船舶电力系统整流发电机和蓄电池组并联供电控制策略

2020-11-27汪永茂雷秉霖

舰船科学技术 2020年5期

何宇，汪永茂，雷秉霖

(1. 强电磁工程与新技术国家重点实验室，华中科技大学，湖北武汉 430074；2. 武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉 430064)

0 引言

基于直流主网的综合电力系统是船舶电力系统的发展方向[1-5]。基于直流主网的综合电力系统采用整流发电机作为主电源对系统进行供电[2，6-8]，采用蓄电池组作为后备电源以提升供电可靠性[9-11]。为保证供电可靠性，常将整流发电机输出端与蓄电池组输出端直连。正常情况下，由整流发电机对负载供电，同时对蓄电池组浮充。整流发电机发生故障时，发电机出口开关断开，退出运行，可无缝切换到蓄电池组对负载供电。因此全船最大负载功率不能大于整流发电机的额定功率。

由于船舶的空间重量有限，发电机体积和功率受限，而船舶推进电机推进功率较大、日常电力系统负载较多[12-14]，可能会出现电力负载功率超过发电机的情况。需要研究船舶电力系统的控制策略，在负载功率超过整流发电机功率时，通过切换整流发电机控制方式，使蓄电池组和整流发电机同时对负载供电，蓄电池组能分担负载功率，船舶电力系统能够承担更大的负载功率。

由于蓄电池组容量有限，整流发电机和蓄电池组同时供电时，需尽量让整流发电机多出力，降低蓄电池组的放电功率，延长蓄电池组供电时间。

本文提出了一种整流发电机和蓄电池组并联供电策略，可实现在负载功率大于整流发电机额定功率时，整流发电机和蓄电池组同时对负载供电。采用此策略可提升船舶电力系统最大负载功率，增加船舶电力系统稳定性。

1 典型基于直流主网的船舶电力系统

图1为一种典型的基于直流主网的船舶电力系统拓扑图。主要由整流永磁发电机、蓄电池组、直流母线、推进电机及其变频器、逆变电源和船用日常交流负载组成。整流永磁发电机的发电机模块通过整流器连接到直流母线，蓄电池组出口端直连到直流母线，通过变频器对推进电机供电，通过逆变电源对船用日常交流负载进行供电。

图 1 基于直流主网的船舶电力系统拓扑图Fig. 1 Topological diagram of DC-main-grid ship power system

整流永磁发电机控制系统结构框图如图2所示。整流永磁发电机由永磁发电机、整流器组成。整流器采用IGBT作为开关器件的PWM整流电路，其具备直流电压稳定、功率因素高、交流谐波低等优点。转子位置检测装置将发电机位置信息发送给控制系统，控制系统根据采样的直流侧和交流侧电压电流值，对PWM整流器进行驱动控制，采用恒压输出策略，维持直流输出电压恒定。

船用蓄电池组一般选用铅酸蓄电池组。由于蓄电池组出口是直连到直流母线，直流母线电压值会影响到蓄电池组的充放电状态。当直流母线电压值高于蓄电池组空载端电压时，蓄电池组处于充电状态。当直流母线电压值低于蓄电池组空载端电压时，蓄电池组处于放电状态。直流母线额定电压为蓄电池组的浮充电压，所以当直流母线保持额定电压时，蓄电池组会处于浮充状态。蓄电池组单独供电时，直流母线电压下降，低于额定电压。在相同的荷电状态和温度下，蓄电池组放电电流越大，端口电压越低。

图 2 整流永磁发电机系统结构框图Fig. 2 Structural block diagram of rectifier permanent magnet generator system

船舶电力系统负载主要分为推进电机和船用日常交流负载。传统的船舶电力推进系统，推进电机控制多采用交-直-交变频器，结构较复杂，而在基于直流主网的船舶电力系统中，推进电机控制采用结构更简单的直-交变频器。船用日常交流负载主要有泵类负载（如冷却水泵）和阻感负载（如照明负载）两类。其使用的交流电由逆变电源从直流母线的直流电逆变得到。逆变电源采用恒压输出控制策略，在直流母线电压在逆变电源额定输入电压范围内发生变化时，其输出的交流电压保持不变。

目前船舶电力系统在整流发电机正常时，直流母线电压处于额定电压值，整流发电机对负载供电，同时对蓄电池组进行浮充。而在整流发电机故障时，发电机退出运行，仅由蓄电池组进行供电，此时直流母线电压跌落至蓄电池组端电压。目前船舶电力系统暂无整流发电机和蓄电池组并联同时供电的工况，所以系统的最大负载功率不能大于发电机的额定功率。

