船舶电力推进系统运行的仿真

船舶电力推进系统运行的仿真 第34卷第4期 2011年12月 中 国 航 海 NAVIGATIONOFCHINA Vol.34No.4 Dec.2011 文章编号:1000-4653(2011)04-0034-05 包 艳, 施伟锋 (上海海事大学物流工程学院,上海200135) 摘 要:船舶电力推进系统的推进电机单机容量大于发电机单机容量,属于重负载电力系统。建立船舶电力推进系统运行的数学模型,在MATLAB软件平台上对该系统进行仿真运行。对获得的电网电压信号,采用小波变换进行波形 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 和特征抽取。仿真实验结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,该船舶电力推进系统仿真模型合理有效。关键词:船舶、舰船工程;电力推进船舶;电力系统数字仿真;重负载;小波变换;特征抽取中图分类号:U664.14;TM74 文献标志码:A ResearchonOperationSimulationofShipElectricPropulsionSystem BaoYan, ShiWeifeng (Logesticengineeringcollege,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai20013 5,China) ——————————————————————————————————————————————— Abstract:Marineelectricpropulsionsystemscanbecharacterizedasaheavyloadpowersystem,sincethecapacityofsinglepropulsionmotorisbiggerthanthatofsingleelectricgenerator.Amathematicmodelofmarineelectricpro-pulsionsystemisestablishedandissimulatedontheplatformofMATLAB/Simulink.Featureextractionfromandwaveformanalysisofacquiredvoltagesignalsareconductedthroughwavelettransform.Simulationresultsindicatethatthemodelofmarineelectricpropulsionsystemsisrationalandeffective. Keywords:ship,navalengineering;electricpropulsionship;powersystemdigitalsimulation;heavyload;wavelettransform;featureextraction 船舶电力推进是一种采用电动机直接驱动螺旋桨的推进方式,与 传统的机械式推进相比,具有控制灵活、易于实现自动化、振动小、 噪声低、污染排放少、舱室布置方便、全寿期费用低等特点。电力推 进系统是将大功率推进电机作为船舶动力装置的系统,形成了/发电机 组y配电与变换y大功率推进电机0的船舶电能链,是船舶动力系统的 重大变革[1]。系统通常配置4~6台发电机组与1~2台推进电机,推进 电机的单机容量大于发电机单机容量,功率推进电机的操控与负载变 化频繁发生,表现出特有的周期/非周期/混沌的振荡现象,对系统稳定 性影响很大[3],使得电能质量下降,甚至会酿成船舶大面积停电,机损 事故与海难事故。因此迫切需要找出该系统运行时的关键特征,采取 相应的对策,来实现电能合理分配和电站有效管理,提高电网质量。为 了研究、计算、分析这些问题,也需要提供一种能够反映船舶电力推 ——————————————————————————————————————————————— 进系统运行的静、动态性能, 收稿日期:2011-08-01 并能进行波形分析计算的数字仿真工具。对此,国内外已经做了相当多的研究,文献[4]研究了船舶电 力系统中电能管理与控制;文献[5]则是利用仿真软件EMTP对舰船的电力推进系统进行了仿真研究;文献[6]分析了PWM变频器控制异步电动机的谐波情况;文献[7-8]则将重点分别放在船舶电力系统中的推进电动机和发电机的研究;文献[9]利用Matlab软件对船舶推进装置进行了仿真研究,这些工作集中于单独研究电力推进装置中电动机调速控制以及单独研究发电机组调节装置的仿真及控制效果,缺乏对船舶电力推进系统整体的仿真研究,而如何描述、特征化和识别电能参数方面还没有成熟的方法。 对船舶电力推进系统运行工况进行建模仿真,通过小波变化对该工况下特有的振荡现象进行特征抽取,为采取对应的改善措施,如励磁控制方面研究奠定基础。 基金项目:上海市教委重点学科建设项目(J50602);上海海事大学校基金(2009171);上海海事大学研究生创新基金资助项目 作者简介:包 艳(1982-),女,浙江湖洲人,博士生,主要从事电力系统控制、电力电子与电力转动的研究。E-mail:yanbao@shmtu.edu.cn. 35 1 船舶电力推进系统建模 船舶电力推进系统由发电机组、配电盘、变压器、谐波抑制器、——————————————————————————————————————————————— 变频器及负载等部分组成,其基本结构见图1 。 