴油机转速突然降低后又回归并保持稳定。母线电压稳定后，突卸负载，可以看到母线电压升高后迅速下降并稳定。实现了直流母线电压恒定的控制要求。

3 总结

本文对船舶直流电网进行了仿真，建立了控制系统模型，并驗证了在典型工况下直流母线电压的稳定性。

参考文献

[1]施亿生，谢绍惠.船舶电站[M].国防工业出版社，1981.

[2]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M].机械工业出版社，2010.

[3]罗乐.船舶电力系统建模与控制[D].武汉理工大学，2011.

[4]吴赛赛.船舶电站系统建模与仿真[D].哈尔滨工程大学，2013.

（作者单位：上海海事大学）