变速恒频双馈型船舶轴带系统试验平台的设计

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(中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 201108)

船舶轴带电机利用燃烧重油的船舶主机来进行发电，比一般燃烧轻柴油的发电机组提高了燃油经济性。另外，通过能量的流动方向的控制能够使轴带电机运行在电力推进模式，从而提升船舶推进总功率，有利于降低船舶主机初始功率设计要求[1-3]。在船舶主机出现故障的情况下，船舶轴带电机也能够起到应急助推作用，在一定程度上提高了船舶的安全性。为了研究轴带系统变速恒频控制的的性能和双馈型船舶轴带电机的运行特性，考虑设计并搭建由电站、推进系统、轴带系统和监控系统4个分系统组成的试验验证平台，开展轴带电机不同工作模式的功能和性能验证试验。

1 试验平台构成

变速恒频双馈型船舶轴带系统试验平台总体方案框图见图1。

1.1 电站

电站作为船舶电力系统的核心，为了充分体现船舶电力系统的功能，本试验平台的电站由市电主开关柜、4台10 kW模拟柴油发电机组、1套配电板和负载柜等组成。市电主开关柜用于向变压器和模拟柴油发电机组电机供电。

模拟柴油发电机组采用电机模拟柴油机驱动发电机向配电板供电；配电板包括4个10 kW发电机控制屏，1个并车屏，1个轴带屏和2个负载屏；负载柜由2个30 kW阻性负载与30 kVar感性负载组成，模拟船用负载。该电站具备自动、半自动和手动功能，操作人员能够根据机组运行情况选择不同的控制功能。在自动功能情况下，电站能量管理系统能够依据船舶的负载情况进行发电机组的并车、解列、负载转移和功率分配控制等控制，并能够根据船舶运行工况，控制轴带电机的运行状态。

1.2 推进系统

推进系统主要包括1台移相变压器、1套变频器柜、1台驱动电机、1台模拟负载电机、制动电阻及液压离合器等设备。

变频器、驱动电机、模拟负载电机采用690 V的电压等级，电源由移相变压器提供，由市电主开关柜进行控制。移相变压器容量为300 kVA，主要用于升压和移相，将电压从380 V升到690 V，为12脉冲推进系统用变频器柜供电。变频器柜含有1个整流单元、2个逆变单元，通过公共直流母线连接，2个逆变单元分别控制驱动电机和模拟负载电机。驱动电机由监控系统控制运行在不同转速，模拟船舶主机动力特性。螺旋桨负载特性由模拟负载电机模拟，通过螺旋桨静态仿真模型来控制负载电机的转矩，达到模拟船舶螺旋桨负载效果。负载电机工作在发电机模式，驱动电机或轴带电机带动模拟负载电机发电，发出的电能通过逆变单元反馈回直流母排，被驱动电机重新利用，发出的电能没有被驱动电机消耗的部分，由制动电阻消耗。

1.3 轴带系统

轴带系统由轴带电机、变速恒频装置和离合器组成。轴带电机采用双馈感应电机，额定功率37 kW，额定电压400 V，同步转速为1 500 r/min。轴带电机可运行在发电与电动两种状态下，在发电机运行模式下，经过变速恒频装置控制，输出恒频恒压交流电，与电站中模拟柴油发电机组并网发电；在电动机运行模式下，由电站供电，经变速恒频装置的驱动，单独驱动或共同驱动模拟负载电机。

变速恒频装置主电路采用双PWM交直交变流器结构，网侧与机侧变流器经中间直流母线相连，直流电容作为储能元件[4]。变流器采用IGBT全控器件，具有电功率双向流动能力，能满足轴带电机在不同运行模式下变速恒频运行以及功率灵活、快速调节的要求[5]。轴带发电系统变速恒频装置控制系统原理框图见图2。

离合器采用湿式液压多片离合器，模拟实船离合器的接合、脱开过程。液压离合器连接驱动电机与轴带电机，由监控台控制接脱排。

1.4 监控系统

监控系统主要由主控站、PLC、显示器、控制面板、仿真计算机、数据分析计算机等设备组成。该系统通过Profibus-DP接口与驱动电机变频器和模拟负载变频器通讯，用于实时监测变频器、电机运行工况，控制电机的起动、加减速和停车等动作，满足船舶操作规范。驱动电机的控制采用转速控制方式，根据控制手柄指令输出转速控制值。模拟负载电机的控制采用转矩控制方式，转矩设定值由仿真计算机内运行的定距桨静态仿真模型根据轴转速反馈信号计算得出。

