基于直流电网的船舶电站分区间目标控制策略研究

贾志强 ，华　斌 ，解锦辉（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）



基于直流电网的船舶电站分区间目标控制策略研究

贾志强 ，华斌 ，解锦辉
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

摘要：提出了一种基于直流电网的船舶电力系统高效率运行的控制策略，即分区间目标控制策略。引入功率滞环来确保控制系统输出稳定。并在MATLAB/Simulink中对该系统进行了仿真实现。仿真验证了该控制策略的可行性。与传统采用交流电网的船舶电力系统相比油耗明显降低，效率显著提高。

关键词：直流电网船舶电力系统变速发电分区间目标控制策略柴油发电机组

0　引言

本文搭建了基于直流电网的船舶电站的系统级仿真模型。同步发电机发出的三相交流电经不控整流环节接入直流母线，直流电经逆变后供三相交流负载使用。控制系统由转速调节器、励磁调节器和综合控制器组成，在分析了柴油机油耗曲线的特征以及最大功率曲线和等功率线的基础上，提出并在综合控制器中加入了分区间目标控制策略，以降低系统油耗，提高系统效率。

1　转速与励磁调节器

变速柴油发电机组的控制主要由转速调节器控制转速、励磁调节器控制发电机电压、综合控制器作为上位机根据负载情况调节转速控制器的给定，实现发电机的高效恒压变速发电。

1.1 转速调节器

柴油机调速系统结构框图如图1所示：

图1　柴淮机调速系统框图

参照MATLAB提供的柴油发电机模型，搭建出一种简化的柴油机调速系统仿真模型如图2所示。其中，K是控制器的放大系数，T1是控制器的时间常数，T2是二阶环节的时间常数。是柴油机组与执行器的时间常数[5]。柴油机在工作过程中，由于燃烧环节的喷油发火延迟，以及热力环节燃气的热惯性等因素的影响，因而柴油机是一个有较大延迟的系统，Td是柴油发电机组的延时时间。转速信号经积分限幅环节作用于油门齿条调节油门大小，进而转换成转矩信号，转矩与转速相乘即得柴油机的机械功率，作为柴油机与转速调节器的输出，为发电机组提供原动力。

图2　柴淮机与调速系统模型

1.2 励磁调节器

励磁调节器对维持发电机端电压的稳定性，提高电力系统的稳定性以及改善电力系统的运行条件有非常重要的作用[6]。本文中采用的无刷励磁同步发电机调压系统，取消了碳刷和滑环，不会产生火花；没有碳粉的污染，能提高系统绝缘的寿命；此外，维护保养也很简单。该励磁调节器模型主要由电压差模型、补偿器、放大器、比例饱和环节、交流励磁机及反馈环节几部分组成。

1.2.1 电压差模型

其中，Ur为发电机正序电压，Ud为发电机d轴电枢端电压，Uq为发电机q轴电枢端电压，Tr为低通滤波器时间常数。U△为电压差，Uref为励磁调节器给定参考电压，Uf0为励磁电压初始值，为励磁机有效增益， Ustab为接地零电压，Uff为反馈环节输出电压。

1.2.2 补偿器模型

1.2.3 放大器模型

1.2.4 比例饱和环节

1.2.5 交流励磁机模型

交流励磁机简化的数学模型可以用一阶惯性环节来表示，其输出的励磁电压为

其中Te为励磁机的时间常数，Ke为励磁机的增益常数。

1.2.6 反馈环节

2　综合控制器

根据柴油机的油耗特性曲线（图3）可以看出，相同转速下，在最大转矩以内转矩越大，则油耗越低。而相同负载下，高转矩低转速的情况下运行，要比高转速低转矩的情况下运行的油耗要低。因此本控制策略想要实现的状态即是系统根据实时负载的情况，调节原动机的转速，使系统工作在油耗比较低的状态下，从而实现系统的经济运行。

图3　柴淮机淮耗曲线

为了方便控制策略的实现，首先需要将柴油机的等油耗曲线以及等功率曲线进行分段线性拟合，然后根据柴油机实时的负载状况，在等功率曲线上选取油耗较低的点，将该点的转速及转矩作为调节器调节的目标点。然而工程实际应用时，实时负载并不会是一成不变的，而有可能是不断变化的，若是控制器的给定随负载不断改变，则有可能会引起系统的振荡，难以稳定，这对系统的可靠运行十分不利。基于此提出了分区间目标控制策略，即根据各负载率下最佳转速的实际情况，将负载率分成若干个区间，每一段区间有一个确定的目标转速，当负载程度在某段区间内变化时，目标转速并不变化，这样能够实现系统的稳定运行。

此外，程序上在每一段区间的功率分界点处设置滞环，这样能够保证当负载功率在区间分界点附近变化时系统控制的目标点明确，系统稳定运行。

仿真中对该部分进行实现的具体方法是，在各个等油耗曲线上选取若干个点进行最小二乘拟合。随后，根据油耗曲线的特点，以及等油耗曲线跟等功率线的走势，将负载功率分为若干个区间，每个区间根据油耗曲线的走势选定一个目标转速作为调速器在该负载区间下的目标转速。

