基于RT-LAB的电力推进船舶半物理仿真研究

汪 敏，欧阳松，杨俊飞



基于RT-LAB的电力推进船舶半物理仿真研究

汪 敏，欧阳松，杨俊飞

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

实验室内电推船舶的研究常采用小比例模型的方式。考虑到场地和经费的因素，仿真技术也被应用于电推船舶的研究，但是数字仿真存在置信度不足的缺点。本文以实时仿真机RT-LAB为基础，将受场地经费限制的设备以模型的形式在仿真机中运行，与实物一起搭建电推船半物理仿真平台。既可以克服数字仿真置信度不足的缺点，同时也便于进行工况的修改。

电力推进船舶 半物理仿真 RT-LAB

0 引言

20世纪 80年代以来，电力电子技术的发展和调速变换器技术的进步，为电力推进船舶的发展奠定了基础。20世界90年代以后，电力推进船舶在舰船领域开始得到迅速的发展。电力推进已经取得了广泛的应用。

大功率用电设备的使用，使传统意义上的以电站监控为主的船舶电力系统无法满足需求。船舶综合电力系统的概念由美国人在1994年提出，全船电力系统的各个环节均有统一的中央系统控制，便于系列化和模块化，从统筹全船能量的角度真正意义上实现了电力和推进两大系统的融合。电推船正在向着网络化，信息化，智能化的方向发展[1]。

1 半物理仿真

考虑到经费和场地限制，仿真技术被应用到电力推进船舶的研究中来。采用建模与仿真的方法，结合试验，对系统进行模拟。对修改设计，完善方案有很大帮助。尤其是一些设备因为价格昂贵，在控制机理不清楚的情况下，不宜贸然采用实物实验。

尽管仿真技术有着诸多的优越性，但是传统的数字仿真仍然存在不足。仿真是以相似理论为基础，通过对真实和虚拟的事物进行分析并进行模型构造。所以仿真系统并不能完全模拟真实的事物本身，并非绝对可信。仿真系统有多大的可信度，结果是否可用，与仿真过程中的一系列实施步骤密切相关[2,3]。

为了克服传统的数字仿真的不足，近年来，半物理仿真开始在研究和开发中大量采用，在很大程度上，克服了数字仿真置信度低，实时性差的缺点。

进行半物理仿真，需要配备专门的实时仿真机。目前市场上主流的实时仿真机有加拿大的RT-LAB、日本的A&D、德国的dSPACE以及我国自行研制的HILworks平台。

2 RT-LAB实时仿真机

RT-LAB实时仿真机是由加拿大Opal-RT Technologies推出的一款新型的基于模型的应用平台，主要用作工程设计与测试。应用RT-LAB仿真机，工程师可以在一个平台上实现工程项目的设计，既可以实现快速响应模型（RCP），又可以支持硬件在回路模式（HILS）。

用户可以根据需要将系统的模型分割成若干个子系统，并分布到X86的目标机网络中并行运算。另外，它还具备灵活的模块化的设计能力。

3 半物理仿真平台的构建

以RT-LAB为实时仿真机，搭建一个完整的小比例电推船舶电力系统平台。完整的平台包含的主要设备有：柴油机，调速器，同步发电机，配电板，能量管理系统，变压器，变频器，推进电机，模拟螺旋桨海况的负载电机，操控系统等。见图1。

柴油机，调速器，同步发电机，配电板，变压器设备昂贵，且占据空间较大，可以采取模型的形式，在仿真机RT-LAB中运行。

整个半物理仿真平台分为三个部分：仿真机、负载及基础控制。

1）仿真机，主要模拟柴油机，调速器，同步发电机，配电板，变压器环节。以及部分控制算法的执行。

2）负载，由两台变频器分别拖动两台异步电机，一台作为推进电机，模拟螺旋桨。另一台作为负载电机，模拟海况负载。两台电机以联轴的形式对接。变频器选用西门子SINAMIC S120 系列。

3）基础控制，负责整个系统的控制， 此外还具有PMS功能。PLC选用西门子S7-300系列。上位机选用西门子WinCC软件[4]。

更理想的架构还可以包括一个虚拟的左舷和实际存在的右舷，主模型及算法在主仿真机中运行，虚拟左舷在分布式仿真机中运行，实际右舷由两台对拖的变频电机进行实物仿真。如果模型搭建合理，左右舷的仿真曲线应该吻合。如图2。

图1电推船舶电力系统平台

图2 半物理仿真平台

4 系统数学模型

4.1柴油机与调速器完整模型

柴油机，调速器与执行器的完整模型可以由这三者的模型串联后进行简化。其中比较常用的一种简化后的建模方法分别是采用二阶环节进行组合建模，得出前向通路的传递函数为：

式中：为控制器放大系数。9为放大器时间常数。10为二阶环节的时间常数。为发电机组延迟时间。11、12、13为柴油机及其执行器的时间常数。

4.2同步发电机模型

同步发电机的模型有稳态模型，瞬态模型以及次瞬态模型。

同步电机的稳态模型，可以用一个内部等效的电压源，一个等效电阻和一个等效电抗来描述。如果将凸极电机的等效阻尼绕组考虑在内，该绕组等效阻尼时间常数较大，则可以得到同步电机的瞬态模型。在瞬态模型的基础上，如果再将凸极电机时间常数较小的等值阻尼绕组的特性考虑在内，会得到同步电机的次瞬态模型。

