全电力船电力系统建模与仿真

阎学范

（江苏科技大学 江苏 镇江 212003）

下一代军舰将以综合电力系统（IPS）[1]为显著标志，综合电力系统包括主要电源和辅助电源[2]，由它们给推进发电机组提供动力，同时，给船舶电力负荷提供能量。随着发电系统的整合，新技术的引进，如集成电力电子系统，智能控制系统和能量存储技术。如何进行实时的电源管理和电力系统重构变的尤为重要，尤其是在设备故障和战斗损耗的情况下。电源管理的主要目标是确保持续的为电力负荷供应电力，从而提高舰船电力系统的可靠性和生命力。

全电力船（AES）的电网通常拥有电力推进系统，电子武器系统和船舶服务相关的电力负荷。目前，新建舰船越来越多的使用区域配电系统[3]（Zonal Electric Distribution System），区域配电系统 （ZEDS）可以增强配电网络的可靠性和生命力。不同与传统的辐射状配电系统，区域配电系统（ZEDS）采用两个主总线（右舷总线和左舷总线）为重要负载提供冗余路径。这样，在不同的战况下，区域配电系统（ZEDS）可以动态重构，以响应不同优先级的负载的实时潮流。

图1说明了舰船综合电力系统的单线图。综合电力系统（IPS）主要包括发电模块（PGM），电源转换模块（PCM），能量存储模块（ESM），电推进模块（EPM）和重要/非重要负荷。发电模块可以是燃气涡轮机，柴油发动机或燃料电池。由于这些动力源有不同的响应时间，负载有不同的运行特性，稳定性，效率和性能对电力系统电源管理的动态优化是至关重要的。电源管理系统[4]要面对的问题主要包括：1）如何协调电源与电源转换器，以确保重要负载的不间断电力供应？2）如何重新配置系统，以取得最佳效果和最大可靠性？3）如何实现重新配置，以确保在暂态电能质量和系统运行的完整性？

图1 舰船综合电力系统的单线图Fig.1 One-line diagram of Shipboard Integrated Power System

1 综合电力系统（IPS）的模块化建模

由于综合电力系统（IPS）是一个大规模电力系统，含有许多高频电源开关或其他模拟起来非常耗费内存的组件，模拟和调试这样一个大系统非常费时。另一方面，将这个复杂的系统作为一个整体参数整定非常困难。而且，在区域配电系统（ZEDS）的子系统中含有许多相似和可重复使用的地方。因此，可以采取模块化建模方法。主要分成发电模块（燃气涡轮机和燃料电池），电力推进模块和区域配电系统。区域配电系统本身包括许多电源转换模块和电力负荷。

1.1 燃气涡轮模型

舰船电力系统可以使用很多种能源系统，其中多数舰船使用燃气涡轮/发电机组作为船上的主要推进动力。在建立燃气涡轮模型时主要依据经验关系[5]。图2所示即为船舶电力系统的燃气涡轮机的模型的原理图。

图2 燃气涡轮机的模型的原理图Fig.2 Schematic of the fuel cell system

燃气涡轮机模型由压缩机，涡轮，燃烧室模型和涡轮机、压缩机之间的动态耦合旋转。压缩机和涡轮机的模型由实验数据的经验关系得到[6]。燃气涡轮机驱动发电装置，并由发电装置将机械能转换成电能产生电压为4 160 V和频率为60 Hz的三相交流电源。

图3 开环模拟燃气轮机：需求与产生的电能Fig.3 Open loop simulations of gas turbine:demand vs generated power

1.2 燃料电池模型

燃料电池（FC）一直以来都被认为是一种清洁和高效的综合电力系统（IPS）的辅助动力源。舰载设备通过燃料处理系统从普通大气中获得纯净氢气。其他模型代表着不同的燃料转化技术，如柴油的自动热转化也可以使用。燃料处理过程与燃料电池相比速度较慢。燃料电池—燃料处理系统（FCFPS）的模式由J.Pukrushpan[5]建立，其原理如图4所示。