2 整流发电机与蓄电池组并联供电控制策略

整流永磁发电机系统采用双闭环控制策略。双闭环控制中外环是直流输出电压反馈控制环，内环是交流电流反馈控制环。

直流电压给定值为直流母线额定电压，控制整流器输出直流母线额定电压。整流器输入电压d轴、q轴分量的关系式如下：

整流发电机输出的有功功率P和无功功率Q，计算式如下：

可以推算出：

假设发电机三相交流输出电压为三相平稳的纯正弦电压：

当给定的有功功率P为整流发电机额定功率PN，给定的无功功率Q为零时，即整流器在恒功率输出工作模式时，对应的给定值为：

可见，在恒压输出双闭环控制的基础上增加有功电流给定值的限幅环节，即可实现在负载功率小于等于整流发电机额定功率PN时，整流器输出直流母线额定电压，在负载功率大于整流发电机额定功率PN时，整流器输出额定功率。的限幅值为：

整流发电机与蓄电池组并联供电策略控制框图如图3所示。在负载功率小于发电机额定功率时，有功电流给定值限幅环节不起作用，因此整流器处于恒压输出工作模式。直流母线电压值为额定电压，由于直流母线额定电压为蓄电池组浮充电压，此时蓄电池组处于浮充状态。

图 3 整流发电机与蓄电池组并联供电策略控制框图Fig. 3 Control block system of rectifier generator and storage battery parallel power supply

有功电流限幅环节的作用是控制发电机输出功率不大于额定功率。当负载功率大于发电机额定功率时，，此时给定值被限幅而保持为，整流发电机进入恒功率输出工作模式，发电机保持额定功率输出。由于发电机输出功率等于额定功率，小于负载功率，直流母线电压值下降，当直流母线电压值下降到低于蓄电池组的空载电压时，蓄电池组由充电状态转换为放电状态。当蓄电池组放电功率恰好等于负载功率与整流发电机额定功率差值时，直流母线电压停止下降而进入稳态。此时发电机输出功率、蓄电池组放电功率和负载功率满足下式：

并联供电控制策略能够在负载功率小于或等于整流发电机额定功率时，维持母线电压在额定值，使蓄电池组处于浮充状态，整流发电机对负载和蓄电池组供电。并联供电控制策略能够在负载功率大于整流发电机额定功率时，实现整流发电机输出额定功率，蓄电池组补充输出负载功率超出整流发电机额定功率的差值，使蓄电池组和整流发电机的并联供电，能够提升舰船电力系统的最大输出功率。在负载功率大于整流发电机额定输出功率时，此控制策略使得蓄电池组能够维持供电状态最长时间，能维持母线电压至系统所能维持的最大值。

3 仿真计算

采用Matlab/Simulink平台进行仿真计算。直流母线额定电压为450 V，发电机额定功率为25 kW。蓄电池组采用通用等效模型，电池为满电，空载时端电压为435 V。

在0～0.2 s期间，负载有功功率为17 kW，无功功率为2 kVar。此时负载功率小于发电机额定功率，由图4可以看出直流母线电压为额定电压450 V，发电机输出有功功率等于负载有功功率，为17 kW。蓄电池组处于浮充状态，充电电流约等于0。由于发电机无功电流给定值为0，所以发电机输出的无功功率为0，负载的无功功率由逆变电源提供。

图 4 直流母线电压波形图Fig. 4 Voltage waveform of DC bus

图 5 蓄电池组放电电流波形图Fig. 5 Current waveform of battery discharge current

图 6 发电机和蓄电池组功率波形图Fig. 6 Power waveform of generator and battery

在0.2 s时，负载功率突变至25 kW，达到整流发电机额定功率。发电机输出额定功率，直流母线电压维持在额定电压450 V，蓄电池组仍处于浮充状态。

在0.8 s时，负载有功功率突变至35 kW，无功功率突变至5 kVar。负载功率大于发电机额定有功功率，发电机进入恒功率模式。暂态过程结束后，发电机仍输出额定有功功率25 kW。此时母线电压不能维持在额定电压，下降至428 V，低于蓄电池组空载端电压，蓄电池组处于放电状态，放电电流为20 A，放电功率为10 kW。此时蓄电池组放电功率等于负载功率超出整流发电机额定功率差值，发电机输出功率、蓄电池组放电功率和负载功率自动达到平衡。

仿真计算表明，负载功率小于或等于发电机额定功率时，直流母线电压能够维持在额定值，使得蓄电池组处于浮充状态，发电机输出功率等于负载功率。负载有功功率大于发电机额定有功功率时，发电机输出额定有功功率，直流母线电压下降，蓄电池组由浮充转为放电，输出功率等于负载功率超出发电机额定功率的差值。