1.1 发电机及其励磁系统仿真 发电机部分采用交流同步发电机。同步发电机 的运行特性和内部电磁过渡过程是非常复杂的非线性动态过程,对其进行详细、精确的数学建模十分困难,其动态性能对整个电力系统动态性能有较大的影响。同步发电机模型常采用五阶凸极机模型,该模型考虑了定子绕组的电磁暂态过程、转子绕组的电磁暂态过程以及转子的机械运动过渡过程,能比较精确地分析系统和电机动态过程(见图2)。 定子电压方程: ud=E?d+x?q-raid uq=E?q-x?did-raiq 转子f绕组电压方程: xd-x1 Tcd0?q=Ef-E?q+ dtd1 (1) 图1 船舶电力推进系统的结构图Fig.1 Shipelectricpropulsionsystem ddddd1E?q-id d ——————————————————————————————————————————————— 1d1 (2) 图2 原动机及调速系统的数学模型 Fig.2 Mathematicmodelofmotorandvariablespeedsystem 转子d绕组电压方程: d1Tcd0Tcd0?q=?q-E?q-(xcd-x?d)id dtxcd-x1dt (3) 转子q绕组电压方程: TJ=Tm-dt [(E?qiq+E?did-(x?d-x?q)idiq]-D(w-1)(4) 另一个转子运动方程: =X-1dt (5) 图3 同步发电机及其励磁系统仿真模型 Fig.3 SimulationmodelofSYNmotorandexcitationsys-tem 式(1)~式(5)构成同步发电机的实用5阶模型。实 际中常用式(3)代替式(2)。 发电机的驱动原动机是船用柴油机,柴油机与其油门执行器的组合,采用二阶环节进行建模,系统模型与结构见图2。励磁系统采用旋转整流器系统,直流输出直接馈送到 发电机励磁绕组。在MATLAB的simulink交互式仿真环境下,基于PSB模块集和连续系统模块集搭建可控相复励励磁系统仿真模型和三相同步发电机模型,组成了同步发电机及其励磁系统的仿真模型(见图——————————————————————————————————————————————— 3)。 船用同步发电机电气参数及 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 参数如下: P=2500kVA,V=400V,f=50Hz;RS=0.0088,p=4;Xd=5.86,Xd.=0.230,Xd0=0.13 2,Xq=0.441,Xq.=0.168,Xq0=0.092:d轴时间常数Td.=0.145,Td0=0.006;极对数p=4。1.2 交流电力推进系统 船舶交流电力推进系统由交-直-交变频装置、推进电动机和螺旋桨负载以及其控制系统构成。整流单元采用三相不控桥组成,每组桥由六个晶闸管 36 中 国 航 海2011年第4期 组成;推进电机的单机容量大于或相当于发电机单机容量,属于重负载,采用三相鼠笼式异步电动机,尽管它的结构简单,但动态过程十分复杂。动态过程的数学模型描述如下: Us=Rsis+ sdt dUrdt (6) 从式(6)中可以看出,只要通过控制上式中的is,ir,5s,5r,便可以控制异步电动机的运行状态。通常,/变频器-异步电机0传动调速系统,具有与直流电机调速相媲美的高性能。交流调速控制策略主要有矢量控制与直接转矩控制两种。而矢量控制强调转子磁链与转矩的解藕,实——————————————————————————————————————————————— 行连续控制,相比直接转矩控制,调速范围宽,低速性能较好,适合大功率低速运转的推进电机控制,调速系统采用矢量控制法,控制模型见图4。 0=Rrir-jXrUr+Us=Lsis+LmirUr=Lrir+Lmis r=(Te-TL)/Jd t 图4 矢量控制模型Fig.4 Modelofvectorcontrol 对于螺旋桨推进器,由于船桨运动的特殊性,特别在船舶运行时,许多复杂的外部条件的影响,以及船本身对螺旋桨运动的影响,船速和桨速任何一个量发生变化对螺旋桨的运动都有影响,因此螺旋桨的运动相当复杂。根据船舶航行的特点,螺旋桨的典型特性曲线有以下三种情况: 1)自由航行特性My=f(n),Py=f(n)。 2)系缆特性或抛锚特性Mx=f(n),Px=f(n)。 3 )反转特性Mf=f(n),Pf=f(n)。 为考察控制系统的性能,船桨模型及其他负载模型则用阻抗性负载代替,以简化系统仿真。 机采用1台2500kW的异步电动机。在MAT-LAB平台上,对一个船舶电力推进系统的半侧实例进行了运行仿真,该实例的电气主接线见图5。 图5 船舶电力推进系统仿真 ——————————————————————————————————————————————— Fig.5 Simulationofshipelectricpropulsionsystem 2 系统运行仿真和特征提炼 2.1 系统运行过程仿真 系统的中心电站由2台2000kVA的柴油发电机组组成,交流推进系统采用交-直-交变频,整流部分采用6脉波整流,逆变部分采用矢量控制,推进 Breaker1、Breaker2、Breaker3合上,其他开关都断开,1号和2号发电机组都投入运行,交流推进电机在0.1s启动,发电机的相电压在启动时有所下降,随后在励磁系统的作用下发电机的相电压又 37 开始回升,但带载稳定运行后,电压仍然要比空载运行时的电压略低(见图6) 。 