劉 樂(lè)，蔣 煒，高海波，林治國(guó)

組態(tài)式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 樂(lè)1，蔣 煒2，高海波3，林治國(guó)3

（1. 船舶綜合電力技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430064；2. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064； 3. 武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063）

針對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)方案論證效率低、成本高等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一款組態(tài)式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真軟件。對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，并建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，并封裝形成模型庫(kù)。使用Matlab/GUI開(kāi)發(fā)界面層，用M語(yǔ)言對(duì)Simulink模型進(jìn)行調(diào)用與控制。使用SQL Server 2008創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存取和管理功能?；谠撥浖?duì)某船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行組態(tài)式的圖形化建模，并設(shè)計(jì)了典型工況的仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，仿真模型較好預(yù)報(bào)了實(shí)船運(yùn)行工況。由此可見(jiàn)，該軟件可有效驗(yàn)證船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

船舶電力推進(jìn) 建模仿真 組態(tài) 模型庫(kù) 數(shù)據(jù)庫(kù)

0 引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，以交流推進(jìn)為主的現(xiàn)代船舶電力推進(jìn)技術(shù)在機(jī)動(dòng)性、可靠性、推進(jìn)效率和推進(jìn)功率等方面都取得了突破性的進(jìn)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大[1]。船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)電磁強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，在方案設(shè)計(jì)過(guò)程中缺少整體性能預(yù)報(bào)的手段。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，人們借助于系統(tǒng)建模與仿真的方法，部分解決電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估問(wèn)題。使用建模仿真技術(shù)對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試、參數(shù)整定、故障仿真和一系列系統(tǒng)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)品質(zhì)指標(biāo)評(píng)估，可以大大縮減研發(fā)時(shí)間與成本，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化有重要意義[2-3]。

國(guó)外海軍強(qiáng)國(guó)在上世紀(jì)90年代基于Simulink、ProTRAX和VTB等軟件分別開(kāi)始構(gòu)建綜合電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)，并不斷完善優(yōu)化。國(guó)內(nèi)對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真研究集中在子系統(tǒng)的建模與仿真，對(duì)完整的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真研究不多，且整體還處于全物理仿真和局部數(shù)字仿真階段，半物理仿真技術(shù)和全系統(tǒng)的數(shù)字仿真技術(shù)還沒(méi)有得到有效研究與應(yīng)用[4]。

本文在建立系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink、Matlab/GUI和SQL Server 2008分別開(kāi)發(fā)仿真軟件模型庫(kù)、界面及數(shù)據(jù)庫(kù)，然后進(jìn)行系統(tǒng)集成，得到一套通用的組態(tài)式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真軟件?；谠撥浖?，對(duì)某船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模仿真，并進(jìn)行性能分析，驗(yàn)證軟件有效性。

1 數(shù)學(xué)模型

常見(jiàn)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)包括發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電力變換系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)。本文以某交流電力推進(jìn)設(shè)計(jì)方案為例說(shuō)明建模方法，在該系統(tǒng)所包含的基本部件中，發(fā)電機(jī)及其勵(lì)磁系統(tǒng)、變壓器和推進(jìn)電機(jī)可在Simulink工具箱中直接調(diào)用通用模型；整流裝置可在Simulink工具箱中使用通用模型按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建仿真模型；原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)和船槳模型需完全按照數(shù)學(xué)模型使用基本元器件搭建仿真模型。本文主要介紹了推進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

推進(jìn)電機(jī)采用永磁同步電機(jī)，電機(jī)控制方式為預(yù)測(cè)電流控制。預(yù)測(cè)電流控制策略是在k時(shí)刻初始時(shí)通過(guò)觀(guān)測(cè)器得到轉(zhuǎn)速及定子電流等信號(hào)，接著估測(cè)出8個(gè)基本電壓矢量所對(duì)應(yīng)的k+1時(shí)刻的定子電流，最后通過(guò)比較8個(gè)基本電壓矢量所對(duì)應(yīng)的多目標(biāo)函數(shù)，選出最符合k時(shí)刻要求的開(kāi)關(guān)狀態(tài)量施加給逆變器[5]。

永磁同步電機(jī)dq坐標(biāo)系下定子電流預(yù)測(cè)方程及多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)如下[6]：

2 仿真軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 軟件框架設(shè)計(jì)

組態(tài)式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真軟件由模型層、界面層和數(shù)據(jù)層三部分組成，其中模型層和界面層在Matlab環(huán)境下開(kāi)發(fā)，充分利用Matlab強(qiáng)大的建模仿真能力和豐富的繪圖功能；數(shù)據(jù)層在SQL Server 2008環(huán)境下開(kāi)發(fā)，建立存儲(chǔ)仿真數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)Matlab與SQL Server之間的數(shù)據(jù)通信，滿(mǎn)足用戶(hù)記錄、管理大量仿真數(shù)據(jù)的需求。仿真軟件基本框架如圖1所示。

模型層是根據(jù)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的組態(tài)化及模塊化設(shè)計(jì)要求而自定義的分層級(jí)電力推進(jìn)模塊庫(kù)，包含總系統(tǒng)、子系統(tǒng)和基本設(shè)備模塊三層；界面層由多個(gè)GUI界面組成，按照功能分為方案論證、模型集成、實(shí)驗(yàn)分析、數(shù)據(jù)管理四個(gè)部分，其中方案論證又包括方案設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)；數(shù)據(jù)層作為最主要的數(shù)據(jù)載體，與界面層有著非常頻繁的數(shù)據(jù)交流，通過(guò)界面操作，能對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的系統(tǒng)方案信息、仿真實(shí)驗(yàn)信息、設(shè)備參數(shù)信息等進(jìn)行查詢(xún)和管理。