图4为综合控制器程序中设置滞环的示意图。当系统负载升高时，当负载功率大于2P时，目标转速从n1变成n2，当负载继续增加，增大到4P时，目标转速从n2变成n3。同样的，当系统负载下降时，只有当负载降到P3时，目标转速才从n3变成n2；负载继续降低，降到P1时，目标转速才从n2变成n1。从图中可以看出，目标转速变换的方向不同，则变换的负载点也不同。合理设置这样的滞环，能够避免因负载波动而引起的控制器目标摇摆的情形，对系统的稳定可以起到非常明显的作用。

3　仿真与验证

根据如上所述，在MATLAB/Simulink中建立仿真模型如图5所示。

图4　功率滞环示意图

仿真时间设置为24 s，设计工况如表1所示。

表1　仿真工况设置表

根据以上所设计的工况，分别对恒速发电和变速发电两种仿真模型进行对比。两者在相同的时间施加相同的负载，在系统稳定的前提下，对比两者在相同时间内燃油的消耗量，进而验证控制策略是否可行，检验系统效率是否提升。

在指定的时间改变负载，经过短暂的调节过程，两者负载基本一致，对比如图6所示。

恒速模式仿真模型的转速给定始终为额定转速。变速模式仿真模型的转速给定则根据负载的实际情况由综合调节器调节，仿真时的转速给定如图7所示。

图变速发申模式系统仿真模型

图6　恒速模式与变速模式仿真负载对比

在此设计工况下，恒速模式突然改变负载时转速变化见图8，变速模式突然改变负载时转速变化如图9所示。

由转速给定曲线以及变速发电模式下发电机的实际转速可以看出，采用分区间目标控制策略，且添加了滞环之后，综合调节器输出的目标转速稳定，无波动现象出现。系统能够在给定的目标转速下稳定运行，电压电流波形正常，经多次仿真验证，突加突减负载时系统也能够快速达到新的稳定点运行。

图7　变速发电模式转速给定值

由系统所处的状态，可以得出系统实时油耗率对比如图10所示。由系统油耗率与系统所承担的负载，可以计算出系统的累积油耗，进而得出图11所示的累积油耗的对比曲线。经计算，在这种设计工况下运行，相较于原有的恒速发电模式而言，采用变速发电模式的系统综合燃油消耗降低了约8.28%。根据柴油机油耗曲线以及所采用的分区间目标控制策略，可得出恒速模式发电与变速模式发电在不同负载率下的油耗率曲线。

图8　恒速模式实际转速

图9　变速模式时间转速

图10　恒速模式与变速模式实时油耗率对比示意图

图11　恒速模式与变速模式累积油耗对比示意图

从图中可以看出，在负载率低于80%左右时，变速发电模式比恒速发电模式系统油耗率相对要小。对于经常工作在低负载率情况下的船舶而言，燃油消耗可降低的空间是十分明显的，最大可以降低20%左右。

4　结论

由以上分析以及仿真对比可以看出，基于直流电网的船舶电力系统采用可变速柴油机作为原动机，采取分区间目标控制策略，能够根据负载情况灵活调节系统目标转速，实现系统最佳运行控制。引入功率滞环，解决了负载在区间边界处变化时引起的控制系统不稳定的现象。仿真结果表明该系统能够在此控制策略下稳定运行，与恒速发电模式相比，燃油消耗有效降低，系统效率显著提升，经济性比以往恒速发电模式更佳，尤其适用于经常在低负载率情况下作业的船舶。

参考文献:

[1] Fredrik Hansen,John O Lindtjørn,Klaus Vanska.Onboard DC grid for enhanced DP operation in ships [C].Dynamic Positioning Conference,2011:1-8.

[2] 童正军.民用船舶直流电网发展现状分析[J].船舶工程，2014:36（增刊1）:104-119.

[3] 张义农，汤建华.美英未来舰船综合电力系统电制选择分析[J].舰船科学技术，2012，34（4）：136-139.

[4] 祁斌.ABB创新船用直流电网[J].中国船检，2013，（7）：75-78.

Research on Inter-partition Target Control Strategy of Ship Power Station based on DC Power Grid

Jia Zhiqiang，Hua Bin，Xie Jinhui
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

Abstract:A control strategy of ship power system based on high-efficiency DC power operation is proposed,namely inter-partition target control strategies.Power hysteresis loops are introduced to ensure the stable output of control system.The system is implemented in MATLAB/Simulink.The feasibility of the control strategy is verified through the simulation.Compared to traditional ship power system that AC power grid is adopted,fuel consumption is reduced visibly,and efficiency is improved significantly.

Keywords:DC power grid;ship power system;variable speed power generation;inter-partition target control strategies;diesel generator set

作者简介：贾志强（1991-），男，硕士研究生。研究方向：舰船推进电机及其控制技术。

收稿日期：2015-09-09

中图分类号：TM711

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）01-0021-05