船舶船岸电无间隙转换系统建模与控制策略研究

摘要

推广船舶靠港期间使用岸电是国家发展绿色港口建设的重要措施，而船舶供电电源切换时易发生全船失电和岸电系统输出的电能质量得不到保证的问题阻碍了岸电技术推广，针对这些问题，应该对岸电系统的结构与控制策略进行研究。变频设备是岸电系统的核心设备，也是岸电控制系统的主要控制对象，逆变器控制策略的好坏对岸电系统输出的电能有直接的影响。而在逆变器的控制策略中，下垂控制能简单、高效地控制逆变器，使其输出的电压、频率具有下垂特性，满足与船舶电网无间隙并网的需求。因此，以岸电系统为控制对象，以电压电流双闭环控制理论为基础，深入研究下垂控制策略，设计整流器和逆变器的控制系统；同时，为保证岸电输出稳定的电能，基于虚拟惯性和自抗扰技术对控制系统进行优化。在MATLAB/Simulink平台上进行仿真实验，为岸电系统控制策略的研究提供一定的参考价值。 首先，研究岸电系统的物理结构。根据现有船舶岸电系统范例，总结岸电系统的供电方式和电气配置方案。为统一岸电设计方案，本文提出岸电系统结构的改善思路，降低了船舶对岸电系统输出电压的控制难度；同时，分析系统各组成部件的作用，阐述变频设备的类型，根据系统需求选择合适的变频设备。 然后，基于选定设备的物理结构，建立变频设备的数学模型，研究整流器和逆变器的电压电流双闭环控制原理。分析逆变器的控制系统结构，以逆变器控制信号的逆向为顺序，依次研究空间电压矢量调制技术(SVPWM)、下垂控制原理和功率计算方法。根据上述原理，设计了相应的控制器，并进行仿真分析，验证了控制模型正确性和有效性。 最后，根据船舶电力系统的特点，分析下垂控制和电压电流双闭环控制在船舶岸电系统的适用性，针对控制器超调和阶跃性输出的问题，在下垂控制模块和电压电流双闭环模块中分别加入虚拟惯性环节和自抗扰控制器，优化系统的控制策略，提高岸电系统输出电能的质量和对船舶电力系统的适用性。在MATLAB/Simulink平台上，搭建船舶电网与岸电无间隙转换系统的仿真模型，根据实际情况，进行船舶电网与岸电并、离网仿真实验。分析并网电压同步过程和负载转移过程，验证控制策略的有效性。

目录

声明

第1章 引 言

1.1 研究背景和意义

1.2船舶岸电技术发展历程与现状

1.2.1国外船舶岸电技术的发展历程

1.2.2国内船舶岸电技术发展现状

1.3 船舶岸电系统的关键技术

1.3.1 存在问题

1.3.2 国内外并网控制策略研究现状

1.4 本文的主要工作与章节安排

1.4.1 本文的主要工作

1.4.2 本文的章节安排

第2章 船舶岸电系统配置结构研究

2.1 船舶岸电系统供电方式

2.1.1 低压—低压供电方案

2.1.2 高压—低压供电方案

2.1.3 高压—高压供电方案

2.2 船舶岸电系统的电气配置方案

2.3 船舶岸电系统的组成结构

2.4 本章小结

第3章 船舶岸电系统变频设备建模与仿真

3.1 岸电系统变频设备的常见类型

3.2 岸电系统变频设备的数学模型

3.2.1 三相电压型PWM整流器的建模研究

3.2.3 三相电压型PWM逆变器的建模研究

3.3 岸电系统变频设备的控制模型

3.3.1 三相电压型PWM整流器控制模型

3.3.2 三相电压型PWM逆变器控制模型

3.4 变频设备模型的仿真验证

3.4.1 整流器的开环仿真验证

3.4.2 逆变器的开环仿真验证

3.5 本章小结

第4章 逆变器控制系统建模与仿真

4.1 空间矢量脉宽调制模块的搭建

4.1.1 脉宽调制(PWM)逆变器的通用数学模型

4.1.2 SVPWM的工作原理

4.1.3 SVPWM的实现过程

4.1.4 SVPWM模块仿真验证

4.2 下垂控制

4.2.1 下垂控制原理

4.2.2 下垂控制仿真模块的搭建

4.2.3 功率计算模块的搭建

4.3逆变器控制系统仿真

4.3.1 控制系统仿真模型的搭建

4.3.2 控制系统的仿真验证

4.4 本章小结

第5章 岸电系统控制策略的优化与仿真

5.1 岸电系统控制策略的优化

5.1.1 加入虚拟惯性改善动态响应

5.1.2 使用自抗扰优化PID控制器

5.1.3 优化前后控制策略的仿真对比

5.2 船岸电无间隙转换系统仿真研究

5.2.1 控制系统仿真模型的搭建

5.2.2 岸电与公共电网同步实验

5.2.3 岸电并网负荷转移实验

5.2.4 岸电离网负荷转移实验

5.3 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 后续的研究展望

致谢

参 考 文 献

攻读学位期间获得科研成果