船舶综合电力推进系统仿真技术研究

摘要

船舶综合电力推进系统代表了船舶未来的发展方向，但由于系统自身的复杂性，通过设计研发最大程度的发挥船舶综合电力推进系统的优点并克服其不足是现阶段急需解决的问题。传统的经验设计具有效率低、代价高的特点，反复的试验并从失败中寻找解决方案对于复杂系统来说并不实用。而进行物理试验在某些极端条件下也并不是完全可行的。应用预测式的建模与仿真技术在系统设计研发过程中能够为更深入的理解系统的动态过程以及系统参数的选择等提供辅助。
　　本文主要针对船舶综合电力推进系统建模与仿真技术方面存在的问题进行了研究：
　　首先，给出了船舶中压直流(Medium Voltage DC, MVDC)综合电力推进系统的组成和结构作为本文的研究对象，进行了系统各主设备的建模。对于发电机和推进电机等核心的复杂模型，开展了建模方法的研究，将VBR(Voltage-behind-reactanc)模型引入到六相同步发电机的建模中，针对磁饱和建模的问题，提出了一种单一饱和因数结合函数拟合的建模方法，解决了d-q轴交叉磁饱和的建模，并采用双派克反变换将电压方程中两套三相绕组之间的耦合重新转化到定子电路中，完成了六相同步发电机 VBR模型的建立和验证。针对多相异步电动机模型实现过程中普遍存在的坐标变换问题，提出了采用理想变压器等效模拟矢量空间解耦的方法，以对称绕组六相异步电机为例，通过仿真实验，完成了模型验证。
　　其次，提出了船舶MVDC综合电力推进系统数字仿真平台的构建方案，在Simulink中建立了船舶综合电力推进系统的仿真模型库。在仿真程序库方面，对船舶 MVDC综合电力推进系统的特性进行了分析，分别开展了船舶 MVDC综合电力推进系统的发电系统、桨推进系统和全系统多种工况的仿真。针对系统涉及电、磁、机等多域以及刚性的问题，提出了采用 Simulink/PLECS相结合的仿真方法进行系统仿真，从而充分发挥两种软件的优点；针对桨推进系统传统的异步电动机转矩控制中存在的不能实现四象限多工况运行、建模灵活性较低以及控制效果较差的缺点采用了一种异步推进电机恒开关频率直接转矩控制，改善了存在的缺点；为了实现多工况的运行，给出了螺旋桨四象限负载同直接转矩控制系统结合的流程，实现了全系统正常和紧急情况下的多工况仿真；最后，基于仿真模型库和仿真程序库，建立了船舶综合电力推进系统的数字仿真平台。
　　接着，针对系统存在恒功率负载电压不稳定的问题，采用基于小信号模型的特征值分析方法对系统进行稳定性分析。在发电系统带理想恒功率负载的情况下，提出了一种发电机 VBR模型结合二极管整流器平均值模型的建模方法，通过在电流支路加入低通滤波器解决了系统存在代数环的问题，建立了发电系统带理想恒功率负载的14阶非线性常微分方程(ODE)模型；在桨推进系统，提出了一种定子磁链坐标系下的异步推进电机模型结合PWM-VSI平均值模型的建模方法，通过代替理想恒功率负载，建立了船舶MVDC综合电力推进系统的23阶非线性ODE模型；通过ODE模型的仿真与数字仿真平台的仿真进行比对，验证了所建立的模型的准确性；采用雅可比矩阵特征值轨迹分析的方法，实现了发电系统带理想恒功率负载以及全系统的稳定性分析，并通过仿真平台的仿真实验对分析结果进行了验证。
　　最后，针对船舶综合电力推进系统在运行中面临较多不确定性因素的问题，提出了一种采用张量积构建多维广义多项式混沌(generalized Polynomial Chaos，gPC)的方法实现系统的不确定性仿真。首先将构建的多维gPC应用到一阶随机微分方程的求解中，给出了在包含多个不确定性参数情况下进行不确定性仿真的流程，得到了系统仿真全过程的统计特性，并通过与解析解的比对验证了方法的有效性。在此基础上，将多维gPC应用到船舶综合电力推进系统的不确定性仿真中，针对桨推进系统的理想空载起动后突加负载工况和正常起动及加速工况进行了不确定性仿真，通过推导解决了由于包含非多项式的项而不能进行多项式混沌展开的方法，实现了桨推进系统不同运行工况下不确定性模型的建立以及不确定性的仿真。
　　本文的研究成果具有重要的理论研究意义和工程应用价值，可以为船舶 MVDC综合电力推进系统的设计研发提供强有力的仿真与分析工具。部分研究成果可应用到其它独立电力系统的建模。仿真以及稳定性分析研究中去。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2船舶综合电力推进系统发展概述

1.3船舶综合电力推进系统仿真技术研究概述

1.4船舶综合电力推进系统仿真研究存在的主要问题

1.5本文主要研究内容

第2章 船舶综合电力推进系统建模研究

2.1引言

2.2船舶综合电力推进系统的组成和结构

2.3船舶综合电力推进系统各部分建模

2.4六相同步发电机VBR模型

2.5多相异步电动机统一建模方法研究

2.6螺旋桨与船舶运动建模

2.7本章小结

第3章 船舶综合电力推进系统数字仿真平台

3.1引言

3.2船舶综合电力推进系统的仿真模型库

3.3船舶综合电力推进系统数字仿真特性分析

3.4船舶综合电力推进系统的仿真环境

3.5船舶综合电力推进系统的仿真程序库

3.6数字仿真平台构建

3.7本章小结

第4章 船舶综合电力推进系统稳定性分析与仿真研究

4.1引言

4.2发电系统小信号模型的建立与验证

4.3全系统小信号模型的建立与验证

4.4 系统稳定性分析与仿真验证

4.5本章小结

第5章 船舶综合电力推进系统不确定性仿真方法研究

5.1引言

5.2广义多项式混沌

5.3多维gPC在一阶随机微分方程中的应用

5.4船舶综合电力推进系统不确定性仿真

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

一、发表论文

二、申请专利

三、参加的科研项目

致谢