船舶電力推進(jìn)變頻裝置控制方法探究

1 引言

對于船舶動(dòng)力而言，電力推進(jìn)系統(tǒng)未來發(fā)展中，變頻裝置具有調(diào)速范圍寬，平滑性好，運(yùn)行效率高，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，隨著變頻技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用，在船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，變頻裝置也具有廣闊的應(yīng)用前景。本文針對船舶電力推進(jìn)變頻裝置控制策略進(jìn)行探討，以期推動(dòng)其更加持續(xù)的應(yīng)用。

2 船舶推進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)帶來的影響

船舶電網(wǎng)本身屬于有限電網(wǎng)，其系統(tǒng)慣性系數(shù)偏小，針對電力推進(jìn)的船舶電力系統(tǒng)而言，因?yàn)槠浔旧淼碾娋W(wǎng)和負(fù)載容量一致，其推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的功率占據(jù)電網(wǎng)功率 70% 左右，相比大電網(wǎng)還存在一定的差距。當(dāng)負(fù)載的電流出現(xiàn)變化，特別是電機(jī)啟動(dòng)等感性電流推進(jìn)時(shí)，利用電樞反應(yīng)，就可以讓發(fā)電機(jī)的端電壓出現(xiàn)變化，進(jìn)而對用電設(shè)備的正常運(yùn)行帶來影響，最終影響整個(gè)電力系統(tǒng)。另外，在電機(jī)啟動(dòng)過程中，一旦發(fā)電機(jī)組的有功功率和轉(zhuǎn)矩輸出不夠穩(wěn)定，也會(huì)影響電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性，不穩(wěn)定的頻率就會(huì)直接影響整個(gè)電力系統(tǒng)，甚至造成系統(tǒng)崩潰。

3 推進(jìn)系統(tǒng)變頻裝置控制策略研究

在船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中，基于電力變換裝置作為基礎(chǔ)的電能變換和處理，如何確保電力變換裝置互聯(lián)系統(tǒng)本身的穩(wěn)定運(yùn)行，就是關(guān)鍵所在，針對控制結(jié)構(gòu)圖，具體見圖 1 所示。

3.1 基于直流母線電壓前饋的變頻器控制

針對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，其功率達(dá)到幾兆瓦或者幾十兆瓦，直流側(cè)參數(shù)出現(xiàn)變化和電機(jī)本身的穩(wěn)定性有著直接的關(guān)聯(lián)。當(dāng)增加了直流側(cè)電容容量或者是電阻阻值之后，就會(huì)通過減少電感來提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是利用硬件系統(tǒng)的改變，會(huì)增加物理體積以及成本，并且還會(huì)增大功率的損耗，這樣也會(huì)制約方法的有效應(yīng)用。目前，直流母線穩(wěn)定性控制策略是應(yīng)用最為廣泛的[4-8]。如圖 2 所示，對于直流母線電壓前饋，就相當(dāng)于將虛擬電容引入直流側(cè)，這樣在實(shí)際電容大小不改變的前提下，實(shí)現(xiàn)虛擬電容值的增加，這樣就可以保護(hù)好直流母線電壓本身的穩(wěn)定性。

3.2 基于電流擾動(dòng)觀測的變頻器控制

利用傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測器，主要是為了將實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)的不確定性消除，并且減少擾動(dòng)變量帶來的影響，其結(jié)構(gòu)見圖 3 所示。

如圖 4 所示，在添加基于電流擾動(dòng)觀測（CDOB）變頻器控制策略之后，推進(jìn)系統(tǒng)母線端總阻抗 Zbus 的 Nyquist 曲線越過虛軸從復(fù)平面做半平面直接人進(jìn)入到右半平面，右邊為左邊虛線框的放大圖。事實(shí)證明，提出基于電流擾動(dòng)觀測（CDOB）的變頻器控制策略，就可以幫助系統(tǒng)增強(qiáng)無源性，這樣也可以幫助系統(tǒng)增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

3.3 控制策略仿真結(jié)果分析

基于電機(jī)控制參數(shù)，通過 MATLAB/Simulink軟件，直接搭建船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型，從而對其控制的有效性進(jìn)行驗(yàn)證[9-11]。為了縮短仿真的時(shí)間，提升仿真效率。針對船舶正車啟動(dòng)典型工況進(jìn)行模擬，從而推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及直流母線電壓波形見下圖 5 所示。

在正車啟動(dòng)的時(shí)候，基于輕載狀態(tài)下，按照設(shè)定值來穩(wěn)步的提升，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，直流母線電壓有所降低，在變頻器不增加任何額外控制策略的時(shí)候，能夠確保其穩(wěn)定。

在海上航行的時(shí)候，船舶會(huì)受到風(fēng)浪影響，進(jìn)而出現(xiàn)垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)，隨著波浪起伏，也會(huì)讓螺旋槳的軸深出現(xiàn)變化。在出水和入水的瞬間，因?yàn)槌辽畛霈F(xiàn)變化，就會(huì)導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)變化?；谙嗤r，選擇直流母線電壓的前饋?zhàn)冾l器進(jìn)行控制，在直流母線電壓前饋加入之后，在 0.8 s 的時(shí)候，負(fù)載轉(zhuǎn)矩從原本的 100 Nm 上升到 500 Nm，隨之增加電磁轉(zhuǎn)矩，其直流母線的電壓會(huì)降低到 770 V，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到 1 125 r/min，經(jīng)過 0.4 s 之后，恢復(fù)到 1 200 r/min。在 1.6 s 的時(shí)候，負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)從原本的 500 Nm 降低到 100 Nm，并且還會(huì)隨之減小電磁轉(zhuǎn)矩，讓直流母線的電壓逐漸增大到 820 V，但是電機(jī)本身的轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯的變化。

通過分析可以得到，基于電流擾動(dòng)觀測變頻器控制，會(huì)直接抑制直流母線電源波動(dòng)，但是在增加負(fù)載轉(zhuǎn)矩的時(shí)候，就會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速跌落，不過相比直接母線的電壓前饋，其跌落的幅度是很小的。

在相同的負(fù)載條件和前饋增益的前提下，基于電流擾動(dòng)觀測變頻器的控制策略敏感度，相比前饋，具有極大限度的提升。也就是說，在電流擾動(dòng)觀測變頻器控制之下，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和直流母線電壓的關(guān)系更加密切，并且波動(dòng)帶來的彼此影響會(huì)增大，這就是存在的不足之處。通過相比的比較分析，這一控制策略可以將變頻器推動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)的恒功率特性逐漸改善，有利于推進(jìn)系統(tǒng)無源性的提高，同時(shí)也可以幫助船舶增強(qiáng)其綜合電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[12]。

4 結(jié)語

總而言之，隨著能源的開發(fā)與利用，以及電力電子器件的更新與換代，推動(dòng)了船舶電力系統(tǒng)的研究與發(fā)展。所以，希望通過本文對船舶電力推進(jìn)變頻裝置控制策略的分析，對于今后的研究有一定的借鑒意義。