刘 乐，蒋 炜，高海波，林治国

组态式船舶电力推进系统仿真软件设计与实现

刘 乐1，蒋 炜2，高海波3，林治国3

（1. 船舶综合电力技术重点实验室，武汉 430064；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064； 3. 武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063）

针对船舶电力推进系统方案论证效率低、成本高等问题，开发了一款组态式船舶电力推进系统仿真软件。对船舶电力推进系统进行结构划分，并建立了系统的数学模型和仿真模型，并封装形成模型库。使用Matlab/GUI开发界面层，用M语言对Simulink模型进行调用与控制。使用SQL Server 2008创建数据库，实现数据的存取和管理功能。基于该软件对某船舶电力推进系统设计方案进行组态式的图形化建模，并设计了典型工况的仿真实验。结果表明，仿真模型较好预报了实船运行工况。由此可见，该软件可有效验证船舶电力推进系统设计方案。

船舶电力推进 建模仿真 组态 模型库 数据库

0 引言

20世纪80年代以来，以交流推进为主的现代船舶电力推进技术在机动性、可靠性、推进效率和推进功率等方面都取得了突破性的进展，应用领域不断扩大[1]。船舶电力推进系统是一个机电磁强耦合的系统，在方案设计过程中缺少整体性能预报的手段。随着仿真技术的不断发展，人们借助于系统建模与仿真的方法，部分解决电力推进系统的设计和性能评估问题。使用建模仿真技术对船舶电力推进系统设计方案进行系统调试、参数整定、故障仿真和一系列系统动态与静态品质指标评估，可以大大缩减研发时间与成本，对系统的设计与优化有重要意义[2-3]。

国外海军强国在上世纪90年代基于Simulink、ProTRAX和VTB等软件分别开始构建综合电力系统仿真平台，并不断完善优化。国内对电力推进系统的仿真研究集中在子系统的建模与仿真，对完整的综合电力推进系统的仿真研究不多，且整体还处于全物理仿真和局部数字仿真阶段，半物理仿真技术和全系统的数字仿真技术还没有得到有效研究与应用[4]。

本文在建立系统数学模型的基础上，基于Matlab/Simulink、Matlab/GUI和SQL Server 2008分别开发仿真软件模型库、界面及数据库，然后进行系统集成，得到一套通用的组态式船舶电力推进系统仿真软件。基于该软件，对某船舶电力推进系统设计方案进行建模仿真，并进行性能分析，验证软件有效性。

1 数学模型

常见的船舶电力推进系统包括发电系统、配电系统、电力变换系统和推进系统。本文以某交流电力推进设计方案为例说明建模方法，在该系统所包含的基本部件中，发电机及其励磁系统、变压器和推进电机可在Simulink工具箱中直接调用通用模型；整流装置可在Simulink工具箱中使用通用模型按其拓扑结构搭建仿真模型；原动机调速系统、推进电机控制系统和船桨模型需完全按照数学模型使用基本元器件搭建仿真模型。本文主要介绍了推进电机控制系统的数学模型。

推进电机采用永磁同步电机，电机控制方式为预测电流控制。预测电流控制策略是在k时刻初始时通过观测器得到转速及定子电流等信号，接着估测出8个基本电压矢量所对应的k+1时刻的定子电流，最后通过比较8个基本电压矢量所对应的多目标函数，选出最符合k时刻要求的开关状态量施加给逆变器[5]。

永磁同步电机dq坐标系下定子电流预测方程及多目标优化函数如下[6]：

2 仿真软件的设计与实现

2.1 软件框架设计

组态式船舶电力推进系统仿真软件由模型层、界面层和数据层三部分组成，其中模型层和界面层在Matlab环境下开发，充分利用Matlab强大的建模仿真能力和丰富的绘图功能；数据层在SQL Server 2008环境下开发，建立存储仿真数据的数据库，实现Matlab与SQL Server之间的数据通信，满足用户记录、管理大量仿真数据的需求。仿真软件基本框架如图1所示。

模型层是根据船舶电力推进系统的组态化及模块化设计要求而自定义的分层级电力推进模块库，包含总系统、子系统和基本设备模块三层；界面层由多个GUI界面组成，按照功能分为方案论证、模型集成、实验分析、数据管理四个部分，其中方案论证又包括方案设计和仿真实验；数据层作为最主要的数据载体，与界面层有着非常频繁的数据交流，通过界面操作，能对数据库中存储的系统方案信息、仿真实验信息、设备参数信息等进行查询和管理。