数,而噪声的奇异性表现为负的Lipschitz指数。将图7小波变换的信号剔除幅值随尺度减小而显著增加的模量极大点,保留下来的模量极大点则反映重载工况下的电压信号主要特征。因此,小波分解能反映原始信号的主要特征,可以作为电压图的特征 描述。 图7 小波分解细节信号(第一层) Fig.7 Detailsignalofwaveletanalysis(1stlay er) 图6 电网电压和电流信号 ——————————————————————————————————————————————— Fig.6 Voltageandcurrentsignalofpower 2.2 基于小波变换的波形特征抽取 船舶电力推进系统运行的特征参数为电流、电压和频率等,而电压是最为重要和最为常用的信号。长期以来对电压信号的研究主要集中在电压偏移、谐波、闪变、不平衡、暂降,无论对于电压监测还是电压扰动治理设备来说,首要的工作就是检测出电压扰动的发生。电压扰动检测方法的原理一般可以归纳为目前电压扰动分析大都采用信号处理的方法,主要是用先进的数字信号,处理工具对电压暂降信号进行时频分析,检测电压暂降的发生并提取电压扰动信号的特征。 而小波变换对信号有自适应性。它是一种多尺度变换方法,既可以显示信号的概貌,又可以剖析信号的局部特征,因而比较适用于动态电能质量信号分析。将信号进行小波变换,其模量极大点能够非常近似地逼近原始信号。因而小波变换的模量极大点包含了原始信号的近似完整的信息,体现了信号的特征[9]。 将系统运行时的电网电压波形放大,应用db5小波进行九层分解来抽取重载工况的特征点,得到的第一层(见图7),第二层(见图8)细节信号,从图中看出,在重载工况下,图7波形已有明显的奇异性,奇异性一般用Lipschitz指数来定量描述,该指数经过小波变换W2.f(x)的模量沿尺度的变换来计算,特征信号的奇异性表现为正的Lipschitz指 图8 小波分解细节信号(第二层) Fig.8 Detailsignalofwaveletanalysis(2ndlayer) 3 结 语 ——————————————————————————————————————————————— 使用MATLAB仿真软件对船舶电力推进系统的动态过程进行仿真研究。通过建立相复励调节系统模块和转速调节系统模块,结合改进后的simu-link同步电机模块和负载模块,建立了数学模型,对该系统的运行工况进行仿真。仿真结果达到了预先的设想和要求。 1.较好地显示了各个变量的动态变化过程,说明该仿真模型有效合理。 2.仿真了某些实际无法进行的试验。 通过使用示波器模块和测量模块,可以用具体和生动的图形、确凿的数据得出仿真结果,更好地观察系统变量的变化趋势,定性分析实际系统的性能。对于仿真运行中存入工作空间的测量数据,采用小波变换方法进行特征抽取,为发电机励磁控制研究等提供有价值的数据。 参 考 文 献 [1] 马伟明.舰船动力发展的方向)))综合电力系统 [J].上海海事大学学报,2004,25(1):1-11. 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AnnualReviewsinControl, 第16届中国国际海事会展在上海新国际博览中心举行 由交通运输部、工业和信息化部、上海市人民政府主办,中国船舶工业集团公司、中国船舶重工集团公司、中国船舶工业行业协会和中国造船工程学会协办,上海市造船工程学会与博闻集团(UBM)承办的2011年中国国际海事技术学术会议和展览会(简称:第16届中国国际海事会展,MarintecChina2011)于2011年11月29日至12月2日在上海新国际博览中心举行。 本届会展的学术会议)))高级海事论坛以/绿色创新发展0为主题,设主论坛和技术分论坛。主论坛由主题报告专场、国际航运上海论坛2011(航运和港口专场)、造船专场、2011中国国际海洋工程装备高峰论坛(海洋工程专场)、海事金融专场与船舶配套设备和 采购 采购部分工政府采购法87号令广东省政府采购政府采购法及采购员下一步工作计划 专场六个部分组成。 论坛邀请来自中外十余个国家和地区的政府部门、国际组织、管理咨询机构、航运、港口、造船和海洋工程装备及配套知名企业、贸易和金融界的高官、高管和专家等40余位嘉宾,分别就/国际航运、造船和海工装备市场的发展趋势0、/中国航运、造船和海工产业十二五——————————————————————————————————————————————— 规划 污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文 的思路、政策和举措0、/上海国际航运中心建设的新发展0、/船舶和海工配套产业面临的挑战和机遇0、/最新绿色海事技术0和/海事金融的当前形势和相关金融企业的举措0等热点问题进行解析和诠释,开展多视角和深层次的讨论,共论航运、造船和海洋工程市场之发展趋势,共谋绿色、创新和发展之策略举措,共建合作、互利和共赢之商贸平台。论坛具有内容涉及面广,权威性、国际性和前瞻性强的特点,它是全球海事业界精英的一次重要聚会,是全球海事业界相关市场和技术最新信息、观点和理念的精彩汇集,约有1500人次代表与会。 ———————————————————————————————————————————————