同时该系统通过RS485与变速恒频装置、电站通信，实时监控变速恒频装置和轴带电机运行状况，监测电站运行状况；通过以太网将监测数据和控制指令发送到数据记录分析计算机；可以监测整个试验平台的运行状态，具有报警、数据记录、数据存储和外发等功能。

2 轴带系统工作模式试验

船舶正常运行时，主要由船舶主机推进而柴油发电机组提供电力。轴带电机系统根据船舶运行状态并入配电电网，并通过轴带电机发电与电动模式为船舶灵活提供电力或机械动力，以提高船舶燃油经济性能。双馈式轴带系统在变速恒频装置的控制下能够在变速运行条件对轴带电机有功无功功率的极性与大小进行独立调节[6-7]。由于采用了矢量控制策略，因此轴带电机功率调节迅速(调节时间小于100 ms)、稳定，使得轴带双馈电机近似工作在理想功率源状态。利用轴带电机优良的功率调节特性，轴带系统能在轴带发电模式(PTO)、轴带并车推进模式(PTI)和轴带电机单独推进模式(PTH)3种模式之间灵活、平滑切换。为验证轴带系统通过变速恒频装置控制在不同模式运行以及模式间平滑切换的性能，在该试验平台上开展了大量试验工作。本文重点阐述PTO/PTI两种模式的试验情况。

2.1 轴带发电模式(PTO)

轴带发电模式时，模拟船舶主机作为唯一的动力源，通过液压离合器驱动轴带电机和模拟负载运转。轴带双馈电机在变速恒频装置控制下无冲击地并入船舶电网，并向电网输出有功和无功功率，以满足船用负荷用电需求。同时，变速恒频装置能够保证在船舶主机转速在一定范围内变化时的功率的稳定输出。轴带系统并网发电运行下对应不同转速下的实验结果见图3、4。

如图3所示，转速1 332 r/min时，定子电流35.2 A/50 Hz，转子电流12.6 A/5.9 Hz。从实验波形图中可知定子c相电流超前ab线电压90°。双馈电机作单位功率因数运行，向电网输出无功功率为零，有功功率21.5 kW。

如图4所示，转速1 725 r/min时，定子电流35.6 A/50 Hz，转子电流12.5 A/7.5 Hz，双馈电机向电网输出有功功率28.4 kW，无功功率为零。

比较不同转速时并网运行模式下的实验结果可知：尽管定转子电流幅值基本相同，随着双馈电机转差极性反转(S=0.12变化到-0.15)超同步运行时，双馈电机向电网输出的有功功率大于次同步转速时输出的功率，这正好与主机功率随转速增加而增大相匹配。

2.2 并车推进模式(PTI)

并车推进模式时，轴带电机由电站供电同船舶主机共同驱动螺旋桨运行，以满足船舶在特定工况下对更大的功率输出要求[8]。根据轴带双馈电机控制策略，在同步轴系下改变d轴电流极性，就可让电机工作在电动状态和船舶主机一起并车推进船舶运行。该平台实验验证了轴带系统并车推进模式性能，转速1 725 r/min时不同负载条件的实验结果见图5、6。

如图5所示，轻载运行时电机定子电流20.1 A/50 Hz，转子电流8.0 A/7.5 Hz。从实验波形中可以看出，定子c向电流滞后ab线电压90°。与并网发电模式相比，定子电流相位反转180°，说明电机功率状态由发电变化为电动。轻载运行时双馈电机功率因数为1，输出机械有功功率约16 kW。

在同步坐标系下增加转子d轴电流，可增大轴带双馈电机输出的机械功率。如图6所示，重载运行时电机定子电流35.0 A/50 Hz，转子电流13.0 A/7.5 Hz。从实验波形中可以看出，定子c向电流滞后ab线电压90°。与并网发电模式相比，定子电流相位反转180°，这说明电机功率因数为1，输出机械有功功率约为27.9 kW。

3 结论

设计了一套由电站、推进系统、轴带系统和监控系统4个分系统组成的变速恒频双馈型船舶轴带电机试验平台，在平台上实现了双馈型轴带电机发电时的输出电功率或电动时的输出轴功率。试验结果表明，变速恒频双馈型船舶轴带系统在不同转速和不同运行模式下，具有良好的动态和稳态性能；有功无功功率的方向与大小的独立调节，能有效避免船舶主机转速波动时轴带电机并网对电站电能质量的影响，适用于船舶主机的不同转速范围要求。

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