图4 燃料处理系统的示意图Fig.4 Schematic of the fuel processing system

FC-FPS的模型包括加氢脱硫剂（HDS），部分催化氧化剂（CPOX），水煤气阀（WGS）和顺序氧化剂（PROX），阳极和堆栈电压等模型。加氢脱硫剂，水煤气阀和顺序氧化剂以一阶延迟建模。最重要的是动态模拟部分催化氧化剂温度，阳极压力和阳极氢分压。文献[7]中的堆栈电压模型计算出的堆栈输出电压作为当前的负载电流，阳极、阴极压力和水化膜的函数。燃料电池（FC）系统的输出电压通过DC/DC转换器连接到PCM4中。对于特定的系统，FC-FPS的总输出功率为80 kW至330 kW。燃料电池的负载电流开环阶跃变化模拟结果如图5所示。可以看出，相比燃气涡轮机/发电机组，燃料电池具有较低的响应。

图5 燃料电池开环模拟：负载电流和电池功率Fig.5 Open loop simulations of fuel cell:current demand and generated power

1.3 ZEDS模型

图1给出了一个包含PGM，EPM，ESM和ZEDS的双区域综合电力系统（IPS）。由于直流区域结构相对于交流区域结构具有很多优点，在模型中采用直流ZEDS。直流ZEDS中至关重要的部件是重要/非重要负载和电源转换模块，其原理图如图6所示。

图6 PCM1的模型Fig.6 Model of PCM1

1）PCM1：图6描述了PCM1的模型。PCM1是有 3个可重构开关的降压直流/直流转换器。控制这3个开关可以重构每个区域功率流动的路径。直流母线故障和恢复的仿真也可以通过对开关的控制来实现。该PCM1输出电压为900 V比主总线少200 V。正常情况下PCM1为一个非重要负荷和一个重要负荷供电。在设备故障或战损情况下，如果对面的主总线或PCM4/PCM1失常，同时将接入对面的重要负荷。

图7 ZEDS中PCM的简图Fig.7 Diagram of PCMs in ZEDS

2）PCM2/5：图 7（a）描述了 PCM 2/5 的模型。 PCM2/5 是直流/交流逆变器。由于它们为重要负荷供能，它们在任何情况下都不应该失电，所以设计了一个自动总线传输电路，它可以在较靠近总线输入端口和较远离总线输入端口间自动选择。通常情况下，较靠近总线输入端口比较远离总线输入端口有更高优先级，只有其电压下降到比较较远离总线输入端口低100 V时，才会自动切换。但是，为了平衡两个直流总线负载，其电压恢复至比高50 V时，较靠近总线输入端口会再次接管。

3）PCM3/6：图 7（b）描述了 PCM 3/6 的模型。 PCM3/6是直流/直流转换器。没有自动总线传输电路，因为PCM 3/6主要为非重要负载供电。如果主总线或次总线失电，该非重要负荷将直接失去电源。

4）PCM4：图 7（c）描述了 PCM 4 的模型，这是一个交流/直流转换器，通过控制整流器触发角将三相交流电转换成为直流。在我们的模型中，PCM 4的能源来自交流主总线和燃料电池。

5）负载：重要/非重要负荷做为恒功率负载建模。所以负荷都可以根据能源管理模块中的指令从直流母线获得能源。

1.4 推进模块

1）电力推进模型：电力推进模型是一种三相交流/直流/交流变频调速与传输系统在低速，高转矩永磁同步电动机（PMSM）下驱动的螺旋桨。交流/直流整流器按照SimPower-Systems工具箱中的Universal Bridge建模。

2）船舶动态模型：电力推进电机的负载扭矩是由船舶动态模型计算速度和船舶螺旋桨速度，流体力学决定的。 笔者采用了文献[8]给出的船舶模型。它包含了大量附加水动力和力矩作用在船上。在这个模型中，给出一个预定的船舶速度，可以计算出所需的电机转速和转矩，并反馈到推进电机控制单元。

