船舶电推进技术是指采用燃料电池、柴油机或燃气轮机等设备发电后，由电机驱动螺旋桨提供推进动力的技术。采用电推进技术除了可以显著降低船舶能效设计指数（EEDI），大大降低船舶运营成本外，还具有布置方式灵活、振动噪声小、低负荷效率高等优点。因此近年来电推进系统成为船舶行业大力发展的技术，并有望得到全面推广。

典型的船舶电推进系统主要由发电设备、供电电源系统、电力变换系统、驱动电机和控制系统等组成，涉及机械、电气、传热、控制等多领域强耦合过程。

图1 船舶电推进系统原理

在实际航行期间，船舶为了应对复杂的海洋环境和不同的航行任务，其电推进系统中各设备的运行工况复杂多变，因此迫切需要通过仿真手段对船舶电推进系统性能进行详细预测和全面评估。

本文利用基于Modelica语言的系统仿真验证软件MWorks.Sysplorer，介绍如何面对真实的船舶电推进系统构建统一的多学科耦合仿真模型，展示了系统建模仿真技术在船舶电推进系统性能评估、故障预测、运行控制策略优化等方面的深度应用案例。

系统模型库架构

某型船舶电推进系统总体架构如下图所示：

图2 某型船舶电推进系统架构

按照该电推进系统的拓扑结构，在MWorks.Sysplorer中搭建了供电电源、电力变换、电机、控制系统和负载等五个专用模型库。其中供电电源模型库中有交流电压源、变压器等模型，电力变换模型库中有整流器、变频器等模型，电机模型库中有永磁电动机、永磁发电机等模型，控制系统模型库中有电机控制器硬件、调制策略和控制算法等模型，负载模型库中是船舶的转矩负载模型。

图3 某型船舶电推进系统的模型库结构

部件级建模

首先构建IGBT、电源、电容、电感、开关、二极管等基础组件，然后基于基础组件构建并测试三相电机、六相电机、三相三电平变频器、三相两电平变频器、控制器（三相、六相，包含两电平和三电平）、负载、整流器等设备级部件模型。

图4 六相电机模型和图标

图5 变频器模型和图标

电机控制器

转矩负载

预充电单元

整流器

图6 其余主要部件图标

系统集成建模

完成部件建模后，根据实际电推进系统的设计架构，通过图标拖拽、连线的方式构建电推进系统的总体集成模型。

本文根据不同的推进系统设计方案总共搭建了五个系统集成模型，包括三相两电平推进系统、三相三电平推进系统、六相三电平推进系统、三相两电平对拖推进系统和六相三电平对拖推进系统等。

图7 电推进系统集成方案模型库

以六相三电平对拖推进系统为例，其系统设计方案如图8所示，对应的系统集成模型如图9所示：

图8 六相三电平对拖系统原理图

图9 六相三电平对拖系统集成模型

模型仿真结果

在MWorks.Sysplorer中搭建电推进系统模型，得到以下电机动态性能曲线：

图表名称	MWorks.Sysplorer系统模型仿真结果
电动机电流曲线
电动机转速曲线
电动机扭矩曲线

表1 MWorks.Sysplorer仿真结果

故障建模与仿真

利用MWorks.Sysplorer的故障仿真工具箱，基于上述正常机理模型生成故障仿真模型，通过多种故障注入手段对电推进系统的故障行为进行动态仿真，用于预测故障传播路径、传播范围并定量评估故障的影响力，支撑故障部件的精准定位与可靠性指标评估。

图10 电机堵转故障模型及故障仿真信息输出

图11 IGBT故障模型

热耦合建模与仿真

电机作为船舶电推进系统的关键部件，在实际运行过程中经常由于温度过高导致线圈烧损故障，因此我们利用MWorks.Sysplorer在多领域统一建模方面的优势对电机线圈发热、内部导热、外部散热等的全链路传热过程进行了详细建模和仿真，用于评估电机在不同环境温度、不同负荷下的温度响应特性。

图12 电机电热耦合模型测例

图13 电机在加减负荷下的温度响应曲线

基于电机在变负载工况下的温度响应机理模型，可以用于探索电机设备的安全运行边界参数，还可以在服役过程中对电机的健康状态进行评估和预测。

本文基于MWorks.Sysplorer及其工具箱提供的多领域统一建模以及故障注入能力，可方便地进行船舶电推进系统的多学科耦合建模与仿真，为船舶电推进系统的工作特性和运行可靠性提供评判依据。

在此基础上，可以进一步探索系统建模仿真在船舶电推进领域的深度应用，包括以下专题：

搭建全船综合电力系统模型，对不同任务条件下发电、储电和用电设备的运行控制策略进行优化；
螺旋桨模型、船舶阻力模型、海洋环境模型，考虑船舶在不同季节、不同海域航行的阻力，从燃油经济性、航行周期角度辅助规划航线和动力配置方案；
深度开发全动力系统的故障模型，用于船舶运维阶段的设备健康状态预测，故障源追溯和定位，为船舶动力系统提供优化的维修方案。

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