不同精度要求的系统，采取不同形式的模型。当模型阶次提高，仿真的精度也会提高，但是计算量会随之而增加，进行仿真时整体时间会加长，系统运算速度会下降。

4.3励磁系统模型

励磁系统前向通路传递函数为：

其反馈单元为：

其中，k为主调节器放大倍数；t为主调节器的时间常数；t为超前补偿时间常数；t为滞后补偿的时间常数；k为反馈阻尼环节的放大系数；t为阻尼反馈环节的时间常数。

4.4螺旋桨数学模型

螺旋桨的数学模型需要将伴流系数、推力减额系数、阻力、螺旋桨推力系数、扭矩系数、进速比考虑在内。其中伴流系数、推力减额系数需要符合一个数值连续的分段函数，避免仿真中发生跳变。

动态时，进速比的范围变化很大，为了克服这个困难，对进速比的值，需要用Chebyshev多项式拟合。从而得出螺旋桨的推力和转矩。

船桨的数学模型，需要先按照实船的参数推算出螺旋桨的扭矩T，随后将其进行折算，由折算结果得出半实物仿真系统中负载电机的输出转矩T。

计算在仿真机中是通过软件实现的。输入量为船速和螺旋桨的转速，经过模型计算后，输出量为负载电机的转矩。船速可以由船桨数学模型求得，故船桨模型的输入量仅有螺旋桨转速。

螺旋桨的总模型如图3[5]。

4.5电力系统模型

选用三台发电机组成电站模型。RT-LAB中还应运行功率限制模型和脱扣检测模型。

因为Matlab中无滑动变阻器，而使用电机模型做负载，在起动时对发电机模型冲击过大，系统容易报错。为实现模型中的可调负载，在仿真时，发电机的负载使用直流斩波的方式完成。

为保证功率限制在恢复时转矩及功率不出现过冲，推出快速功率限制时，应该增加一个斜坡函数，对过冲进行抑制。

主推以外的负载，可以在RT-LAB中定义一个函数。该函数值与从PLC传输过来的推进电机实际功率相加，作为系统总负荷。

RT-LAB软件中，模型被划分为SM与SC两部分。模型在SM中运行，操作和监控在SC中进行。SC与SM间由专用块连接。

封装完毕后的RT-LAB模型结构如图4。

图4 RT-LAB模型结构

5 半物理仿真验证

5.1柴油机起动试验

发电机空载启动，运行稳定后，6 s时给发电机突加1.35 MW，功率因数为0.8的阻感负载。在14 s时再突加同样的负载，通过自动调节，使电机稳定运行。试验结果见图5。从上至下依次为柴油机转速、发电机端电压、柴油机转速变化率。

5.2功率限制时柴油机试验

以大负载转移的方式，模拟异常脱扣。发电机运行在60%负载下，突增60%负载。图6中，从上至下依次为柴油机转速、发电机端电压以及柴油机转速变化率。当大负载突增后，因功率限制投用，迅速将其降到额定负载的20%。柴油机转速和发电机端电压能够保持稳定。柴油机转速变化率出现较大跌落，但是迅速被纠回。

图5 起动试验机组波形

图6 功率限制试验机组波形

5.3功率限制恢复试验

图7，图8分别为快速功率限制恢复时，有无斜坡时，推进变频器功率的波形对比。由图可见，没有斜坡时，功率恢复会出现较大的过冲。增加斜坡后，过冲得到明显的改善。

5.4快速功率限制试验

图9为快速功率限制时，推进变频器的转矩波形。当检测到开关的异常脱扣后，变频器在60 ms的时间内通过限制转矩完成功率的限制。

图8 有斜坡退出功率限制变频器波形

图9 快速功率限制变频器波形

6 结束语

基于实时仿真机RT-ALB可以搭建半物理仿真平台进行船舶电力系统的研究。其优势在于兼有数字仿真的灵活性与物理仿真的实时性。以此为基础，可以扩展为分布式仿真平台，对电力推进船舶进行更深入的研究。

[1] 徐水法, 韩琦, 杜军. 船舶能量管理系统PMS研究[J]. 中国航海, 2005, (3): 78-86.

[2] Parker D.S,Hodge C.G.Electrical Marines and Drives[C]. The Electrical Warship, Proceedings of the 8th International Symposium IEEE, 1997: 5-13.

[3] 罗成汉. 船舶电力推进模拟平台的研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2013.

[4] 罗成汉, 陈辉. 船舶能量管理系统PMS对策[J]. 中国航海, 2007, (4): 87-91.

[5] 高海波. 船舶电力推进系统的建模与仿真[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2008.

RT-LAB –based Semi-physical Simulation of an Electric Propulsion Ship

Wang Min, Ouyang Song, Yang Junfei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

Small scaled model is often used in the research of electric propulsion ship. At the same time, simulation is also used in the research taking sites and funds into consideration. It has the defect because of the lack of confidence level in simulation. Based on the real-time simulation machine RT-LAB, the equipment which is restricted by sites and funds can be running in RT-LAB as models. Semi-simulation platform consists of RT-LAB and other substantial equipments. By this way, the confidence level can be improved and the working condition can be also modified freely.

electric propulsion ship; semi-physical simulation; RT-LAB

TP391.9

A

1003-4862（2016）04-0077-04

2015-12-23

汪敏（1984-），男，助理工程师。研究方向：船舶电力推进系统设计与应用。