2 模型集成，分布及初步模拟

2.1 模型集成及分布

综合电力系统（IPS）模型集成有两个阶段。首先，ZEDS模块和推进模块分别集成和测试。正如在前面几节讨论的，ZEDS，负载和PCM，关键组件是单独建模和测试。然后，PCM和负载相互连接，形成了两个区域的ZEDS。对船舶动态模型和推进模型集成是非常简单的。所需的螺旋桨扭矩和速度是由船舶动态模型计算出信号并发送到推进模型电机。然后ZEDS和推进模块与发电模块相互连接。

综合电力系统（IPS）是一个具有许多不同特性子系统的大型系统。例如，燃气涡轮模型和燃料电池的动态模拟是相对缓慢的，1 ms的时间步长就足够了。另一方面，电力转化模型具有较高的高频功率开关，在模型中该子系统的时间步长为50 μs，比电力产生模型短很多。

2.2 初步仿真

图8描述了在故障和重构过程中的负载消耗，其中4种情况分别为：

图8 在故障和重构过程中的负载消耗Fig.8 Power consumed by load satfailure and reconguration scenarios

方案1：左舷总线或PCM1/PCM4失电，非重要负载失电，重要负荷从右舷总线供电。

方案2：左舷总线重构或PCM1/PCM4恢复供电，所有负载平均从两侧总线供电。

方案3：右舷总线失电，这导致了右舷总线侧非重要负载失去能源。重要负载切换到左舷总线供电，进而正常工作。

方案4：两个总线同时失电，因此所有的负载都失去电源。这样可以验证ZEDS模型的故障仿真和重构能力。

图9描述了推进电动机航速从0节加速到8节的瞬态。为了提高螺旋桨转速，实际转矩明显比在启动期间所需的扭矩大。实际转矩和速度曲线与期望的曲线非常吻合。

3 结 论

图9 推进电动机航速Fig.9 Dropulsion motor speed

初步的仿真结果验证了全电力船/综合电力系统仿真可以仿真不同脚本，如故障模拟，潮流路径重构和能源管理。该仿真可以结合不同I/O硬件可以支持其他系统的开发活动，如硬件在环仿真，快速控制原型，进行全面的分析。

[1]马伟明.舰船动力发展的方向—综合电力系统[J].海军工程大学学报， 2002， 14（6）:1-6.MA Wei-ming.The direction of ship power developmentintegrated power system[J].Journal of Navaluniversity of Enginering，2002，14（6）:1-6.

[2]王涣文.舰船电力系统及自动装置[M].北京:科学出版社，2004.

[3]郑为民，王勇.电力推进发展的主要原因及历程概览闭[J].航海技术，2004（3）:49-51.ZHENG Wei-min，WANG Yong.The main reason for the development of electric propulsion and an overview of the course closed[J].Seamanship，2004（3）:49-51.

[4]林耿著，闻大海，符道.综合电力推进:现代船舶的动力革命[J].中国船检，2004（5）:12-14.LIN Geng-zhu，WEN Da-hai，Fu Dao.Integrated electric propulsion:a modern ship’s power revolution[J].China Ship Survey，2004（5）:12-14.

[5]Kulikov G G，Thompson H A.Dyanmic modeling of gas turbines[M].Springer，2004.

[6]Moraal P，Kolmanovsky I.Turbo charger modeling for automotive control applications[EB/OL].（1999）.http://papers.sae.org/1999-01-0908.

[7]Pukrushpan J T， Stefanopoulou A G，Peng.Control of fuel cellpowersystems， principle， modeling， analysisand feedback design[M].Springer，2004.

[8]FossenT I.Marine control systems:guidcmce，navigation and control of ships，rigsand underwater vehicles[M].Marine Cybernetics AS,2002.