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面向对象的船舶电力系统数字仿真研究

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  • 发布日期:2012-08-28 22:41
  • 有效期至:长期有效
  • 技术区域:广东湛江市
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详细说明

摘要: 本文提出的面向对象的船舶电力系统数字仿真技术采用了分层结构和模块化设计,其中,分层结构在减少建模工作量的同时极大地提高了仿真的效率,而模块化设计则增强了仿真的灵活性和扩展性。因此,该技术在船舶电力系统数字仿真领域中具有较高的实用价值和广阔的应用前景。
关键词: 船舶、舰船工程; 面向对象的仿真技术; 船舶电力系统; 分层结构; 模块化设计

1引言
    全电推进的船舶电力系统,作为一个独立的综合供电网络,既与陆上的大型供电网络有本质区别,又与由独立推进电站向推进电动机供电的情况不同。首先,船舶电力系统的电源和负载具有可比性,一般来说,船舶推进功率通常占供电网络总功率的60%-70%甚至更大,这对负载和电源的管理、系统组成、配置以及运行控制和调度提出了更高的要求。其次,在船舶电力系统中,以电力变换器与交流推进电动机的技术组合为核心的交流化技术得到了广泛的应用,而由此带来的电力谐波污染间题、变换器与电源以及传动系统之间的相互作用等问题,目前还缺乏有效的评估手段。另外,海洋环境的复杂多变决定了船舶电力系统运行工况的复杂性,这使得船舶中心电站所面临的稳定性问题变得更加严峻。
    面对这些新问题和新现象,需要对船舶电力系统进行大量的试验和研究。由于种种原因,大多数情况下不具备在原型上做试验的条件,此时,具有良好经济性和实用性的数字仿真就显得尤为重要了。然而,相对于国外而言,我国对船舶电力系统数字仿真的研究还处在起步阶段,各科研院所在进行船舶电力系统数字仿真研究时大多采用面向功能(function-oriented)的技术。由于面向功能的设计方法指导下所建立的仿真系统其系统组织方式和用户界面是专用的、固定的,不同系统之间则缺乏共同性和相互综合的可能性,当仿真系统需要不断扩展和修改功能时,修改工作量很大,并且容易导致系统冗余增大、结构复杂、利用率下降。
    有鉴于此,本文在参考陆地电力系统数字仿真技术的基础上,提出了一种基于SIMULINK仿真工具箱的面向对象(object-oriented)的船舶电力系统数字仿真技术。通过对实际系统的数字仿真研究表明,该技术能大大提高仿真的效率,增强仿真的灵活性和扩展性,因而具有良好的应用前景。

2面向对象的船舶电力系统数字仿真
    面向对象的数字仿真技术的核心就是把认识、描述现实系统对象的过程和方法与分析、设计、实现这个系统的过程和方法结合起来。据此,本文提出的面向对象的船舶电力系统数字仿真技术的两个突出特点是:采用分层结构和模块化设计。
2. 1分层结构
    船舶电力系统与陆地电力系统相比规模虽小,但其复杂程度并未降低。实际上,由于电力电子技术日新月异的发展,使得船舶电力系统变得更加灵活多变。在这种情况下,如果以整个船舶电力系统为对象直接进行仿真研究,不但大大增加建模的难度,也给调试和维护造成了诸多不便。因此,本文提出可以根据研究对象所属的类层,相应地将整个仿真系统划分为四个不同的层次,采取分层设计、分层仿真、分层组合、综合仿真的办法对船舶电力系统进行数字仿真研究。下面对这四个层次作进一步的说明:
    (1)数学层
    数字仿真的基础工作是建立数学模型和在数学模型上做试验,数学层作为数字仿真中最基础的层次,担负着为每一个仿真对象建立数学描述的重任。各种模型建立是否准确,只有通过数学层仿真研究才能判断。
    (2)元件层
    船舶电力系统是由许多设备组成的,如发电机、变频器和推进电动机等。针对这些单个设备建立的仿真对象,本文称之为元件。通过元件层的仿真研究,我们可以掌握包括输人输出特性在内的各种设备参数信息。
    (3)功能单元层
    按照所实现功能的不同,一个船舶电力系统可划分为三个主要的功能单元:发电机单元、交流推进单元和负荷单元。由于每一个功能单元都是由若干元件组成的相对独立的子系统,因此在仿真研究时,可单独以某一功能单元为对象来考察其内部特性。
    (4)系统层
    作为数字仿真中的最高层次,系统层研究的对象主要是由发电机单元、交流推进单元和负载单元组成的相对完整的船舶电力系统,仿真的主要目的是考察整个系统各部分之间的相互配合情况以及系统动态和静态的响应特性。
    综上所述,通过对仿真对象的划分,仿真系统形成了由简单到复杂的分层结构。这种分层结构,不仅减少了设计和调试的工作量,更重要的是丰富了仿真研究的手段,因此大大提高了仿真研究的效率。
2.2模块化设计
    在船舶电力系统数字仿真技术发展过程中,仿真目的的多样性决定了模型的多样性。为了便于选择.模型和增添新的模型,仿真系统采用动态模型库和自定义模块等方法是非常合理和实用的困。在本文提出的船舶电力系统数字仿真技术中,同样采用了模块化封装设计,不同仿真模块之间仅以输人和输出量相互联系,这不仅大大提高了仿真的灵活性和扩展性,同时还在很大程度上简化了系统结构。下面以船舶交流推进电机的控制系统为例,对模块化设计作进一步说明。
    船舶交流推进系统主要由推进电机、变频器构成。其中主推进电机一般采用永磁同步电动机(PMSM)或异步电动机(Induction motor),其控制方式有矢量控制(VC)和直接转矩控制(DTC );而变频器可选择交一直一交(AC/DC/AC)变频或交一交(AC/AC)变频。它们之间可以灵活组合,从而构成多种交流推进系统的设计方案。针对上述情况,我们在仿真建模过程中,也相应地设计了推进电动机、电机控制器和变频器模块。图1,2所示的分别为VC和DTC控制器模块的内部结构,从图中可以看出两种控制器的内部构造是完全不同的。但是,由于两种控制方式都是以电动机转速和三相电流为输人量、以控制脉冲为输出量,所以通过模块化封装后,其输人和输出接口是完全相同。这样,当我们需要改变电动机控制方式时,只需要替换相应的控制器模块而对其余部分则不需要做任何改动。图3所示的是采用模块化设计的交流推进系统仿真模型,图中显示了该功能单元中变频器、推进电动机和控制器模块之间的输人输出关系。