图1 仿真软件基本框架

2.2 组态式图形化建模

图形化建模方法采用面向对象编程思想，将Simulink底层模块和GUI顶层图像抽象为一个模块类，通过该模块类实现顶层界面对底层模块的访问和控制，大大降低了用户对建模环境的认知要求[7]。根据模块类创建模块对象，然后为模块对象选择已有的设备参数，可以实现底层模块参数值的快速设置。模块对象包括界面图标和底层模块，在此基础上，采用组态方法进行图形化建模，连接界面图标形成直观的系统配置图。

2.3 数据库设计

软件的核心功能是对电力推进系统方案进行仿真，得到系统基本性能预报。设计一个电力推进系统方案，需要先确定系统的组成结构，然后选择合适的设备。对于仿真来说，应该先选择仿真模型，然后设置模块参数。仿真模型在界面上有对应的配置图，用以直观显示系统组成结构，方便参数设置。方案设计完成后，设置不同的仿真条件对方案进行仿真实验，得到大量的实验数据，依此论证方案的可行性。

根据系统的数据结构在SQL Server 2008环境下创建仿真软件数据库，通过数据库接口技术实现数据在GUI界面的可视化，以及界面操作对数据库的存储和编辑功能。

基于上述技术对模型层、界面层和数据层进行集成，完成船舶电力推进系统仿真软件的开发。软件数据分析界面如图2所示。

图2 仿真软件数据分析界面

3 仿真实验

3.1 参数设置

基于仿真软件对采用上述设计方案的某电力推进船舶建立系统仿真模型，并进行参数设置。仿真实验采用定步长，步长为2s，时长为1000 s，算法为Matlab自带的二/三阶龙格-库塔法。船机桨参数如表1所示。

3.2 起航实验

起航实验采用三级启动的测试方式，实验开始时，设置电机转速在1秒内上升到75 r/min，运行1秒后上升到150 r/min，继续运行１秒后上升到额定转速200 r/min并保持到实验结束。仿真实验结果如图3~6所示。

表1 推进电机、船舶和螺旋桨参数

图3 船舶航速

图4 电机转速（起航10s）

仿真实验中，电机转速可以较好地跟随目标转速。电机转矩和螺旋桨转矩变化趋势紧跟电机转速，且电机转矩与螺旋桨转矩基本相同。交流母线处电压总谐波畸变率为3.77%，满足中国船级社电网电压总谐波畸变率≤5%的规范。船舶航速在80 s时开始上升，在500 s左右时稳定在18 kn附近，与设计航速吻合。仿真实验表明，基于该软件建立的系统仿真模型可以较好模拟实船运行工况，仿真结果符合实船运行机理，在此基础上可以进行进一步的系统性能分析，有效验证方案的可行性。

4 结语

由于船舶电力推进系统结构复杂，机电磁各系统间耦合紧密，系统的全数字仿真验证还没有得到有效应用。本文以Matlab和SQL Server2008为平台开发出一款组态式船舶电力推进系统仿真软件。软件具有界面友好、组态式建模方便、仿真精度高等特点，充足的底层模块库可以满足绝大多数系统方案的仿真验证，并可以持续扩充。下一步的研究重点是在软件模型库中添加能量管理系统模块库，实现能量管理系统与推进系统的共同控制，进一步优化仿真软件的可靠性。

[1] Sáiz V M M, López A P.Future trends in electric propulsion systems for commercial vessels[J]. Journal of Maritime Research Jmr, 2007, 4: 81-100.

[2] H Huang, AD Shen, JX Chu. Research on propeller dynamic load simulation system of electric propulsion ship[J]. China Ocean Engineering, 2013, 27(2): 255-263．

[3] 王子才. 仿真技术发展及应用[J]. 中国工程科学, 2003(2): 40-44．

[4] 程垠钟. 船舶综合电力推进系统仿真技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2014．

[5] Rodriguez J, Cortes P, Kennel R, et al. Model Predictive Control-A Simple and Powerful Method to Control Power Converters[C]//IEEE. The 6th International Power Electronics and Motion Control Conference. Wuhan: IEEE，2009: 1826-1838.

[6] Duran M J, Prieto J, Barrero F, et al. Predictive Current Control of Dual Three-Phase Drives Using Restrained Search Techniques[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(8): 3253-3263.

[7] 陈宁, 施维振, 李连峰. VC、SQL Server和Matlab混合编程管理仿真数据[J]. 计算机时代, 2009(7): 58-60．

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

刘乐（1993），男，助理工程师。研究方向：船舶电力推进技术。E-mail: m13260615416@163.com