基于模型预测的船舶轴带电机控制系统研究

摘要

船舶混合动力推进系统可以有效降低航运业成本、减少污染、提高效率。本文以船舶轴带电机为研究对象，针对船舶混合动力推进系统运行在不同的工作模式，围绕能量回馈变频器的控制策略，实现能量双向流动的自由切换。
　　首先，建立双 PWM型能量回馈变频器数学模型。分析和研究基于开关表的直接功率和转矩控制策略（ST-DPTC），结合功率前馈原理控制能量回馈变频器的能量双向流动。基于Simulink仿真分析，发现ST-DPTC算法存在电机转矩、磁链及功率的脉动等问题，为改善系统的稳定性，提出改进的控制策略。
　　其次，分析和研究基于模型预测的直接功率和转矩控制策略（MP-DPTC）。为了快速选择最优电压矢量，在 MP-DPC基础上引入降低 MPC控制复杂度算法，有效简化了算法流程。在每个MP-DTC采样周期中引入双矢量控制，提出最优占空比控制算法，协调零电压矢量与非零电压矢量的作用时间，降低电机转矩和磁链脉动。将ST-DPTC与MP-DPTC算法进行对比发现，MP-DPTC算法可显著降低系统的纹波电流以及转矩、磁链脉动，抑制直流母线电压波动，且具有较好的跟踪特性和鲁棒性。
　　最后，设计船舶混合动力推进系统动力与控制平台，并且在不同工作模式下进行实验研究。混合动力驱动平台柔性解决了主机与轴带电机间的功率分配，实现轴带电机在电动和发电状态的自由切换。基于 DSP28335设计了能量回馈单元EMI滤波板以及三相软件锁相环，保证轴带电机的发电及并网电能质量。采用S7-200 SMART系列控制器，完成对主电路、控制电路、控制平台以及MCGS上位机设计。分别将ST-DTC与MP-DTC算法应用于船舶混合动力推进系统的能量回馈单元进行实验验证，系统运行稳定、切换平稳、抖动小，验证了基于模型预测的船舶轴带电机控制算法的优良性能。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外轴带发电系统发展和研究现状

1.3 船舶轴带电机控制策略研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 能量回馈变频器数学模型及控制策略

2.1 三相电压型PWM整流器数学模型

2.2 三相永磁同步电机数学模型

2.3 能量回馈变频器原理及控制算法

2.4 本章小结

第3章 基于模型预测的直接功率和转矩控制策略

3.1 基于模型预测的直接功率控制策略

3.2 基于最优占空比的预测直接转矩控制策略

3.3 基于模型预测的直接功率和转矩控制策略仿真分析

3.4 本章小结

第4章 船舶混合动力推进系统平台设计

4.1 船舶混合动力推进系统平台设计

4.2 能量回馈单元设计

4.3 能量回馈单元控制算法设计

4.4 本章小结

第5章 船舶混合动力推进系统实验研究

5.1 船舶混合动力推进系统平台参数

5.2 ST-DTC算法实验研究

5.3 MP-DTC算法实验研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