3仿真实例分析
    铁道部大连一烟台火车轮渡采用的是电力推进方式,其电气主接线如图4所示。该系统的中心电站以四台柴油机为原动机,采用自并励励磁方式的同步发电机组成;交流推进系统采用的是交一直一交变频加直接转矩控制的永磁机方案[[1o]。由于图4所示系统采用的是单母线分段的对称结构,因此下面我们仅以其中一段母线为例来建立仿真模型并进行研究。
3.1仿真建模
    在前面的分析中已经指出,按对象的不同,仿真系统从上到下可以划分为四个层次。基于仿真系统的这种分层结构,我们采取了分层建模的策略。


    在分层建模中首先进行的是针对数学层的仿真建模,其目的是要将各种数学模型转换为Matlab数学模块的组合形式,如图5所示的是自并励励磁方式的数学模型,而其相应的仿真模型如图6所示。在数学层建模工作完成的基础上,通过对各种模型的封装及组合就可以构成所需的元件层的仿真模型。例如图6所示的封装模块就是一个励磁调节器元件,而图7所示的交一直一交变频器元件的仿真模型是由一个变压器模块、一个三相整流桥模块和一个IGBT逆变器模块组成的。与元件层建模类似,功能单元层和系统层的建模也是在上一层模型的基础上实现的。如图8所示的是一个以柴油机为原动机、采用自并励励磁方式的发电机单元的仿真模型;而图9所示的是最终的船舶电力系统仿真模型。


    通过上述分析可知,分层建模采用的是由易到难的模式,而各层次的建模又是相对独立的,因此这在很大程度上减少了建模的工作量,同时也为系统调试和维护创造了有利条件。
3.2仿真结果分析
    在图9所示的仿真系统的基础上,我们对船舶的起动及加速过程进行了数字仿真研究。图10所示的是主推进电机及其控制器的动态响应和系统母线电压谐波分布情况的仿真结果。从图10中可知,推进电动机在起动和加速过程中转速和转矩的变化都比较平稳<t为时间);DTC控制系统的磁链轨迹接近正六边形(φ为磁通量);发电机端电压的谐波分布也满足要求(A为幅值、N为谐波次数)。


    实际上,由于仿真系统采用了分层结构,通过各种测量模块,我们可以十分方便的获取上至整个船舶电力系统下至单个设备元件在不同工况下的各种指标信息,而这就为工程设计和设备选型提供了理论依据;另外,仿真系统的模块化设计也使得仿真研究变得更加灵活,针对不同的控制策略和技术方案,,我们所需要做的只是修改和添加相应模块。

4结论
    本文提出的面向对象的船舶电力系统数字仿真技术具有分层结构和模块化设计的特点。分层结构的应用可以减少仿真建模的工作量、提高仿真效率,而模块化设计则增强了仿真系统的灵活性和扩展性。通过对大连一烟台火车轮渡电力系统的数字仿真研究表明,本文所提出的船舶电力系统数字仿真建模方法是正确和可行的,它为船舶电力系统的研究提供了一个有效的工具。(中国造船 46卷 第3期)

 
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