基于PSCAD的双机双桨综合电力推进系统建模与仿真

摘要

电力推进系统不同于内燃机直接带动螺旋桨的机械推进系统,它是一种利用电力带动螺旋桨的推进方式。电力推进系统具有控制系统简单、操纵性能好、效率高、污染小等优势,已经成为当前的研究热点,我国电力推进技术的研究工作刚刚开始,处于起步阶段,而发达国家的电力推进技术已在舰船中广泛应用,其技术居于世界领先水平,因此加快我国电力推进系统的建模与分析工作具有非常重要的意义。本课题采用PSCAD仿真软件对电力推进系统的各个模块分析与建模,最终组成完整的系统并进行初步仿真研究。
　　本课题以PSCAD为仿真软件,采用模块化思想,将电力推进系统划分为原动机及其调速系统、发电机及其励磁系统、推进电机及其变频控制系统、螺旋桨等模块,分析各模块的数学模型与工作原理。在PSCAD环境下建立了原动机Woodward调速系统,根据IEEEStd421.5-2005标准分析发电机励磁系统,将两系统构成发电机组模型,对发电机组模型进行突加、突卸负载试验,通过观察系统瞬时调速率、电压调整率及稳定时间等指标验证了模型的合理性。分析同步电机矢量控制方法基本思想,搭建了推进电机矢量控制系统仿真模型,针对传统控制器的不足提出用新型单神经元控制器取代传统控制器,分析单神经元自适应PID控制器的工作原理与程序流程,用MATLAB实现单神经元控制器,在PSCAD中创建接口元件,实现与MATLAB的联合仿真,调用MATLAB实现单神经元控制器功能并观察控制效果,仿真结果表明单神经元控制器控制效果较好。详细分析螺旋桨数学模型,拟合螺旋桨工作特性曲线,在PSCAD环境下用FORTRAN语言实现螺旋桨的各个模块,并根据船桨运动方程组成完整的螺旋桨模型,将其作为推进电机的负载并进行启动实验,分析模型的有效性。将建立的各个模型组成单机单桨系统与双机双桨系统,对单机单桨系统进行启动、停车、倒航等典型工况的实验,分析直接操作与分级操作这两种操作方式对系统的影响。分析双机双桨系统的结构,设置六个故障点并用FORTRAN语言建立故障控制模块,对双机双桨系统进行三相短路典型故障的实验,模拟系统故障后推进电机的变化过程,分析系统的可重构性。分析系统并联运行的情况,并与单独运行情况作比较,最后分析系统多种负荷的情况,模拟加载与卸载过程。
　　为便于建模与分析,电力推进系统中的各个模块在建模过程中都存在一些程度的简化,但建立的仿真系统在一定程度上能模拟实际系统的运行状况,具有一定的应用价值,可以作为后续研究工作的基础。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的、背景及意义

1.2 课题研究的发展动态

1.3 仿真软件PSCAD介绍

1.4 论文的主要内容

第2章 发电机组建模与分析

2.1 柴油机及其调速系统

2.2 同步发电机及励磁系统

2.3 发电机组仿真分析

2.4 本章小结

第3章 推进电机及调速系统建模与分析

3.1 同步电动机及矢量控制系统

3.2 单神经元自适应PID控制器

3.3 PSCAD与MATLAB接口

3.4 本章小结

第4章 螺旋桨建模与分析

4.1 螺旋桨建模

4.2 螺旋桨特性曲线

4.3 船桨运动模型

4.4 本章小结

第5章 单机单桨系统仿真分析

5.1 船舶启动加速情况

5.2 船舶减速停车情况

5.3 船舶倒航情况

5.4 本章小结

第6章 双机双桨系统仿真分析

6.1 系统结构分析

6.2 系统故障设置

6.3 系统并联运行

6.4 系统多种负荷情况

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