基于三电平变换器的船舶电力推进仿真研究

摘要

随着船舶推进技术的发展，交流电力推进已经取代直流电力推进成为主流。多电平逆变器有对开关器件耐压要求低，输出的谐波含量小，电压利用率高等优点，满足船舶电力推进日益对高压、大功率的需求，因此它成为高压大功率变频调速领域的重点研究对象。在多电平拓扑结构中二极管箝位型三电平逆变器是研究最多的一种。直接转矩控制（DTC）技术作为一种新型的交流调速技术，以其控制简单、鲁棒性强、动态性能好等优点，得到了越来越广泛的研究和应用。所以本文对基于二极管箝位型三电平逆变器船舶电力推进直接转矩控制系统作了仿真研究。
　　本文以传统DTC为理论基础，分析了异步电机和两电平电压型逆变器和DTC的基本原理和结构，并在MATLAB/Simulink中建立传统的两点平DTC系统的仿真模型，分析电机的速度、磁链和转矩特性。为了实现高压大容量的变频器输出，本文研究了基于二极管箝位型三电平逆变器的DTC系统。首先，对基于二极管箝位型的三电平逆变器的工作原理、中点电压的不平衡及空间矢量脉宽调（SVPWM）原理等进行了详细阐述；其次，为解决三电平DTC系统中面临的电压矢量的选择问题与中点电位的控制问题，本文引入了双PI调节来调节定子磁链和转矩，这种结构能将电压矢量选择与中点电位控制区分开来，具有良好的动态性能。建立一个基于双 PI调节器的三电平SVPWM-DTC系统模型，仿真表明该系统的性能得到全面的提高；最后，由于定子磁链的估测精度直接影响到系统的性能，而常用的U-I磁链观测模型精度低，本文采用新型基于PI锁相原理的定子磁链观测器代替U-I观测器，建立基于PI-PLL的三电平SVPWM-DTC系统，其仿真结果表明磁链观测的精度和系统的性能得到改善。
　　本文针对实际船舶，建立船舶-螺旋桨仿真模型，分析船舶的速度、推力和扭矩特性。并分别将上述的传统DTC、基于三电平变换器的SVPWM-DTC与实际船舶-螺旋桨模型结合，建立船舶电力推进直接转矩控制综合仿真系统。对比分析当施加螺旋桨负载时DTC系统电机的响应特性，以及施加螺旋桨负载扰动时对DTC系统的影响。经过验证，在船舶电力推进系统中，SVPWM-DTC具有较好的稳态和动态性能，传统DTC动态性能优于稳态。

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中文摘要

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第1章 绪论

1.1选题的背景及意义

1.2 船舶电力推进的发展现状

1.3 交流调速的发展现状

1.4 高压大容量逆变技术的研究现状

1.5 论文主要内容

第2章 两电平DTC系统研究

2.1 异步电动机的数学模型

2.2 两电平逆变器数学模型及电压矢量

2.3 直接转矩控制的基本原理

2.4 传统直接转矩控制系统仿真

2.5 本章小结

第3章 三电平逆变器空间矢量调制研究

3.1 三电平逆变器空间矢量调制

3.2 三电平直接转矩控制存在的问题研究

3.3 三电平逆变器SVPWM算法研究

3.4 本章小结

第4章 基于三电平SVPWM-DTC系统仿真

4.1 三电平SVPWM-DTC系统的模型建立及仿真

4.2 新型改进型定子磁链观测器

4.3 本章小结

第5章 船舶电力推进直接转矩控制系统仿真

5.1 螺旋桨工作特性

5.2 船舶-螺旋桨模型

5.3传统船舶电力推进DTC系统

5.4 基于三电平逆变器的船舶电力推进SVPWM-DTC系统

5.5 本章小结

总结与展望

本文总结

工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