论文总字数：41236字

摘 要

电力推进船舶以其节能环保、控制方便和机动性能好等优势，成为吸引众多学者的研究热点，被视为未来船舶行业的重要发展方向。本文对典型的船舶全电推进系统进行分析建立数学模型，并在MATLAB/Simulink中完成柴油发电机模块、永磁同步推进电机及其控制单元、船—桨模块的模型搭建，并针对直流母线电压波动问题引入了超级电容储能装置作为辅助稳压电源。

本文在搭建的典型船舶电力推进系统上引入具有快速充放电能力的超级电容作为辅助电源稳定直流母线电压。为实现负载波动时超级电容和柴油发电机单元之间的功率合理分配引入直流微电网分布式电源并联运行时常用的U-I下垂控制，并根据超级电容和柴油发电机单元的输出特性不同以及传统下垂控制在功率分配精度与直流母线电压降之间的固有矛盾，对下垂控制进行改进。

本文最后将典型船舶电力推进系统和引入超级电容后的船舶电力推进系统分别进行典型工况仿真模拟。对比两种电力推进系统在分级起动、自由起动和紧急制动这三种情况下电力推进系统的动态响应特性。结果表明引入超级电容后，在负载突变的工况下，直流母线电压的稳定性明显提升；负载突变对柴油发电机单元的影响减弱，柴油发电机单元运行的更加稳定。

关键词：电力推进；建模；直流母线；MATLAB/Simulink

Abstract

With the advantages of energy conservation and environment protection, convenient control and excellent maneuverability, electric propulsion ship has become a research hotspot attracting many scholars and has been regarded as an important development direction of shipbuilding industry in the future. In this thesis, firstly, typical ship’s all-electric propulsion system is analyzed and mathematical model is made. Then the models of Diesel generator module, Permanent magnet synchronous propulsion motor and its control unit and Boat - paddle module are built in the software MATLAB/Simulink. Finally, In order to solve the voltage fluctuation problem of DC Bus, a supercapacitor energy storage device is introduced as an auxiliary power supply.

In this thesis, the supercapacitor which has fast charge and discharge capacity is introduced into the typical electric propulsion system as APS to stabilize DC bus voltage. U-I droop control, which is often used in parallel operation of distributed power supply in DC microgrid, is introduced to reasonably distribute the power between the supercapacitor and the diesel generator set when the load fluctuates. Depending on the different output properties of supercapacitors and diesel generator units, and the traditional droop control’s inherent contradictions between power distribution precision and DC bus voltage, droop control is improved.

Finally, in this thesis, typical marine electric propulsion system and marine electric propulsion system which is introduced with a supercapacitor are simulated under the typical working condition. The dynamic response characteristics of two kinds of electric propulsion systems under the conditions of step-starting, free-starting and emergency braking are compared. The result shows that the stability of DC bus voltage is improved obviously with the introduction of supercapacitor in suddenly changing of load. The suddenly changing of load’s effect on Diesel generator unit is waning and the unit operates more stably.

