摘 要

随着经济的发展，电力电子技术研究的进步，以及对绿色环保和高效节能的追求，电力推进船舶在我国得到了飞速的发展和应用。如何提高电力推进船舶的航行水平，提高能源的利用率，并符合国家节能环保和低碳经济的政策要求，成了电力推进船舶技术发展所要解决的重要问题。尤其对于一些内河小型船舶，其制动能量相当可观，却不能被有效利用。因此研究电力推进系统船舶再生制动能量吸收利用技术，提高再生制动能量利用率，符合现代船舶发展的方向，对节能减排和可持续发展具有重要意义。

本文首先对电力推进系统及船舶制动方式进行了介绍，并分析了再生制动的特点和一些典型船舶的再生制动过程。然后分类介绍了几种再生制动能量吸收利用方式，并进行了比较，所得结果对于再生制动能量利用的研究具有重要的指导意义。

论文主要研究了将三电平四象限变流技术应用到船舶电力推进系统中的变频控制技术，采用双向变流馈能技术将制动时的能量回馈到船舶电网的控制策略，以改进常规船舶电力推进系统目前存在的技术缺陷。在Matlab/simulink中建立了逆变回馈再生制动的仿真模型，结果表明双向变流的并网控制技术能有效实现能量的回馈利用，控制直流母线电压，为船舶供电系统直流母线的动态调节提供了技术保障。

在分析了再生制动能量并网回馈利用及不同利用方式的优缺点之后，本文提出了一种新型的能量回馈与能量存储相结合的再生制动能量吸收方案，这可利用双向变流馈能系统回馈绝大部分能量，减少储能系统的容量及成本等，并利用储能系统为脉冲能量提供一定的缓冲，减小再生制动能量对电网的冲击以及能量回馈系统的设计容量，提高其利用率。

关键词：电力推进船舶，再生制动，再生制动能量，双向变流馈能，储能技术

Abstract

With the development of economy, the researching progress of power and electron technology, and the pursuit of green environmental protection and high efficiency and energy saving, electric propulsion ships get rapid development and application in our country.How to improve the sailing level of electric propulsion ship, improve the energy utilization ratio, and conform to the national policy of energy conservation, environmental protection and low carbon economy, becames the important problem that the technology development of the electric propulsion ships has to solve.Especially some small vessels in inland river,its braking energy is respectable, but can not be used of efficiently.In a word,researching the regenerative braking energy utilization technology of the electric propulsion system ship, improving the utilization efficiency of the regenerative braking energy, accords with the developing direction of the modern ship, at the same time, it is of great significance to the energy conservation, emissions reduction and sustainable development.

At first, this article introduced the electric propulsion system and the ship braking.What’s more, it analyzed the characteristics of the regenerative braking and the regenerative braking process about some typical ships.Then,it recommended several kinds of the regenerative braking energy absorption utilization’s ways classifically, and had on comparing. As far as we can know clearly, the result had an important guiding significance for the using of the regenerative braking energy.

This thesis mainly studied the frequency conversion control technology,wh-ich applied the three electrical level, four quadrant converter technology to themarine electric propulsion system.In addition, in order to improve the technicaldefects that existed in the conventional ship electric propulsion system currently,it adopted the bidirectional converter and technology feeding’s control strategy

at the time of the regenerative braking, which feedbacked the energy to the

ship power grid. As well as, we established the inverter feedback simulation

model of the regenerative braking in Matlab/simulink, the results showed that

The grid control technology of the bidirectional converter could effectively rea-lize the energy feedback, control the rising of the direct current bus voltage,

which provided a technical support for the dynamic adjustment of the ship po-wer system’sdirect current bus.

After analyzing the advantages and disadvantages of regenerative braking energy grid-connected feedback utilization and different utilization modes, this paper proposes a new energy regeneration scheme that combines regenerative braking energy storage with energy storage, which can utilize bidirectional variable current energy feeding. The system returns most of the energy, reduces the capacity and cost of the energy storage system, and uses the energy storage system to provide a certain buffer for the pulse energy, reducing the impact of the regenerative braking energy on the grid and the design capacity of the energy feedback system, improving Utilization rate.

