船舶电力推进变频装置控制方法探究

1 引言

对于船舶动力而言，电力推进系统未来发展中，变频装置具有调速范围宽，平滑性好，运行效率高，操作方便等优点，随着变频技术在各个领域中广泛的应用，在船舶推进系统中，变频装置也具有广阔的应用前景。本文针对船舶电力推进变频装置控制策略进行探讨，以期推动其更加持续的应用。

2 船舶推进电机启动带来的影响

船舶电网本身属于有限电网，其系统惯性系数偏小，针对电力推进的船舶电力系统而言，因为其本身的电网和负载容量一致，其推进电动机的功率占据电网功率 70% 左右，相比大电网还存在一定的差距。当负载的电流出现变化，特别是电机启动等感性电流推进时，利用电枢反应，就可以让发电机的端电压出现变化，进而对用电设备的正常运行带来影响，最终影响整个电力系统。另外，在电机启动过程中，一旦发电机组的有功功率和转矩输出不够稳定，也会影响电网频率的稳定性，不稳定的频率就会直接影响整个电力系统，甚至造成系统崩溃。

3 推进系统变频装置控制策略研究

在船舶综合电力推进系统中，基于电力变换装置作为基础的电能变换和处理，如何确保电力变换装置互联系统本身的稳定运行，就是关键所在，针对控制结构图，具体见图 1 所示。

3.1 基于直流母线电压前馈的变频器控制

针对船舶电力推进系统而言，其功率达到几兆瓦或者几十兆瓦，直流侧参数出现变化和电机本身的稳定性有着直接的关联。当增加了直流侧电容容量或者是电阻阻值之后，就会通过减少电感来提升系统的稳定性。但是利用硬件系统的改变，会增加物理体积以及成本，并且还会增大功率的损耗，这样也会制约方法的有效应用。目前，直流母线稳定性控制策略是应用最为广泛的[4-8]。如图 2 所示，对于直流母线电压前馈，就相当于将虚拟电容引入直流侧，这样在实际电容大小不改变的前提下，实现虚拟电容值的增加，这样就可以保护好直流母线电压本身的稳定性。

3.2 基于电流扰动观测的变频器控制

利用传统扰动观测器，主要是为了将实际系统参数的不确定性消除，并且减少扰动变量带来的影响，其结构见图 3 所示。

如图 4 所示，在添加基于电流扰动观测（CDOB）变频器控制策略之后，推进系统母线端总阻抗 Zbus 的 Nyquist 曲线越过虚轴从复平面做半平面直接人进入到右半平面，右边为左边虚线框的放大图。事实证明，提出基于电流扰动观测（CDOB）的变频器控制策略，就可以帮助系统增强无源性，这样也可以帮助系统增强其稳定性。

3.3 控制策略仿真结果分析

基于电机控制参数，通过 MATLAB/Simulink软件，直接搭建船舶电力推进系统仿真模型，从而对其控制的有效性进行验证[9-11]。为了缩短仿真的时间，提升仿真效率。针对船舶正车启动典型工况进行模拟，从而推进电机转速以及直流母线电压波形见下图 5 所示。

在正车启动的时候，基于轻载状态下，按照设定值来稳步的提升，随着电机转速的增加，直流母线电压有所降低，在变频器不增加任何额外控制策略的时候，能够确保其稳定。

在海上航行的时候，船舶会受到风浪影响，进而出现垂荡和纵摇运动，随着波浪起伏，也会让螺旋桨的轴深出现变化。在出水和入水的瞬间，因为沉深出现变化，就会导致负载转矩出现变化。基于相同工况，选择直流母线电压的前馈变频器进行控制，在直流母线电压前馈加入之后，在 0.8 s 的时候，负载转矩从原本的 100 Nm 上升到 500 Nm，随之增加电磁转矩，其直流母线的电压会降低到 770 V，电机转速降低到 1 125 r/min，经过 0.4 s 之后，恢复到 1 200 r/min。在 1.6 s 的时候，负载转矩会从原本的 500 Nm 降低到 100 Nm，并且还会随之减小电磁转矩，让直流母线的电压逐渐增大到 820 V，但是电机本身的转速没有明显的变化。

通过分析可以得到，基于电流扰动观测变频器控制，会直接抑制直流母线电源波动，但是在增加负载转矩的时候，就会导致电机转速跌落，不过相比直接母线的电压前馈，其跌落的幅度是很小的。

在相同的负载条件和前馈增益的前提下，基于电流扰动观测变频器的控制策略敏感度，相比前馈，具有极大限度的提升。也就是说，在电流扰动观测变频器控制之下，推进电机转速和直流母线电压的关系更加密切，并且波动带来的彼此影响会增大，这就是存在的不足之处。通过相比的比较分析，这一控制策略可以将变频器推动电机系统的恒功率特性逐渐改善，有利于推进系统无源性的提高，同时也可以帮助船舶增强其综合电力系统的稳定性[12]。

4 结语

总而言之，随着能源的开发与利用，以及电力电子器件的更新与换代，推动了船舶电力系统的研究与发展。所以，希望通过本文对船舶电力推进变频装置控制策略的分析，对于今后的研究有一定的借鉴意义。