Key Words：Electric propulsion；Modeling；DC Bus；MATLAB/Simulink

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1船舶电力推进系统研究现状 2

1.2.2 直流母线稳压技术研究现状 3

1.3本文主要研究内容 3

第二章 船舶电力推进系统构成与直流母线稳压设计 5

2.1研究船舶类型及电力推进系统结构 5

2.2船舶发电机组 6

2.3船舶推进电机 7

2.4直流母线稳压系统设计 8

2.4.1辅助稳压装置 8

2.4.2稳压控制策略 9

2.5本章小结 13

第三章 船舶电力推进系统数学建模 14

3.1柴油机及调速系统 14

3.1.1 柴油机数学模型 14

3.1.2柴油机调速单元数学模型 15

3.1.3柴油机及调速系统的仿真模型 16

3.2同步发电机及励磁系统 16

3.2.1 坐标系变换 16

3.2.2同步发电机建模方法 18

3.2.3同步发电机电磁模型 19

3.2.4转子运动模型 21

3.2.5励磁系统数学模型 21

3.3整流装置数学模型 23

3.4永磁同步电机 28

3.4.1永磁同步电机模型基础 28

3.4.2永磁同步电机的数学模型 29

3.5永磁同步推进电机控制技术 31

3.5.1·永磁同步电机的矢量控制 31

3.5.2电压空间矢量控制技术 32

3.5.3 PMSM基于的矢量控制仿真 38

3.6 螺旋桨负载特性及数学建模 43

3.6.1螺旋桨的推力和阻转矩 43

3.6.2螺旋桨四象限工作特性曲线拟合 45

3.6.3船舶阻力特性 48

3.6.4螺旋桨和船体的相互作用 48

3.6.5船舶螺旋桨的数学模型 49

3.7本章小结 51

第四章 直流母线稳压装置及控制策略 52

4.1超级电容基本模型 52

4.2超级电容充放电特性 52

4.3超级电容容量及串并联分配 53

4.4 双向DC/CD变换器及其控制 54

4.4.1双向DC/DC变换器工作原理 54

4.4.2 双向DC/DC变换器参数设计 55

4.4.3 超级电容储能控制策略 56

4.5柴油发电机与超级电容的功率分配策略 57

4.5.1传统直流下垂控制 58

4.5.2传统直流下垂控制的局限 59

4.6改进下垂控制 61

4.6.1 变下垂截距 61

4.6.2变下垂系数 62

4.6.3 改进的下垂控制 63

4.7本章小结 65

第五章 船舶运行工况的仿真与分析 66

5.1船舶起航实验 66

5.1.1分级起动 66

5.1.2自由起动 67

5.2船舶倒航实验 69

5.3系统可靠性分析 71

5.4系统经济性分析 72

5.5本章小结 74

第六章 总结与展望 75

6.1全文总结 75

6.2存在的不足 75

6.3研究展望 76

参考文献 77

致 谢 79

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

电力推进船舶自19世纪诞生以来，已经有一百多年历史，近年来，随着电力电子技术的进步以及新材料和新控制方式的应用[^[1]]，其得到迅猛发展。目前，随着环保压力的增加，国际海事组织（IMO）对船舶排放的要求越来越严格[^[2]]。电力推进与传统的推进相比，推进其效率得到较大的提升，船舶发电柴油机可以始终运行在高效工作点，有效降低了船舶的排放，因此已经成为船舶推进系统的研究热点。随着船舶用电设备的种类不断增加，用电设备的功率不断提升，特别是军用舰船新式高能武器的应用，都导致船舶电网的容量需要不断扩大。另一方面，随着电力推进技术的进步，电力推进船舶的推进电机容量也越来越大，例如大型邮轮“Allure of the Seas”的发电机装机容量达到97MW,推进电机容量达到60MW[^[3]]。

在目前的电力推进船舶中，存在交流电制和直流电制两种电制，根据美国军方的研究，交流低频电制在使用中存在大量的损耗和谐波影响，英美军方已经将直流电制作为未来舰船的发展的主要方向并开展相关研究[^[4]]。由于直流配电存在节能、故障电流小以及控制方便等优势，也已经在民用船舶领域开展研究并得到实际应用[^[5]]。对采用直流母线配电的电力推进船舶，直流母线的电压稳定与否受船舶运行工况的影响，尤其是占全船负载一半以上的推进负载[^[6]]，对直流母线的稳定运行影响最为显著。当船舶推进电机启动或加速时，会引起直流母线电压跌落，甚至会触发推进电机的保护而导致其停止运行；另一方面，当船舶由前进转入紧急倒车时，由于推进电机表现出的水轮机特性，再生制动产生的电能会回馈至直流母线，造成电压泵升，若电压上升超过逆变器或整流器开关元件的耐压极限，会对其造成损坏。为稳定直流母线电压，应兼顾接入大负载时加大对直流母线提供电能和在直流母线电压泵升时吸收电能两个方面。稳定直流母线的设计目标恰与储能装置在轻载时吸收过剩能量，在重载时释放能量[^[7]]的工作特性相符。

由于船舶电力推进系统容量有限，负载端的工况变化对发电端和配电模块都有显著影响，并且任何原件出现故障都可能导致整个系统损坏。若直接实际建造电力推进系统进行实验研究，会增加研究成本，且存在较大的风险。因此，根据电力推进系统各模块的实际工作特性建立仿真模型显得十分必要。在建立电力推进系统时，应根据系统的实际特性，准确建立模型，保证模型的可靠性；在此基础上，利用建立的模型对船舶典型工况进行仿真实验，并对经济性和可靠性进行检验。研究成果可在生产中参考和应用。

1.2 国内外研究现状

目前，船舶全电推进技术已经逐渐趋于成熟，一些技术成熟的船舶公司已经制定了相关的电力推进技术规范。由于直流母线供电的诸多优势，直流母线配电将成为电力推进船舶配电系统的发展趋势，相应的维持直流母线电压稳定也成为了学者们研究的热点。

1.2.1船舶电力推进系统研究现状

在电力推进船舶领域，国外研究较早，也已经积累了较多的设计和生产经验。最早的电力推进试验船舶出现在19世纪80年代；在第二次世界大战期间建造的军舰中也有不少电力推进舰船。但是，早期的电力推进船舶一般采用蓄电池供电、直流电机推进的方式；由于直流推进电机随容量的提升，体积越来越大；且直流电机的结构也限制了其安全性和可靠性。20世纪80年代以来，大功率交流电动机变频调速技术的进步，推动了电力推进船舶的发展。由英国建成的“Queen Elizabeth Ⅱ”在1987年启用了第一个柴-电综合电力推进系统。2015年1月，世界上第一艘纯电池驱动的汽车和客运轮渡“Ampere”在挪威投入正常运营，标志着纯电驱动船舶时代的到来[^[8]]。在民用船舶电力推进系统的设计制造领域，ABB公司在设计传统电力推进系统时就已经开始使用仿真技术辅助设计仿真结果与实船测试结果相比误差较小；欧洲的Alstom和Siemens公司也在电力推进系统设计方面积累了丰富经验。

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