太陽能游覽船舶電力推進系統仿真

鄭仁求，俞 萬能，陳景鋒

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

太陽能游覽船舶電力推進系統仿真

鄭仁求，俞 萬能，陳景鋒

(集美大學輪機工程學院，福建 廈門 361021)

針對新型太陽能游覽船舶電力推進系統，分析了該船舶的電力系統構成并在此基礎上分別建立電力推進系統推進電機、推進控制策略以及螺旋槳負載的數學模型.結合逆變裝置模型，建立電力推進系統整體仿真模型，根據實船的實際參數對模型進行仿真分析.結果表明，所提出的模型能夠及時響應電機負載的變化，且抗干擾性強.

太陽能游覽船舶；電力推進；螺旋槳負載；系統仿真

0 引言

近年來，由于電力推進的船舶具有經濟性好，噪音低、振動小，可提高船舶的機動性和操縱性，機艙布置靈活，安全性好，有利于船舶控制環境污染等優點，從而得到廣泛應用[2].利用太陽能作為電能來源在陸上已得到了廣泛的應用[1]，但由于太陽能轉換效率偏低，能量供應不足以及電能貯存比較困難，因此太陽能在大中型船舶上的應用受到限制.而對于風景區旅游觀光船舶，太陽能發電加上鋰電池蓄能基本能夠滿足船舶用電的需求.船舶電力推進和太陽能技術的結合，是旅游船舶的發展方向.

目前針對船舶電力推進系統的研究較多，文獻[3-4]建立了由十二相同步電機、電壓型逆變器、螺旋槳及船舶負載組成的推進系統的各部分及系統的仿真模型.文獻[5]以船舶電力推進系統為研究對象, 建立永磁同步電動機和螺旋槳的數學模型及基于Simulink的船舶電力推進系統的仿真模型.文獻[6]建立了船舶電站、永磁同步電機和船槳組成的系統數學模型.以上文獻的研究均偏向大型電力推進系統，推進電機一般采用永磁同步電機.文獻[7-8]對船舶電力推進系統中電動機速度控制展開了研究，沒有進行船舶螺旋槳負載分析，缺乏對整體船舶電力推進系統的仿真研究.而在小型游覽船舶中，推進電機也有采用異步電機的，如文獻[9]基于異步電機直接轉矩控制來進行小型船舶電力推進系統的建模與仿真.因此，筆者針對太陽能游覽船舶的電力推進系統，對內湖沿海游覽船舶電力系統進行研究,重點分析其電力推進系統的結構性能，并對系統進行了仿真.

1 太陽能游覽船舶電力系統結構

太陽能電力推進系統結構圖如圖1所示.由太陽能電池板吸收光能發出直流電，通過充電機供給蓄電池組充電，蓄電池組儲存的能量作為整船的電力源.蓄電池組需要進行能源管理控制，從而達到各電池組充放電的控制.因為蓄電池組發出的直流電正好滿足了無刷直流電機的要求，所以蓄電池組直接通過左右電機控制器給左右電機供電而無需轉換裝置.蓄電池組另一部分能量供給負載部分，包括照明系統以及其他一些用電設備，推進部分通過左右推進手柄控制，PLC采集到左右推進手柄改變的電阻信號，進而由控制器控制電機的正反轉、調速的性能，帶動螺旋槳運動.

圖1 太陽能電力推進系統結構圖

2 游覽船舶電力推進系統分析

2.1 無刷直流電機

三相星形連接的無刷直流電機的控制示意圖如圖2所示，采用的是全橋式驅動.電動機的定子A、B、C 三相繞組星形連接，并分別與三個功率橋臂(V1～V6)的中點相連接，D1～D6為續流二極管，轉子為一個兩極永磁體，在定子上三個位置傳感(H1、H2、H3)相互間隔120°對稱放置.隨著電動機轉子的旋轉，位置傳感器下的磁場極性會隨著永磁體的磁場變化而變化，從而產生三路相位相差 120°電角度的開關位置信號.經控制電路邏輯運算后，產生三相換相邏輯信號并觸發相應的開關管導通，從而使電動機連續旋轉并輸出轉矩和功率.

2.2 船槳數學模型

[9]可知螺旋槳負載數學模型，進而得出船槳的運動模型，如圖3所示.進速比J是描述船舶運動的一個重要參數，它表示螺旋槳旋轉一周的軸向進程與槳徑的比值，它的計算與轉速n、螺旋槳直徑D及進速vp有關.其中扭矩系數KM、KP與推力系數J有相應的函數關系，可以采用切比雪夫多項式來表示，進而求出轉矩M與有效推力Pe，通過Pe與船舶總阻力Rf的反饋，求出船速vs.從模型中可以看出輸入量只有螺旋槳轉速，輸出量為推進電機(BLDCM)的負載轉矩Tm[10].本文游覽船舶螺旋槳槳徑為530 mm，螺距為400 mm.

