基于双PWM变频器的船舶轴带发电系统建模与控制

发布时间：2020-10-24 00:37

　　 当前化石燃料资源越来越紧张,油价不停上涨,船舶运营成本不断提高,与此同时,环保问题也日益凸显,船舶节能减排已成为船舶行业发展的必然趋势。船舶配备轴带发电系统能够减少燃油的消耗,降低运营成本和对环境的污染,改善船舶机舱的工作环境。因此,轴带发电系统在船舶上得到了广泛的应用,具有较高的研究价值。基于双PWM变频器的船舶轴带发电系统具有系统结构简单、输出电能质量高、控制灵活性好、适应的主机转速范围大和具有推进模式的优点,成为船舶轴带发电系统新一代高技术发展的新方向。本文从双PWM船舶轴带发电系统各组成部分出发,深入研究PWM整流器系统、PWM逆变器系统及PWM逆变器并网系统,建立相应的数学模型,研究控制方案,设计控制器,并通过仿真实验进行验证。具体研究如下:(1)介绍双PWM船舶轴带发电系统组成部分,建立轴带同步发电机励磁系统数学和柴油发电机组调速系统数学模型。(2)介绍PWM整流器的拓扑结构及工作原理,详细推导其在三种不同坐标系中的数学模型,介绍空间矢量脉宽调制技术(SVPWM),分析三相PWM整流器控制策略,设计电压电流双闭环控制系统,针对其参数不宜设置过大的缺点提出改进,最后通过仿真实验对比改进前后控制系统的动静态性能。(3)建立三相PWM逆变器的数学模型,针对其存在控制量耦合的问题提出前馈解耦控制策略,分析前馈解耦控制的原理,设计电压电流双闭环控制系统,分析控制系统的稳定性。(4)分析下垂控制基本原理,基于动态向量建立下垂控制数学模型,分析有功功率-频率下垂控制系统和无功功率-幅值下垂控制系统的稳定性。针对传统下垂控制动态性能较差,具有静态误差的缺点,加入积分和微分环节改进控制策略,最后通过仿真实验对比改进前后下垂控制系统的动静态性能。(5)基于对双PWM船舶轴带发电系统各部分的研究,将各部分组合成双PWM船舶轴带发电机整体系统,在仿真平台搭建仿真模型,针对船舶航行中轴带发电系统并网过程、并网运行和独立运行三种最基本的工况进行仿真实验,分析仿真结果。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U665.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究的背景及意义
    1.2 轴带发电系统研究现状
        1.2.1 PWM整流器研究现状
        1.2.2 PWM逆变器研究现状
        1.2.3 双PWM轴带发电系统并网研究现状
    1.3 本文主要研究内容
第2章 双PWM船舶轴带发电系统
    2.1 双PWM船舶轴带发电系统结构
    2.2 同步发电机励磁系统模型
    2.3 柴油发电机组调速系统
    2.4 本章小结
第3章 PWM整流器的建模与控制方案研究
    3.1 PWM整流器主电路拓扑结构及原理
        3.1.1 PWM整流器拓扑结构
        3.1.2 PWM整流器工作原理分析
    3.2 三相VSR的建模与调制方式
        3.2.1 三相静止坐标系中三相VSR数学模型
        3.2.2 两相同步旋转坐标系中三相VSR数学模型
        3.2.3 空间矢量 PWM（SVPWM）调制技术
    3.3 电压电流双闭环控制方案设计
        3.3.1 电流内环设计
        3.3.2 电压外环设计
    3.4 电压电流平方双闭环控制方案设计
        3.4.1 电压电流平方双闭环电压外环模型
        3.4.2 电压电流平方双闭环电流内环模型
    3.5 三相VSR控制方案仿真分析
        3.5.1 SVPWM调制模块仿真模型搭建
        3.5.2 三相VSR控制系统仿真模型搭建
        3.5.3 两种控制环路仿真对比实验与分析
    3.6 本章小结
第4章 PWM逆变器建模与控制方案研究
    4.1 电压型PWM逆变器拓扑结构及建模
        4.1.1 电压型PWM逆变器拓扑结构
        4.1.2 电压型PWM逆变器建模
    4.2 电压型PWM逆变器电压电流双闭环控制环路设计
        4.2.1 电压型PWM逆变器电流内环解耦控制
        4.2.2 电压型PWM逆变器电流内环设计
        4.2.3 电压型PWM逆变器电压外环解耦控制
        4.2.4 电压型PWM逆变器电压外环设计
    4.3 PWM逆变器电压电流双闭环控制仿真实验与分析
    4.4 本章小结
第5章 轴带发电系统并网控制方案研究
    5.1 轴带发电系统并网下垂控制原理
        5.1.1 下垂控制基本原理
        5.1.2 下垂控制分析
    5.2 下垂控制系统建模与分析
        5.2.1 基于动态向量的下垂控制系统建模
        5.2.2 有功功率-频率下垂控制系统稳定性分析
        5.2.3 无功功率-幅值下垂控制系统稳定性分析
    5.3 对下垂控制算法的改进
        5.3.1 改进后的下垂算法方程
        5.3.2 改进后的下垂控制建模
    5.4 下垂控制仿真实验与分析
    5.5 本章小结
第6章 双PWM船舶轴带发电系统仿真实验与分析
    6.1 双PWM船舶轴带发电系统仿真模型建立
        6.1.1 轴带同步发电机仿真模型
        6.1.2 整流器及其控制系统仿真模型
        6.1.3 逆变器及其控制系统仿真模型
        6.1.4 逆变器并网下垂控制仿真模型
        6.1.5 柴油发电机组仿真模型
    6.2 双PWM船舶轴带发电系统仿真实验与分析
        6.2.1 船舶轴带发电系统并网过程仿真实验与分析
        6.2.2 船舶轴带发电系统并网运行仿真实验与分析
        6.2.3 船舶轴带发电系统独立运行仿真实验与分析
    6.3 本章小结
第7章 总结与展望
    7.1 总结
    7.3 展望
致谢
参考文献
攻读学位期间科研成果

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本文编号：2853763