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)代表了船舶未來的發(fā)展方向，但由于系統(tǒng)自身的復(fù)雜性，通過設(shè)計研發(fā)最大程度的發(fā)揮船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)點并克服其不足是現(xiàn)階段急需解決的問題。傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計具有效率低、代價高的特點，反復(fù)的試驗并從失敗中尋找解決方案對于復(fù)雜系統(tǒng)來說并不實用。而進(jìn)行物理試驗在某些極端條件下也并不是完全可行的。應(yīng)用預(yù)測式的建模與仿真技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)過程中能夠為更深入的理解系統(tǒng)的動態(tài)過程以及系統(tǒng)參數(shù)的選擇等提供輔助。
　　本文主要針對船

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)作為本文的研究對象，進(jìn)行了系統(tǒng)各主設(shè)備的建模。對于發(fā)電機和推進(jìn)電機等核心的復(fù)雜模型，開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)電機的建模中，針對磁飽和建模的問題，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 VBR模型的建立和驗證。針對多相異步電動機模型實現(xiàn)過程中普遍存在的坐標(biāo)變換問題，提出了采用理想變壓器等效模擬矢量空間解耦的方法，以對稱繞組六相異步電機為例，通過仿真實驗，完成了模型驗證。
　　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。在仿真程序庫方面，對船舶 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。針對系統(tǒng)涉及電、磁、機等多域以及剛性的問題，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；針對槳推進(jìn)系統(tǒng)傳統(tǒng)的異步電動機轉(zhuǎn)矩控制中存在的不能實現(xiàn)四象限多工況運行、建模靈活性較低以及控制效果較差的缺點采用了一種異步推進(jìn)電機恒開關(guān)

5、頻率直接轉(zhuǎn)矩控制，改善了存在的缺點；為了實現(xiàn)多工況的運行，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，基于仿真模型庫和仿真程序庫，建立了船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)字仿真平臺。
　　接著，針對系統(tǒng)存在恒功率負(fù)載電壓不穩(wěn)定的問題，采用基于小信號模型的特征值分析方法對系統(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 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)電機模型結(jié)合PWM-VSI平均值模型的建模方法，通過代替理想恒功率負(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ODE模型的仿真與數(shù)字仿真平臺的仿真進(jìn)行比對，驗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，并通過仿真平臺的仿真實驗對分析結(jié)果進(jìn)行了驗證。
　　最后，針對船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)在運行中面臨較多不確定性因素的問題，提出了一種采用張量積構(gòu)建多維廣義多項式混沌(generalized Polynomial Chaos，gPC)的方法實現(xiàn)系統(tǒng)的不確定性仿真。首先將構(gòu)建的多維gPC應(yīng)用到一階隨機微分方程的求解中，給出了在包含多個不確定性參數(shù)情況下進(jìn)行不確定性仿真的流程，得到了系統(tǒng)仿真全過程的統(tǒng)

8、計特性，并通過與解析解的比對驗證了方法的有效性。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，針對槳推進(jìn)系統(tǒng)的理想空載起動后突加負(fù)載工況和正常起動及加速工況進(jìn)行了不確定性仿真，通過推導(dǎo)解決了由于包含非多項式的項而不能進(jìn)行多項式混沌展開的方法，實現(xiàn)了槳推進(jìn)系統(tǒng)不同運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)用價值，可以為船舶 MVDC綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計研