柴油同步发电机与船舶微源逆变器并联运行研究

摘要

近年来为缓解人类面临的能源危机和环境危机，维持社会和经济的持续健康发展，以可再生能源为主的新能源的开发和利用越来越受到人们的重视。在节能减排、保护环境的背景下，将新能源、清洁能源发电技术应用于船舶，会成为今后新能源船舶的发展方向。通过微源逆变器组建船舶微电网是在船舶上利用新能源的一种有效途径，若借助配备的储能环节，并对船舶微源逆变器应用适当的控制策略，使其从电压和频率等方面模拟出柴油同步发电机的外特性，就可以实现柴油同步发电机与船舶微源逆变器的并联运行。具体研究内容如下:
　　本文首先进行了同步电机理论分析，介绍了理想电机的结构、根据规定的正方向列出了abc坐标下的有名值方程，并对其进行了派克变换。变换后得到了dqO坐标下的有名值电磁方程，又根据Xad基值系统列出了dqO坐标下的标幺值方程，并分别介绍了d轴、q轴的等值电路、运算电抗及实用参数的定义，通过引入适当的实用变量推导出了同步电机的五阶实用模型。然后，介绍了柴油机调速系统及同步发电机的励磁系统并建立了数学模型，在此基础上进行了单台柴油同步发电机独立运行和两台柴油同步发电机并联运行的仿真分析。在引入船舶微源逆变器虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator)的概念后，分析了VSG的主体算法，通过模仿柴油同步发电机的调速系统和励磁系统，分别设计了VSG控制系统的功频调节器以及电压调节器，并得出了VSG的整体控制结构。基于此进行了船舶微源逆变器的仿真分析。
　　最后根据上述理论和提出的方法，在Matlab/Simulink中分别搭建船舶微源逆变器独立运行以及柴油同步发电机与船舶微源逆变器并联运行的仿真模型，并进行仿真分析以证明其有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 船舶电力系统概述

1．3 船舶新能源与船舶微源逆变器的研究发展现状

1．3．1 新能源发电技术在船舶上的应用现状

1．3．2 船舶微源逆变器国内外研究现状

1．3．3 微源逆变器控制策略及国内外发展现状

1．4 VSG控制策略的研究现状

1．5 本文主要研究内容

第2章 同步发电机理论基础

2．1 同步电机的数学模型

2．1．1 理想同步电机的结构

2．1．2 同步发电机的原始方程

2．1．3 电感系数

2．1．4 派克变换

2．2 dq0坐标下的有名值方程

2．3 同步电机的标幺制

2．3．1 同步电机的基值系统

2．3．2 dq0坐标下的标幺值方程

2．4 d、q轴的等值电路与实用参数

2．4．1 q轴等值电路、运算电抗及实用参数

2．4．2 d轴等值电路与实用参数

2．5 同步电机实用模型

2．5．1 等效实用变量

2．5．2 变量置换用的表达式

2．5．3 原派克方程的改造

2．6 本章小结

第3章 船舶柴油同步发电机并联运行研究

3．1 柴油发电机组的数学模型

3．1．1 柴油发电机组的结构及其特点

3．1．2 原动机及其调速系统

3．1．3 原动机的起动特性

3．2 同步发电机励磁系统

3．2．1 同步发电机励磁系统的种类

3．2．2 励磁系统的数学模型

3．3 单台柴油同步发电机独立运行仿真分析

3．3．1 仿真模型搭建

3．3．2 运行仿真结果分析

3．4 两台柴油同步发电机并联运作仿真分析

3．4．1 仿真模型搭建

3．4．2 并联运行结果分析

3．5 本章小结

第4章 柴油同步发电机与船舶微源逆变器并联运行研究

4．1 虚拟同步发电机

4．1．1 船舶微源逆变器的结构与原理

4．1．2 船舶微源逆变器主体VSG算法

4．2 虚拟同步发电机的具体实现

4．3 船舶微源逆变器VSG算法

4．3．1 VSG算法的有功功率和频率控制系统

4．3．2 VSG电压调节系统

4．3．3 VSG的整体控制结构

4．4 船舶微源逆变器独立运行仿真分析

4．4．1 仿真模型搭建

4．4．2 仿真结果分析

4．5 柴油同步发电机与船舶微源逆变器并联运行仿真分析

4．5．1 仿真模型的搭建

4．5．2 仿真实验结果分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介