船舶綜合電力推進系統(tǒng)仿真技術研究.pdf

1、船舶綜合電力推進系統(tǒng)代表了船舶未來的發(fā)展方向，但由于系統(tǒng)自身的復雜性，通過設計研發(fā)最大程度的發(fā)揮船舶綜合電力推進系統(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)的經驗設計具有效率低、代價高的特點，反復的試驗并從失敗中尋找解決方案對于復雜系統(tǒng)來說并不實用。而進行物理試驗在某些極端條件下也并不是完全可行的。應用預測式的建模與仿真技術在系統(tǒng)設計研發(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)參數的選擇等提供輔助。
　　本文主要針對船

2、舶綜合電力推進系統(tǒng)建模與仿真技術方面存在的問題進行了研究：
　　首先，給出了船舶中壓直流(Medium Voltage DC, MVDC)綜合電力推進系統(tǒng)的組成和結構作為本文的研究對象，進行了系統(tǒng)各主設備的建模。對于發(fā)電機和推進電機等核心的復雜模型，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結合函數擬合的建模方法，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綜合電力推進系統(tǒng)數字仿真平臺的構建方案，在Simulink中建立了船舶綜合電力推進系統(tǒng)的仿真

4、模型庫。在仿真程序庫方面，對船舶 MVDC綜合電力推進系統(tǒng)的特性進行了分析，分別開展了船舶 MVDC綜合電力推進系統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)、槳推進系統(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相結合的仿真方法進行系統(tǒng)仿真，從而充分發(fā)揮兩種軟件的優(yōu)點；針對槳推進系統(tǒng)傳統(tǒng)的異步電動機轉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電機恒開關

5、頻率直接轉矩控制，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載同直接轉矩控制系統(tǒng)結合的流程，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系統(tǒng)的數字仿真平臺。
　　接著，針對系統(tǒng)存在恒功率負載電壓不穩(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)進行穩(wěn)定性分析。在發(fā)電系統(tǒng)帶理想恒功率負載的情況下，提出了一種發(fā)電機 VBR模型結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)存在代數環(huán)的問題，建立了發(fā)電系統(tǒng)帶理想恒功率負載的14階非線性常微分方程(ODE)模型；在槳推進系統(tǒng)，提出了一種定子磁鏈坐標系下的異步推進電機模型結合PWM-VSI平均值模型的建模方法，通過代替理想恒功率負載，建立了船舶MVDC綜合電力推進系統(tǒng)的23階非線性ODE模型；通過ODE模型的仿真與數字仿真平臺的仿真進行比對，驗證了所建立的模型的準確性；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果進行了驗證。
　　最后，針對船舶綜合電力推進系統(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。首先將構建的多維gPC應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情況下進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。在此基礎上，將多維gPC應用到船舶綜合電力推進系統(tǒng)的不確定性仿真中，針對槳推進系統(tǒng)的理想空載起動后突加負載工況和正常起動及加速工況進行了不確定性仿真，通過推導解決了由于包含非多項式的項而不能進行多項式混沌展開的方法，實現(xiàn)了槳推進系統(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用價值，可以為船舶 MVDC綜合電力推進系統(tǒng)的設計研