船用双馈发电控制策略研究

王猛, 王英

(大连交通大学, 辽宁大连 116021)

0 引言

船舶轴带发电是由主机驱动发电机的供电装置，利用船舶航行时的剩余功率进行发电的一种发电形式。船舶航行运费中，燃料费用占50%～60%。我们知道，船舶主机采用重油作为动力装置的主要燃料，重油的价格成本较低；而船上的独立的柴油发电机采用的是轻油，轻油的价格比较高，成本大约是重油的一倍。船用双馈发电机将发电机建立在船桨动力的装置上，把螺旋桨推动船的动力一部分转化为轴带双馈发电机发电用的机械能，这样就省去了船用柴油机用轻油发电的结构。本质上就是用重油代替轻油产生机械能来发电，所以用轴带发电机可以很大程度上节省船舶航行电能的成本。

由于船舶航行时的速度是变化的，为了得到变速恒频效果，运用传统同步发电机需要带同步补偿装置。而运用双馈电机发电不但可以实现变速恒频，而且其转子励磁的发电控制结构使变频控制装置作用在转子部分，而不是主供电电路部分，变频器的容量明显减小，系统的成本也显著降低。

船舶发电和并网型发电不同，其发电是作为一种独立发电供给船上所有电器设备使用，在满足频率要求的同时需要发电装置提供380V工频恒定电压，这就要求对发电的电压控制作用增强，增加负载和卸下负载时对电网的冲击要小。所以，独立发电重点在于双馈发电电压控制问题。

1 系统结构

系统结构如图1所示。转子励磁控制双馈发电机定子侧发电的一部分供给负载使用，另一部分作为转子励磁的电能使发电机正常运行，这样就组成了一个发电循环系统。直流电源的目的有两个，一是在发电机运行时提供励磁电能，当系统正常发电时可考虑将其切除；二是在实际发电时出现故障导致系统不能运行，可以考虑通过测量元件和控制开关将其接入到发电系统中。整流装置选用多脉冲整流或者是PWM整流，也可在电机的定子侧设置两类定子绕组，目的是在整流时尽量减少直流母线和网侧的谐波成分。

2 双馈发电数学模型与控制策略

由双馈电机定子定向下的数学模型可知

由双馈发电机的电压方程和磁链方程为：

式中：Rs，Rr是定转子绕组的电阻；Ls，Lr是定转子绕组自感；Lm是定转子绕组的互感；ims是定子广义励磁电流；σ为漏磁系数，

转子d轴电流分量控制定子磁链，实现有功控制，而q轴分量保证定子定向。

式（2）忽略定子绕组压降，得到定子定向下定子磁链与定子电压矢量关系式

式（5）带入（3）得双馈电机转子电压方程

其中，由反电动势引起的交叉耦合项为（9）式。

由于系统是用做独立发电系统，与并网系统不同，不需要对并网相位控制。所以，直接将电流的无功分量为零，即iq*=0，这样就实现了定子磁场强迫定向。这样的结构使系统更简单，算法更容易实现。

在双馈矢量控制系统中，在把dq轴电流分开控制的同时，为了得到定子电压强化控制效果，采用一种电压闭环作为转子d轴电流前馈补偿，给定控制电压的幅值us*，与通过磁链计算得出的定子电压us进行比较作为偏差信号，再通过PI调节器得到发电机转子励磁电流开环参考补偿值irdc*。这种结构在强化电压控制的同时，可以直接给定定子电压对定子侧电压幅值控制。双馈异步发电机独立发电时矢量控制系统框图如图2。

实现系统控制需进行磁链计算，可以通过双馈电机定子电压电流建立磁链观测器来实现。定子磁链在αβ坐标系下模型为

对定子发电侧频率的控制是通过转子励磁频率补偿转子旋转频率实现的，转子电流补偿频率：

写成磁链角度的形式

ωs1、ωs、ωr分别是转子转差角速度、同步旋转角速度、转子旋转角速度；θs1、θs、θr分别为转差角度、定子磁链角度、转子位置。

定子电流频率与同步角速度sω的关系为：

f1为定子电流频率；np为双馈电机的极对数。

3 系统仿真

3.1 仿真参数

船航行速度在400 r/min到750 r/min，用simulike和其电力系统元件库对控制算法仿真。双馈异步电机参数如下：三相绕线式双馈电机75 kW，定子额定电压380 V，额定频率50 Hz，极对数为4，同步转速为750 r/min,定子电阻Rs=40.5 mΩ，转子电阻Rr=42 mΩ，定子自感Ls=12.3 mH，转子自感Lr=12.4 mH，定转子互感Lm=11.8 mH。

3.2 仿真结果与分析

在图（1）中，直流母线电压谐波是一个重要的问题，特别是在不控整流下产生的六次谐波对系统的影响很大。仿真结果证明，控制策略对低次谐波有很好的适应性。这是因为直流侧谐波实际是直流侧电压幅值的小范围快速波动，由于系统定子电压闭环作用，直流电压波动时，调制信号根据波动情况迅速作出相应调整保证定子发电电压恒定。直流母线叠加幅值为70 V六次谐波仿真如图3。图中，调制信号并非完美的正弦波，是因为直流母线电压小范围波动时，在电压闭环调节下，调制信号会立即做出相应调整，消除直流电压波动带来的谐波影响。

此种策略控制双馈异步发电机定子侧发电的优点之一是实现定子侧的电压能够通过给定电压直接调节，定子电压给定值在系统运行前可以给定，也可在运行过程中调节定子电压给定值，都能够使发电系统定子侧电压控制在给定值。

仿真相电压设定幅值是2202V，在0.2 s之后，将设定值动态变为250 V的定子电压和调制信号波形如图4。由于控制结构使电压控制值能够直接给定，所以可以直接方便的进行定子侧电压幅值控制。除了调压调速以外，用户一般需要的是380 V的工频电压不变，但是系统的这种控制结构对电压的控制作用更强。原因是电压闭环的前馈补偿作用可以在电压偏离给定值时及时补偿电压，在反馈的作用下使电压迅速跟随给定值，但会增加控制器参数整定难度。

船用发电系统目的是直接给用电器使用，要求对电网侧直接接入负载和卸去负载有很强的自动调节能力。在系统运行时，仿真在0.3 s电网侧加入15 A负载，在0.6 s后将负载卸下过程中的定子电压和定子电流仿真波形如图5。

0.3s增加15 A负载时，定子电压会降低，在调制信号作用下，定子电压在1个周期后恢复到控制值。0.6 s卸下15 A负载时，定子电压会升高，在调制信号作用下，定子电压1个周期后恢复到控制值。

4 总结

本文介绍了一种对双馈异步发电机定子发电电压有强烈控制作用的发电策略算法，并且在数学模型的基础上进行了动态仿真。这种发电形式可以应用在独立发电系统中，双馈电机定子侧发电电压稳定性强，可以直接供用电设备使用。这为双馈式独立发电提供了船用电机控制策略的一种理论和工程依据。

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