恶劣海况下电力推进系统控制策略仿真研究

摘要

恶劣海况下，螺旋桨负载波动频繁，对于电力推进船舶，这将对船舶电网产生很大的影响，各船级社对此都做出了相应的规范。通过搭建船舶电力推进系统仿真模型，对恶劣海况下的电力推进船舶做出仿真分析，在船舶设计和使用过程中有着非常重要的意义。
　　船舶电力推进系统中的控制可分为能量管理系统，推进控制系统和电机驱动控制系统三个等级。其中，能量管理系统为全船最高控制等级，可根据电网状态实时的控制发电机组、推进负载及船舶其它电力负载的运行状态。本文针对船舶电力推进系统，主要进行以下几方面的工作:
　　1）对船舶电力推进系统进行数学分析，搭建仿真模型。主要包含了柴油机、同步发电机及励磁系统、整流器及逆变器、永磁同步电机、船体阻力及螺旋桨水动力等单元。
　　2）针对船用大功率永磁同步电机，阐述了直接转矩控制和预测电流控制两种方式。为达到降低转矩波动的效果，针对预测电流控制的特点，采取增加预测步长及添加零电压向量的方式。
　　3）归纳推进控制系统的组成，包括推力目标值生成模块、转矩及功率限制模块、摩擦转矩及转动惯量补偿模块以及推进系统核心控制器。通过对各模块进行分析，搭建船舶推进控制系统的仿真模型。
　　4）分析恶劣海况下的螺旋桨水动力损失并搭建损失模型。同时针对螺旋桨的卷气效应，给出两级动作的推进系统防滑控制。
　　5）针对提出的控制策略，利用搭建的船舶电力推进系统仿真模型进行实验分析。其中包括：永磁同步电机预测电流控制及直接转矩控制比较分析、船舶起航及停车实验、恶劣海况下三种核心控制器及加入防滑控制后的组合控制器性能分析比较。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及章节安排

第2章 船舶电力推进系统建模分析

2.1 船舶电力推进系统组成

2.2 柴油机动力学模型

2.3 同步发电机模型

2.4 励磁控制系统模型

2.5 变压器模型

2.6 整流器及逆变器模型

2.7 永磁同步电机模型

2.8 本章小结

第3章 船桨系统建模分析

3.1 船舶阻力

3.2 螺旋桨水动力分析

3.3 伴流系数与推力减额系数

3.4 外界工况对推进系统的影响

3.5 船机桨运动模型

3.6 本章小结

第4章 永磁电机驱动控制

4.1 磁场定向控制

4.2 直接转矩控制

4.3 预测电流控制

4.4 降低转矩波动策略研究

4.5 本章小结

第5章 船舶推进系统控制策略研究

5.1 控制目标

5.2 推进控制系统结构组成

5.3 目标值生成器

5.4 摩擦转矩补偿和转动惯量补偿

5.5 转矩和功率限制

5.6 推进器控制单元

5.7 防滑控制

5.8 本章小结

第6章 典型工况及恶劣海况仿真分析

6.1 仿真参数

6.2 仿真模型

6.3 永磁同步电机的直接转矩控制和预测电流控制

6.4 船舶典型工况分析

6.5 恶劣海况下三种核心控制器的比较

6.6 恶劣海况下的防滑控制

6.7 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 不足之处及后续研究展望

致谢

参考文献

附录