Key Words: electric propulsion ship, regenerative braking, regenerative

braking energy, bidirectional converter energy-feedback, energy storage technology

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 再生制动系统的研究现状 1

1.2.1再生制动系统的原理 1

1.2.2 国内外的研究现状 2

1.3 论文的主要内容及工作 2

第2章 船舶电力推进系统制动及能量吸收 3

2.1 船舶电力推进系统的制动 3

2.1.1 船舶电力推进系统的制动方式 3

2.1.2 船舶电力推进系统的制动过程 4

2.2 再生制动系统的能量吸收技术 5

2.2.1 能耗式 5

2.2.2 能量存储式 6

2.2.3 逆变回馈电网式 8

2.3 再生制动系统三种能量吸收技术比较分析 9

第3章 逆变回馈电网式的仿真研究及分析 10

3.1 船舶电力推进特性 10

3.1.1 自由航行特性 10

3.1.2 反转特性 11

3.1.3 电力推进船舶运动方程 11

3.2 逆变回馈电网式的方案设计 12

3.2.1 交直交电压源型变频器 12

3.2.2 功率开关元件的选择 13

3.3 PWM整流器的设计 14

3.3.1 PWM整流器的选择 14

3.3.2 PWM整流器的控制 15

3.4 PWM整流器的数学模型 16

3.5 逆变回馈电网式的仿真与分析 18

3.5.1 仿真模块 18

3.5.2 波形分析 19

第4章 能量回馈与能量存储相结合的系统 21

4.1 能量回馈与能量存储相结合方案分析 21

4.2 电容充放电的数学模型 22

4.2.1 充电过程 22

4.2.2 放电过程 25

第5章 总结与展望 27

5.1 全文总结 27

5.2 展望 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

从17世纪开始，电经过短短400年的发展，如今已融入到我们的日常生活中，成为必不可少的一部分。而现在，由于传统化石能源能源日趋紧张，大气污染，以及全球气候变暖等影响人类生存环境问题日渐突出，如何实现人与自然的和谐相处，已经成为各行各业亟待解决的问题。电力是一种可以由风力，火力，水力，核能等能源进行转化得到的二次能源，具有多元性和可替代性，同时相较于传统能源，其能量转化效率更高，更加节约能源，同时更加清洁环保。因此，它已经被研究逐步替代传统能源用于为车辆，船舶等提供动力。

电力电子技术在近十几年间的发展以及大功率交流电机变频调速技术都日渐走向成熟^[1]，所以电力推进技术在船舶上的优越性变得更加突出，已经成为船舶动力装置发展的一大趋势。

电力推进船采用电动机直接驱动螺旋桨旋转，具有安全可靠性高，经济性好，机动性好，机舱布置灵活，噪音低等优点。但是，在船舶制动过程中，仍是和传统制动装置一样，利用机械摩擦方式把船舶行驶中的动能转化为热能散发掉或者将这部分能量回馈到交流主电网进行再利用，以达到制动或减速的目的。前者不利于能量的回收利用，后者将回馈的直流能量转换为交流电，都一定程度上导致了能源利用效率降低。而且，从船舶电力推进系统来说，这一部分能量不及时释放出去就可能造成主回路上的大功率器件过压损坏或变频器的过压保护动作。目前国内还没有对电力推进船舶再生制动系统专门的研究方案，深入开展船舶再生制动系统的研究，把这部分动能转化为其他形式的能量储存起来，以备船舶再次驱动时使用，对我国的船舶电力推进系统具有重要的现实意义。

而且船舶现代化程度也标志着一个社会的发展程度，随着船舶更严格的标准，传统的船舶各项设备已经不能满足其发展的需要。因此，急需要我们研究各类新型的装置设备，以及能源利用率问题，来满足现代船舶航行的各项指标。通过对船舶制动系统的研究，详细了解了大型电力推进船舶的泵升压电压和反馈能量的原理，从能量转换的角度来看，直接存储和重新使用这部分能量可以节省资源，提高能源效率还可以使电力推进船更广泛的使用。研究电力推进船舶再生制动系统对造船业的可持续发展具有重要的现实意义，对中国经济和城市化进程的可持续发展具有积极的作用。

1.2 再生制动系统的研究现状

1.2.1再生制动系统的原理

再生制动也称为反馈制动，这意味着当动力装置减速或制动时，一部分动能被转换成其它形式的能量并储存起来以便在驾驶时使用，而不是变成无用的热量。在电力推进船舶中的再生制动是指将船舶的动能转化为电能，并储存到电池或电容当中去。其工作原理如图所示：

图1-2 再生制动系统的原理

1.2.2 国内外的研究现状

国外电力推进船的研究和应用相对较早。 在1992年的时候，美国海军就提出了一项先进的水面舰艇机械项目计划。 然后，在1994年，又提出了集成电力推进系统的概念。 欧洲国家的海军也有类似的研究。 例如，德国和法国计划都有关于发展电力船舶推进系统。 瑞士的ABB和Kvaemer-Masa Yards也开发了Azipod吊舱电力推进装置。 法国阿尔斯通和瑞典的劳斯莱斯联合开发了美人鱼吊舱电力推进装置，来自荷兰和德国的John CraneLIPs和STN-ATLAS公司联合开发了Dolphin吊舱电力推进装置。 在中国，许多相关机构和研究机构也开始了研究海上电力推进系统。 比如上海海事大学，海军工程大学712,709,701等。 这使得电力推进船舶慢慢步入了发展趋势。