摘 要

船舶电力系统是现代船舶上不可缺少的一个部分。伴随着船舶的大型化、自动化的发展，船舶电力系统变得越来越复杂，船舶电力系统的控制稳定性以及质量也变得更加重要。而船舶柴油发电机组作为船舶电力系统中的重要部分，对它进行研究也就显得尤为重要。为了提升船舶的供电质量，维持船舶电力系统的稳定性，本文通过MATLAB/Simulink软件搭建了一组基于PID经典控制的船舶电力系统仿真模型，并在此基础上进行了船舶典型工况以及典型故障的仿真实验。

本文首先讲述了船舶电力系统的构成，然后介绍了原动机及其速度控制系统的构成以及原理，总结了速度控制系统的数学模型，并在此基础上利用MATLAB/Simulink软件构建了原动机及其速度控制系统的仿真模型。再之后介绍了发电机及其励磁控制系统的构成和原理，总结了励磁控制系统的数学模型，通过MATLAB/Simulink软件搭建了发电机及其励磁控制系统的仿真模型。将上述两个仿真模型进行整合便形成了船舶电力系统的仿真模型，在船舶电力系统的仿真模型上进行了典型工况（突加突卸负载的起动、停车）以及典型故障（三相短路、单相接地）的仿真试验。

通过以上实验结果可以得知，搭建的船舶电力系统仿真模型可以真实的反映实际船舶的各种状况，采用的控制策略恰当，表明控制系统可以较好地实现对船舶电力系统的控制，保证船舶电网的稳定运行。

关键词：船舶电力系统;柴油发电机组;励磁控制系统;速度控制系统;MATLAB/Simulink;

电气故障

Abstract

Ship power system is an indispensable part of the modern ships.With the large scale and automation of the development of the ships,the power of ships becomes more and more complex,the control’s stability and quality of marine power system are also becoming more important.As the important part of the marine electric power system,the research of ship diesel generator set is very important.In order to improve the quality of power supply ship,to maintain the stability of ship power system,this paper through the MATLAB/Simulink software to build a set of ship power system simulation model based on the classic PID control,and based on the typical ship condition and typical fault ship condition and typical fault simulation.

This paper first composition of the ship power system,and then introduces the original motivation and its speed control system formed by the principle,summed up the mathematical model of speed control system,and on this basis,using MATLAB/Simulink software to build the simulation model of prime mover and speed control system.Then introduces the composition and principle of the prime mover and the excitation control system,summarizes the mathematical model of excitation control system,the simulation model of prime mover and excitation control system built by MATLAB/Simulink software.The two simulation model integration will form the simulation model of ship power system,the typical conditions in the simulation model of ship power system(the sudden load and unload starting,stopping) and typical fault(three-phase short circuit,single phase grounding) simulation test.

Through the above experimental results,the ship power system simulation model can reflect the actual situation of various ships,and adopts the proper control strategy,show that the control system can achieve better control of the ship power system,ensure the stable operation of ship power system.

Key Words:Marine Electric Power System；Diesel generator set；Excitation System；Speed Governing System；MATLAB/Simulink；Electrical Faults

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 国内外的研究现状 1

1.2.1 控制方法 1

1.2.2 故障诊断技术 2

1.2.3 柴油发电机组的典型故障 3

1.3 本文所作的主要工作 3

第2章 船舶电力系统及柴油发电机组概述 5

2.1 船舶电力系统的组成与运行特点 5

2.1.1 船舶电力系统的组成 5

2.1.2 船舶电力系统的运行特点 6

2.2 船舶柴油发电机组的典型故障 7

2.3 本章小结 9

第3章 原动机及其速度控制系统 10

3.1 原动机的速度控制 10

3.1.1 电子调速器的基本组成 10

3.1.2 电子调速器的控制原理 11

3.1.3 调速器的性能指标 12

3.2 柴油机及其速度控制系统数学模型 14

3.2.1 柴油机电子调速器的数学模型 14

3.2.2 柴油机简化数学模型 16

3.3 柴油机及其速度控制系统的仿真模型 17

3.4 本章小结 17

第4章 同步发电机及及其励磁控制系统 18

4.1 励磁控制系统 18

4.1.1 励磁控制系统的要求 18

4.1.2 励磁控制系统的元件 18

4.2 励磁自动电压控制装置 19

4.2.1 励磁自动控制装置的技术指标 19

4.3 励磁系统控制原理 20

4.4 同步发电机及其励磁控制系统的模型 20

4.4.1 同步发电机的简化数学模型 20

4.4.2 励磁控制系统数学模型 22

4.5 同步发电机及其励磁控制系统的仿真模型 23

4.6 本章小结 24

第5章 船舶电力系统仿真实验 25

5.1 船舶电力系统仿真模型 25

5.2 典型工况仿真实验 26

5.2.1 原动机空载启动试验 26

5.2.2 突加负载试验 27

5.2.3 突卸负载仿真试验 30

5.2.4 突加突卸仿真实验 32

5.3 典型故障仿真试验 35

5.3.1 三相短路故障仿真试验 35

5.3.2 单相接地仿真实验 37

5.4 本章小结 40

第6章 总结和展望 41

参考文献 42

致谢 44

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

随着电子电力技术的进步以及世界贸易量的增加，船舶朝着大型化、高速化、自动化的目标前进。船舶电力系统是现代船舶的重要部分，包括电源、配电装置、电力网以及电力负载等，功能是供给船舶工作需要的电能^[1]。

船舶柴油发电机组是船舶电站的重要部分，它供给船舶工作生活所需的电能。船舶柴油发电机组的控制系统主要是实现对柴油机的调速系统以及发电机的励磁系统的控制。其中，柴油机调速系统的控制将对船舶电力网的频率恒定以及发电机输出有功功率造改变；发电机励磁系统的控制将对船舶电力网的电压恒定以及发电机输出无功功率造成改变。船舶在各种不同工况、电气负载随机切换和受到外界干扰的条件下工作时，船舶电力系统的动态控制过程将经常的发生变动，对船舶电力系统的稳定性与可靠性造成极大的波及，所以对船舶发电机组的可靠性有了更高的发展目标^[2] ，需要对柴油发电机组各个系统进行深入研究^[3]。