1 引言

對于船舶動力而言，電力推進系統未來發展中，變頻裝置具有調速范圍寬，平滑性好，運行效率高，操作方便等優點，隨著變頻技術在各個領域中廣泛的應用，在船舶推進系統中，變頻裝置也具有廣闊的應用前景。本文針對船舶電力推進變頻裝置控制策略進行探討，以期推動其更加持續的應用。

2 船舶推進電機啟動帶來的影響

船舶電網本身屬于有限電網，其系統慣性系數偏小，針對電力推進的船舶電力系統而言，因為其本身的電網和負載容量一致，其推進電動機的功率占據電網功率 70% 左右，相比大電網還存在一定的差距。當負載的電流出現變化，特別是電機啟動等感性電流推進時，利用電樞反應，就可以讓發電機的端電壓出現變化，進而對用電設備的正常運行帶來影響，最終影響整個電力系統。另外，在電機啟動過程中，一旦發電機組的有功功率和轉矩輸出不夠穩定，也會影響電網頻率的穩定性，不穩定的頻率就會直接影響整個電力系統，甚至造成系統崩潰。

3 推進系統變頻裝置控制策略研究

在船舶綜合電力推進系統中，基于電力變換裝置作為基礎的電能變換和處理，如何確保電力變換裝置互聯系統本身的穩定運行，就是關鍵所在，針對控制結構圖，具體見圖 1 所示。

3.1 基于直流母線電壓前饋的變頻器控制

針對船舶電力推進系統而言，其功率達到幾兆瓦或者幾十兆瓦，直流側參數出現變化和電機本身的穩定性有著直接的關聯。當增加了直流側電容容量或者是電阻阻值之后，就會通過減少電感來提升系統的穩定性。但是利用硬件系統的改變，會增加物理體積以及成本，并且還會增大功率的損耗，這樣也會制約方法的有效應用。目前，直流母線穩定性控制策略是應用最為廣泛的[4-8]。如圖 2 所示，對于直流母線電壓前饋，就相當于將虛擬電容引入直流側，這樣在實際電容大小不改變的前提下，實現虛擬電容值的增加，這樣就可以保護好直流母線電壓本身的穩定性。

3.2 基于電流擾動觀測的變頻器控制

利用傳統擾動觀測器，主要是為了將實際系統參數的不確定性消除，并且減少擾動變量帶來的影響，其結構見圖 3 所示。

如圖 4 所示，在添加基于電流擾動觀測（CDOB）變頻器控制策略之后，推進系統母線端總阻抗 Zbus 的 Nyquist 曲線越過虛軸從復平面做半平面直接人進入到右半平面，右邊為左邊虛線框的放大圖。事實證明，提出基于電流擾動觀測（CDOB）的變頻器控制策略，就可以幫助系統增強無源性，這樣也可以幫助系統增強其穩定性。

3.3 控制策略仿真結果分析

基于電機控制參數，通過 MATLAB/Simulink軟件，直接搭建船舶電力推進系統仿真模型，從而對其控制的有效性進行驗證[9-11]。為了縮短仿真的時間，提升仿真效率。針對船舶正車啟動典型工況進行模擬，從而推進電機轉速以及直流母線電壓波形見下圖 5 所示。

在正車啟動的時候，基于輕載狀態下，按照設定值來穩步的提升，隨著電機轉速的增加，直流母線電壓有所降低，在變頻器不增加任何額外控制策略的時候，能夠確保其穩定。

在海上航行的時候，船舶會受到風浪影響，進而出現垂蕩和縱搖運動，隨著波浪起伏，也會讓螺旋槳的軸深出現變化。在出水和入水的瞬間，因為沉深出現變化，就會導致負載轉矩出現變化。基于相同工況，選擇直流母線電壓的前饋變頻器進行控制，在直流母線電壓前饋加入之后，在 0.8 s 的時候，負載轉矩從原本的 100 Nm 上升到 500 Nm，隨之增加電磁轉矩，其直流母線的電壓會降低到 770 V，電機轉速降低到 1 125 r/min，經過 0.4 s 之后，恢復到 1 200 r/min。在 1.6 s 的時候，負載轉矩會從原本的 500 Nm 降低到 100 Nm，并且還會隨之減小電磁轉矩，讓直流母線的電壓逐漸增大到 820 V，但是電機本身的轉速沒有明顯的變化。

通過分析可以得到，基于電流擾動觀測變頻器控制，會直接抑制直流母線電源波動，但是在增加負載轉矩的時候，就會導致電機轉速跌落，不過相比直接母線的電壓前饋，其跌落的幅度是很小的。

在相同的負載條件和前饋增益的前提下，基于電流擾動觀測變頻器的控制策略敏感度，相比前饋，具有極大限度的提升。也就是說，在電流擾動觀測變頻器控制之下，推進電機轉速和直流母線電壓的關系更加密切，并且波動帶來的彼此影響會增大，這就是存在的不足之處。通過相比的比較分析，這一控制策略可以將變頻器推動電機系統的恒功率特性逐漸改善，有利于推進系統無源性的提高，同時也可以幫助船舶增強其綜合電力系統的穩定性[12]。

4 結語

總而言之，隨著能源的開發與利用，以及電力電子器件的更新與換代，推動了船舶電力系統的研究與發展。所以，希望通過本文對船舶電力推進變頻裝置控制策略的分析，對于今后的研究有一定的借鑒意義。