2.3 太陽能游覽船舶推進控制策略

根據太陽能游覽船舶屬于中小功率船型特點以及BLDCM工作原理，采用比較成熟的位置反饋與速度反饋的控制策略，其控制圖如圖4所示.通過檢測BLDCM轉子位置信號，送到轉子位置譯碼電路，經放大和邏輯變換，形成正確的換相順序信號，去觸發、導通相應的IGBT功率開關元件，使之按一定的順序接通或關斷定子相繞組,從而使電機可按一定的轉速旋轉.如果僅是位置反饋，電機的轉速比較容易受預定速度控制信號的影響，加載時轉速會下降，所以引入了速度反饋環節，通過實際電機的轉速信號反饋與預定轉速控制信號相比較、放大后，用其差動量去校正控制對象，直至控制轉速在一定范圍內達到平衡.

在控制系統中，通過船槳模型將螺旋槳負載加載到電機中，驗證電機的輸出轉矩能否滿足負載轉矩要求，通過模擬海況，在控制系統中引入擾動，驗證系統能否快速響應，重新達到穩定.

圖4 BLDCM控制圖

3 控制系統仿真

3.1 仿真模型的建立

根據BLDCM數學模型、負載數學模型以及推進控制策略，參考Matlab/Simulink中SimPowerSystem工具箱提供的模塊庫，建立了游船電力推進系統仿真框圖，如圖5所示.電機的轉速作為螺旋槳負載轉速的輸入.通過實船數據，進行仿真.

3.2 仿真結果及分析

為了驗證所設計的控制系統仿真模型的靜、動態性能，系統空載啟動，待系統穩定以后，進行海況模擬.在t=0.3 s時對螺旋槳負載加入階躍擾動，可得到電機轉速n、a相電流ia、a相反電勢ea、電機輸出轉矩Te、螺旋槳負載轉矩Tm以及船速vs仿真曲線，如圖6～10所示.

從圖6、圖7仿真波形可以看出，在給定參考轉速下，系統響應速度快且平穩.圖8、圖9可以看出相電流和反電勢符合理論分析的梯形波和方波.圖10可以看出電機輸出轉矩在短時間內進入穩定狀態，螺旋槳負載轉矩能夠隨之響應，轉矩有一定的脈動，這主要是由電流換向引起的，在模擬海況加入擾動后，系統能夠很快恢復到平衡狀態，說明系統具有較強的抗干擾能力.

4 結論

本文分析了太陽能游覽船舶電力系統結構，同時分析了推進電機(BLDCM)模型和螺旋槳運動模型，在Matlab/Simulink中建立控制系統的仿真模型，采用了速度與位置反饋的控制策略，對負載與電機的整體進行了仿真，仿真結果表明，系統響應速度快且平穩，具有良好的靜、動態特性，說明仿真模型建立的可行性.加入擾動后說明系統具有較強的抗干擾能力，仿真模型可以方便有效地實現多種控制算法和控制策略，為實際控制系統設計和調試提供了有效的方法.

[參考文獻]

[1]張忠玉.太陽能在小型旅游船舶上的應用研究[J].海航工程,2010，39(6)：132-136.

[2]莫荔,林業春.船舶電力推進概述[J].科技世界,2012(28)：154-155.

[3]周德佳,王善銘,柴建云.基于Matlab-Simulink的艦船綜合電力推進系統仿真[J].清華大學學報：自然科學版,2006，46(4)：460-464.

[4]紀鋒,付立軍.艦船電力推進系統的矢量控制及其仿真[J].武漢理工大學學報,2011，35(2)：361-364.

[5]張春來,王亮.船舶推進永磁同步電動機直接轉矩控制建模仿真[J].大連海事大學學報,2011，37(4)：41-44.

[6]劉雨,郭晨.船舶綜合全電力推進系統的動態仿真[J].中國航海,2010，33(1)：24-29．

[7]羅延明,金鴻章,羅耀華，等.基于直接轉矩控制的船舶主推進電機控制仿真研究[J].船舶工程,2006，28(3)：22-25.[8]王淼,戴劍鋒,周雙喜，等.全電力推進的船舶電力系統的數字仿真[J].電工技術學報,2006，21(4)：62-67.

[9]殷云華,鄭賓.一種基于Matlab的無刷直流電機控制系統建模仿真方法[J].系統仿真學報,2008，20(2)：293-298.[10]羅彬.船舶電力推進系統螺旋槳負載特性仿真研究[D].武漢：武漢理工大學，2009，17(1)：13-17.

(責任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

The Simulation Study of Electrical Propulsion System for Solar Tourism Boat

ZHENG Ren-qiu，YU Wan-neng，CHEN Jing-feng

(Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China)

Based on the structure of a power system which was proposed for the electric propulsion system of new solar boat,the mathematical models of propulsion motor,control strategies and the propeller load for the electric propulsion system were set up respectively.Combining with the model of inverter device,the system simulation model of the electric propulsion system was established.The integrated simulation test was carried out using the values of various parameters of the actual boat.The simulation results showed that the established model could be able to respond to changes of motor load in time and have the strong anti-interference ability.

solar tourism boat；electric propulsion；propeller load；simulation

2013-09-10

[修回日期]2013-10-08 [基金項目]福建省科技重點項目(2012D035，2013H0034)；廈門市科技項目(3502Z20123023)

鄭仁求(1988—)，男，碩士生，從事船舶電力推進及其控制研究．通訊作者：俞萬能(1970—)：男，副教授，博士，從事船舶電氣自動化研究. E-mail:wnyu2007@jmu.edu.cn．

1007-7405(2014)02-0122-06

U 665.13

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