双馈变频供电的电力推进系统研究

徐　燃，王　英（大连交通大学电气信息学院，辽宁大连116028）



双馈变频供电的电力推进系统研究

徐燃，王英
（大连交通大学电气信息学院，辽宁大连116028）

摘要：文章提出了一种由双馈发电机提供变频电源，驱动变频电机的电力推进系统。该系统通过对双馈发电机转子励磁，产生变压变频电源驱动电机调速运行。由于双馈发电机转子侧只需提供转差功率，使得变频器的容量较小，可以在一定程度上缓解电力推进对变频器容量需求较高的问题。文章给出了电力推进系统的结构框架，建立了系统的数学模型，并根据所建立的数学模型，利用MATLAB对其进行了仿真分析，验证了此电力推进系统变频调速的可行性。

关键词：电力推进双馈电机变频发电变频调速

0　引言

电力推进的核心就是电机的变频驱动，目前国内和国际上都是采用大功率变频器来驱动专用的变频电机实现推进，系统中变频器功率要和电机匹配，即变频器功率大于等于电机功率。针对目前电力推进系统对变频器容量要求不断提高的情况，本文提出一种基于双馈发电机的变频电源供电的电力推进系统结构。由于变频器的作用是给双馈发电机转子侧提供励磁电流，由双馈电机的工作原理可知，变频器只需提供转差功率，大幅度减小了对变频器的容量需求。双馈发电机在风力发电和船舶轴带发电中已广泛应用，控制技术相对成熟。文章在这些理论的基础上，设计了系统的结构，建立了数学模型，并对船模在静水中正向航行的特性进行SIMULINK仿真研究。

1　系统工作原理

系统的工作原理为，柴油机和双馈发电机同轴相连，带动发电机转子在一定的速度下旋转。转子绕组与变频器相连，通过控制转子侧的励磁电流实现双馈电机定子侧变压变频电源的输出。双馈发电机定子侧绕组与所驱动的异步电动机定子绕组直接相连，通过改变双馈发电机定子发出电压，实现异步电动机变频调速。异步电动机加上负载即螺旋桨来进行船舶的电力推进。

2　双馈变频推进系统的设计与分析

2.1 柴油机的工作特性[3]

目前以柴油机为原动机的技术较为成熟，在电力船舶领域有着广泛应用。因此本文研究以柴油机为系统原动机的建模过程。由上世纪七十年代发展至今，关于增压柴油机动态建模的方法有三类：基于“准稳态法”先行建模、基于“容积法”动态建模和多阶非线性准稳态模型。由于发电用的柴油机要求在负荷变化时转速基本不变，即重点在于柴油机的外部转速特性，因此本文采用第一种建模方法。柴油机及其速度调节器的结构如图1。

图1　柴淮机及其速度调节器的模型结构图

其中ρ表示柴油机的下垂特性，τ取决于燃油温度，φ取决于燃油流速，柴油机本身用一个带有比例环节K及死区时间为TD滞后环节来表示。

由于柴油机模型中带有的纯滞后环节使整个系统成为非最小相位系统，给分析和设计带来了不小的麻烦，本文采用文献[3]中的设计方法，用一个二阶多项式分式来做近似，如式1：

其中TD与柴油机转速n有关系，即

文献[3]中的各种柴油机结构参数是基于实际电力舰船所得到的，因此可以作为仿真取值的参考，并可根据不用的实际要求对文献中的数据加以修改。

2.2 双馈发电机VVVF电源输出控制策略

本节讨论此电力推进系统的电源部分。本文采用交-直-交变频器，对双馈电机控制的核心就是对变频器转子侧逆变器的控制，由于篇幅的原因将不详细介绍网侧整流器的工作原理和控制方法，网侧整流器给转子侧逆变器提供稳定的直流电压。

由于转子侧逆变器的目的是控制双馈异步电机的转子侧电压和电流，所以其控制方法要根据双馈异步发电机的数学模型来建立。此时的逆变器采用发电机定子磁链定策略来控制，双馈异步发电机在定子磁链定向下的dq数学模型为：

由此式可以看出定子的电压和电流之间的关系还受到交叉耦合项的影响，这是采用前馈电压补偿的方法可以消除这一影响，需要前馈补偿的电压为式2.8：

磁链在αβ坐标系的模型为：

其中矢量分析器为：

系统逆变器的控制结构图如图2中的虚线部分。

由图2虚线部分可以看出，在以上述控制策略建立起的变频电源系统中，给定定子的角频率ωs，则可以根据设定的压频比得到对应的电压给定值，根据这两个给定值来得到后面负载所需要的电压。

