船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真技術(shù)研究.pdf

1、船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)代表了船舶未來(lái)的發(fā)展方向，但由于系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，通過(guò)設(shè)計(jì)研發(fā)最大程度的發(fā)揮船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)并克服其不足是現(xiàn)階段急需解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有效率低、代價(jià)高的特點(diǎn)，反復(fù)的試驗(yàn)并從失敗中尋找解決方案對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)并不實(shí)用。而進(jìn)行物理試驗(yàn)在某些極端條件下也并不是完全可行的。應(yīng)用預(yù)測(cè)式的建模與仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中能夠?yàn)楦钊氲睦斫庀到y(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程以及系統(tǒng)參數(shù)的選擇等提供輔助。
　　本文主要針對(duì)船

2、舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)方面存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究：
　　首先，給出了船舶中壓直流(Medium Voltage DC, MVDC)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)作為本文的研究對(duì)象，進(jìn)行了系統(tǒng)各主設(shè)備的建模。對(duì)于發(fā)電機(jī)和推進(jìn)電機(jī)等核心的復(fù)雜模型，開(kāi)展了建模方法的研究，將VBR(Voltage-behind-reactanc)模型引入到六相同步發(fā)電機(jī)的建模中，針對(duì)磁飽和建模的問(wèn)題，提出了一種單一飽和因數(shù)結(jié)合函數(shù)擬合的建模方法，解

3、決了d-q軸交叉磁飽和的建模，并采用雙派克反變換將電壓方程中兩套三相繞組之間的耦合重新轉(zhuǎn)化到定子電路中，完成了六相同步發(fā)電機(jī) VBR模型的建立和驗(yàn)證。針對(duì)多相異步電動(dòng)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)過(guò)程中普遍存在的坐標(biāo)變換問(wèn)題，提出了采用理想變壓器等效模擬矢量空間解耦的方法，以對(duì)稱繞組六相異步電機(jī)為例，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，完成了模型驗(yàn)證。
　　其次，提出了船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)數(shù)字仿真平臺(tái)的構(gòu)建方案，在Simulink中建立了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真

4、模型庫(kù)。在仿真程序庫(kù)方面，對(duì)船舶 MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析，分別開(kāi)展了船舶 MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)、槳推進(jìn)系統(tǒng)和全系統(tǒng)多種工況的仿真。針對(duì)系統(tǒng)涉及電、磁、機(jī)等多域以及剛性的問(wèn)題，提出了采用 Simulink/PLECS相結(jié)合的仿真方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真，從而充分發(fā)揮兩種軟件的優(yōu)點(diǎn)；針對(duì)槳推進(jìn)系統(tǒng)傳統(tǒng)的異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩控制中存在的不能實(shí)現(xiàn)四象限多工況運(yùn)行、建模靈活性較低以及控制效果較差的缺點(diǎn)采用了一種異步推進(jìn)電機(jī)恒開(kāi)關(guān)

5、頻率直接轉(zhuǎn)矩控制，改善了存在的缺點(diǎn)；為了實(shí)現(xiàn)多工況的運(yùn)行，給出了螺旋槳四象限負(fù)載同直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)合的流程，實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)正常和緊急情況下的多工況仿真；最后，基于仿真模型庫(kù)和仿真程序庫(kù)，建立了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)字仿真平臺(tái)。
　　接著，針對(duì)系統(tǒng)存在恒功率負(fù)載電壓不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用基于小信號(hào)模型的特征值分析方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。在發(fā)電系統(tǒng)帶理想恒功率負(fù)載的情況下，提出了一種發(fā)電機(jī) VBR模型結(jié)合二極管整流器平均值模型的建模方

6、法，通過(guò)在電流支路加入低通濾波器解決了系統(tǒng)存在代數(shù)環(huán)的問(wèn)題，建立了發(fā)電系統(tǒng)帶理想恒功率負(fù)載的14階非線性常微分方程(ODE)模型；在槳推進(jìn)系統(tǒng)，提出了一種定子磁鏈坐標(biāo)系下的異步推進(jìn)電機(jī)模型結(jié)合PWM-VSI平均值模型的建模方法，通過(guò)代替理想恒功率負(fù)載，建立了船舶MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的23階非線性O(shè)DE模型；通過(guò)ODE模型的仿真與數(shù)字仿真平臺(tái)的仿真進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證了所建立的模型的準(zhǔn)確性；采用雅可比矩陣特征值軌跡分析的方法，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電系統(tǒng)

7、帶理想恒功率負(fù)載以及全系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，并通過(guò)仿真平臺(tái)的仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　最后，針對(duì)船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)在運(yùn)行中面臨較多不確定性因素的問(wèn)題，提出了一種采用張量積構(gòu)建多維廣義多項(xiàng)式混沌(generalized Polynomial Chaos，gPC)的方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的不確定性仿真。首先將構(gòu)建的多維gPC應(yīng)用到一階隨機(jī)微分方程的求解中，給出了在包含多個(gè)不確定性參數(shù)情況下進(jìn)行不確定性仿真的流程，得到了系統(tǒng)仿真全過(guò)程的統(tǒng)

8、計(jì)特性，并通過(guò)與解析解的比對(duì)驗(yàn)證了方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，將多維gPC應(yīng)用到船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的不確定性仿真中，針對(duì)槳推進(jìn)系統(tǒng)的理想空載起動(dòng)后突加負(fù)載工況和正常起動(dòng)及加速工況進(jìn)行了不確定性仿真，通過(guò)推導(dǎo)解決了由于包含非多項(xiàng)式的項(xiàng)而不能進(jìn)行多項(xiàng)式混沌展開(kāi)的方法，實(shí)現(xiàn)了槳推進(jìn)系統(tǒng)不同運(yùn)行工況下不確定性模型的建立以及不確定性的仿真。
　　本文的研究成果具有重要的理論研究意義和工程應(yīng)用價(jià)值，可以為船舶 MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研