圖1 仿真軟件基本框架

2.2 組態(tài)式圖形化建模

圖形化建模方法采用面向?qū)ο缶幊趟枷?，將Simulink底層模塊和GUI頂層圖像抽象為一個(gè)模塊類(lèi)，通過(guò)該模塊類(lèi)實(shí)現(xiàn)頂層界面對(duì)底層模塊的訪(fǎng)問(wèn)和控制，大大降低了用戶(hù)對(duì)建模環(huán)境的認(rèn)知要求[7]。根據(jù)模塊類(lèi)創(chuàng)建模塊對(duì)象，然后為模塊對(duì)象選擇已有的設(shè)備參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)底層模塊參數(shù)值的快速設(shè)置。模塊對(duì)象包括界面圖標(biāo)和底層模塊，在此基礎(chǔ)上，采用組態(tài)方法進(jìn)行圖形化建模，連接界面圖標(biāo)形成直觀(guān)的系統(tǒng)配置圖。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

軟件的核心功能是對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案進(jìn)行仿真，得到系統(tǒng)基本性能預(yù)報(bào)。設(shè)計(jì)一個(gè)電力推進(jìn)系統(tǒng)方案，需要先確定系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，然后選擇合適的設(shè)備。對(duì)于仿真來(lái)說(shuō)，應(yīng)該先選擇仿真模型，然后設(shè)置模塊參數(shù)。仿真模型在界面上有對(duì)應(yīng)的配置圖，用以直觀(guān)顯示系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，方便參數(shù)設(shè)置。方案設(shè)計(jì)完成后，設(shè)置不同的仿真條件對(duì)方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依此論證方案的可行性。

根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在SQL Server 2008環(huán)境下創(chuàng)建仿真軟件數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在GUI界面的可視化，以及界面操作對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)和編輯功能。

基于上述技術(shù)對(duì)模型層、界面層和數(shù)據(jù)層進(jìn)行集成，完成船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真軟件的開(kāi)發(fā)。軟件數(shù)據(jù)分析界面如圖2所示。

圖2 仿真軟件數(shù)據(jù)分析界面

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 參數(shù)設(shè)置

基于仿真軟件對(duì)采用上述設(shè)計(jì)方案的某電力推進(jìn)船舶建立系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。仿真實(shí)驗(yàn)采用定步長(zhǎng)，步長(zhǎng)為2s，時(shí)長(zhǎng)為1000 s，算法為Matlab自帶的二/三階龍格-庫(kù)塔法。船機(jī)槳參數(shù)如表1所示。

3.2 起航實(shí)驗(yàn)

起航實(shí)驗(yàn)采用三級(jí)啟動(dòng)的測(cè)試方式，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速在1秒內(nèi)上升到75 r/min，運(yùn)行1秒后上升到150 r/min，繼續(xù)運(yùn)行１秒后上升到額定轉(zhuǎn)速200 r/min并保持到實(shí)驗(yàn)結(jié)束。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3~6所示。

表1 推進(jìn)電機(jī)、船舶和螺旋槳參數(shù)

圖3 船舶航速

圖4 電機(jī)轉(zhuǎn)速（起航10s）

仿真實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以較好地跟隨目標(biāo)轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)矩和螺旋槳轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)緊跟電機(jī)轉(zhuǎn)速，且電機(jī)轉(zhuǎn)矩與螺旋槳轉(zhuǎn)矩基本相同。交流母線(xiàn)處電壓總諧波畸變率為3.77%，滿(mǎn)足中國(guó)船級(jí)社電網(wǎng)電壓總諧波畸變率≤5%的規(guī)范。船舶航速在80 s時(shí)開(kāi)始上升，在500 s左右時(shí)穩(wěn)定在18 kn附近，與設(shè)計(jì)航速吻合。仿真實(shí)驗(yàn)表明，基于該軟件建立的系統(tǒng)仿真模型可以較好模擬實(shí)船運(yùn)行工況，仿真結(jié)果符合實(shí)船運(yùn)行機(jī)理，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行進(jìn)一步的系統(tǒng)性能分析，有效驗(yàn)證方案的可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

由于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)電磁各系統(tǒng)間耦合緊密，系統(tǒng)的全數(shù)字仿真驗(yàn)證還沒(méi)有得到有效應(yīng)用。本文以Matlab和SQL Server2008為平臺(tái)開(kāi)發(fā)出一款組態(tài)式船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真軟件。軟件具有界面友好、組態(tài)式建模方便、仿真精度高等特點(diǎn)，充足的底層模塊庫(kù)可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)系統(tǒng)方案的仿真驗(yàn)證，并可以持續(xù)擴(kuò)充。下一步的研究重點(diǎn)是在軟件模型庫(kù)中添加能量管理系統(tǒng)模塊庫(kù)，實(shí)現(xiàn)能量管理系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)的共同控制，進(jìn)一步優(yōu)化仿真軟件的可靠性。

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Design and Implementation of Marine Electric Propulsion System Configuration Simulation Software

Liu Le1, Jiang Wei2, Gao Haibo3, Lin Zhiguo3

（1. Science and Technology on Ship Integrated Power System Technology Laboratory, Wuhan 430063, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China; 3. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430064, China）

U664.14

A

1003-4862（2019）05-0055-04

2018-11-28

劉樂(lè)（1993），男，助理工程師。研究方向：船舶電力推進(jìn)技術(shù)。E-mail: m13260615416@163.com