2.3 电力推进系统转速闭环控制

系统采用的推进电机是异步电机，双馈发电机给推进电机提供变频电源。如果通过给定变频电源的输出频率控制负载电机转速时，此时系统为开环结构，将不可避免地产生转差即转子转速略低于给定定子磁场转速。为了消除这一影响，系统外环采用转速闭环控制如图2的反馈环节，将给定的负载电机转速和实际负载电机转速作比较，通过PI调节器得到实际提供给变频电源的输出角频率。采用这种闭环系统，就可以直接给定负载电机转速，使调速更加精确。

2.4 螺旋桨的工作特性

螺旋桨作用在推进电机上的转矩用无因次量表示为2.11：

其中KM是转矩系数，ρ为海水的密度，n为螺旋桨转速，D为螺旋桨直径。转矩系数KM是进速比J的函数，其中进速比J的表达式为：

其中vs为船速，ω为伴流系数。本文做了一些简化处理，满载船舶在静水中航行时，螺旋桨转矩与转速的关系为[7]：

即螺旋桨转矩近似的和转速的平方成正比。

3　系统仿真及其分析

把以上建立起的柴油机模型、变频电源-电机模型和船桨模型连接在一起便组成了双馈变频推进系统，利用MATLAB/SIMULINK模块对这个系统进行仿真。

本文只是进行理论上的研究，因而采用实验室用的较小功率的电机来进行仿真，电机的参数选择如表1：

表1　电机参数选择

MATLAB仿真的过程为：船舶由静止开始启动、加速，进行正向航行，一直到螺旋桨转速达到给定值并保持在给定值附近稳定运转。这里将螺旋桨给定值设为300 r/min,得到螺旋桨转矩和转速波形、推进电机定子电流波形和变频电源发出的电压波形。如图3。

由（a）和（b）可以看出船舶由静止到正向航行稳定期间的动态响应时间很短，转速稳定时基本保持在300 r/min不变，转矩有较大脉动，但是调节时间很短，最后也达到稳定。（c）和（d）可以看出在螺旋桨实际转速和给定值不同时，变频电源部分会自动的调节输出电压的频率和幅值来确保速度与给定值吻合。

4　结论和展望

本文主要对双馈变频供电的电力推进系统结构进行了建模和仿真，仿真的结果证明了这种结构在理论上是可行的。由于这种模型是采用模块化建立的，因此便于修改和完善，例如改善电机与螺旋桨匹配关系得到更高的推进效率，考虑船体本身的运动得到更好的特性曲线等等。虽然我国对电力推进系统的研究还处于起步阶段，但是当前对它的研究和应用越来越广泛，随着我国自主研发并投入生产实践的电力推进船舶越来越多，也标志的中国电力推进研究不断进步。

图2　系统逆变器控制结构图

图3　仿真结果

参考文献：

[1] 刘波，陈明，侯锦福，胡成.船舶综合电力推进应用探讨[J].设计与研究,2014,139（6）:82-83.

[2] 俞万能.无源滤波装置在船舶电力推进系统中的应用[J].中国航海,2009,32（1）:29-33.

[3] 王磊.船舶电力推进系统建模与分布式仿真研究[D].大连：大连海事大学，2013.

[4] 罗彬.船舶电力推进系统螺旋桨负载特性研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[5] 马继先，陈源，陆振伟.船舶电力推进系统螺旋桨负载的建模与仿真[J].2014,22（1）:56-59.

[6] 田玉超.舰船电力推进系统[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2009.

[7] 赵红，郭晨，吴志良.船舶电力推进系统的建模与仿真[J].中国造船，2006,47（4）：51-55.

Research on Electric Propulsion System with Doubly-fed Variable Frequency Power Supply

Xu Ran,Wang Ying
（School of Electronics and Information Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,Liaoning,China）

Abstract:The paper presents a type of electric propulsion system.In this system,doubly-fed generators provide the variable frequency power to drive the frequency conversion motor.This system uses the rotor excitation to produce variable voltage and variable frequency power supply to drive the motor to adjust speed.Because the rotor side of doubly-fed generators only needs to provide the slip power,it makes the inverter capacity be small.So it can offset problems that electric propulsion needs the inverter which has the high capacity by this system.The paper elaborates the architecture of electric propulsion system and builds mathematical model.It also verifies the feasibility of frequency conversion speed regulation by Matlab in accordance with the established mathematical model.

Keywords:electric propulsion;doubly-fed generators;inverter generator;frequency conversion speed regulation

作者简介：徐燃（1991），男，硕士研究生。研究方向：电力系统自动化。

收稿日期：2015-09-09

中图分类号：U665.11

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0053-04