（电力电子与电力传动专业论文）船舶多模式电站与船舶电网电能质量研究.pdf

上海海事大学博士学位论文 全性。在造船界的应用前景较为乐观。 第三章首先介绍了通用电网的电能质量标准，以及电能质量参数的检测技 术和滤波与功率因数校正技术的发展状况。然后从谐波和功率因数的概念，频 域范畴的傅里叶分析与小波分析法以及时域范畴的基于瞬时无功功率理论的 分析法，介绍了电能质量分析的理论基础。同时，从脉冲控制法的级联型多电 平逆变电路的发展和滤波方法中的有源滤波器的发展二个方面介绍了电能质 量改善的理论基础。最后介绍了船舶电网的电能质量标准及其滤波与功率因数 校正技术的主要问题。 第四章首先在m a t l a b 环境下设计了一个并联有源滤波系统模型进行仿真 实验，分别对电源侧和负载侧的电流波形和频谱进行了分析。然后对比分析了 集总式处理结构和分布式处理结构在船舶电网电能质量参数测量系统的适用 性。芽设计了一种适用于船舶电网的电能质量实时参数测量系统。该系统采用 数字信号处理( d s p ) 芯片，配以相应的外围电路，完成交流电信号的数据采 样、处理、存储和显示。所设计的测量系统在模拟抗混叠滤波的硬件电路基础 上结合f i r 数字滤波的方法，避免了被测信号频谱混叠现象的发生，减少由单 纯模拟滤波器的非平直通带特性带来的测量误差。同时进行了硬件的抗干扰设 计，并根据检测装置的结构和所采用的采样方法，对于可能产生的测量误差进 行了定性分析。最后设计了一个并联有源滤波器的物理仿真实验平台：采用一 个带阻感性负载的三相桥式全控整流电路形成一个非线性负载模型来模拟船 舶电网负载，采用变压器相应设置了一个独立小容量电网。根据在线仿真实验 结果，在对畸变的负载侧电流进行谐波抑制后，电网侧相电流已接近正弦波， 说明所设计的并联有源滤波器能有效地进行滤波。 第五章在设计谐波抑制系统的过程中，研究了无源滤波器的参数计算法， 串联有源滤波器和有源功率因数校正电路控制系统的设计。并分别针对无源滤 波器，串联有源滤波器，有源功率因数校正电路建立了仿真模型以分析其运行 特性。本章的重点为设计了一种混合有源滤波与功率因数校正电路，这是基于 使电网参数的无功功率和畸变功率两个参量最小化，从而达到使总功率因数最 大化的目标。该电路的设计将主动式解决问题的方法和被动式解决问题的方法 结合在一起，互相补充，共同担负起抑制谐波和提高功率因数的任务，从而在 快速性和准确性方面满足船舶电网的要求。另外，文中还提出了二种该电路的 简化结构形式，选取了其中较为简化而又可靠的一种电路运行仿真研究。仿真 研究结果证明该电路在改善船舶电网电能质量方面的效果较理想。 上海海事大学博士学位论文 第六章为全文总结。 本文的主要创新包括以下几个方面： ( 1 ) 对船舶三种发电机组成的多模式电站进行了数学建模与仿真实验， 并对其在节能、运行可靠性及船舶运行安全性方面进行了研究。从而将船舶上 三种不同原动机的发电机在联合运行中统一了起来，并根据负荷的变化及主机 转速的变化来分配多种形式发电机所承担负荷的份额。这一理论在上海海事大 学仿真技术研究所向广州航海高等专科学校和江苏科技大学推广应用的多模 式船舶电站模拟器和轮机模拟器中得到了实践检验。 ( 2 ) 为改善船舶电网谐波畸变与低功率因数，开展了滤波与功率因数校 正研究，首次提出了一套可行的技术路线。即提出了与现有滤波电路不同的， 串并联相结合的混合型电路。由于电流谐波对船舶的节能与可靠性影响较大， 而以往对电流谐波分析较少( 以往对电压源一般为分析电压谐波) ，故本文在 理论上着重分析了电流谐波的生成与影响。而本文新提出的这种混合型滤波与 功率因数校正系统，被证明相比于现有的纯并联系统在滤波性能上有一定提 高。 ( 3 ) 在实验室里设计并开发了一个船舶电网电能质量测量与滤波的物理 仿真试验平台。试验结果表明，其不仅具有良好的抗混叠效果，并能在快速性 和准确性方面满足船舶电网的要求。 关键词：船舶多模式电站，船舶电网，电能质量参数测量，混合滤波与功率因 数校正电路 i i i 上海海事大学博士学位论文 r e s e a r c ho nm a r i n ec o m b i n e de l e c t r i c a ip o w e rp l a n t a n de l e c t r i cn e t w o r kp o w e rq u a l i t y a b s t r a c t t h em o s ti m p o r t a n tg o a l si nt h ed e v e l o p m e n to fs h i p b u i l d i n gi n d u s t r y i r et h ei m p r o v e m e n to ft h es h i po p e r a t i o n a ls a f e t y ，a sw e l la st h ee n e r g y ；o u r c eu t i l i z a t i o nr a t e m a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mi so n eo ft h em o s t m p o r t a n ts y s t e m si nas h i pa n dh a sc l o s er e l a t i o n s h i pw i t ha l m o s ta l lt h e ；y s t e m si nt h es h i p a n di ti n f l u e n c e st h eo p e r a t i o n a ls a f e t ya n de c o n o m i c a l = f f i c i e n c y o ft h es h i pd i r e c t l y t h ee n e r g ys a v i n ga n di m p r o v e m e n to f ) p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y o fm a r i n ee l e c t r i c a l p o w e rs y s t e mi n c l u d e st w o l s p e c t s 。t h e ya r e t h ee n e r g ys a v i n g a n di m p r o v e m e n to fo p e r a t i o n a l e l i a b i l i t yo f m a r i n ee l e c t r i c a l p o w e rs t a t i o na n dt h a t o fm a r i n ee l e c t r i c l e t w o r k t h es u b j e c to ft h ed i s s e r t a t i o ni sc o n c e n t r a t e do nh o wt os a v ee n e r g y ：o n s u m p t i o na n dt oi m p r o v eo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y o ft h et w oc o m p o n e n t ) a r t so fam a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m e l e c t r i c a lp o w e rs t a t i o na n d 。= l e c t r i cn e t w o r k t h em e t h o do fa p p l i c a t i o no fm a r i n ec o m b i n e de l e c t r i c a l ，o w e rp l a n tt ot h ee l e c t r i c a lp o w e rs t a t i o n 。t o g e t h e rw i t ht h ea p p l i c a t i o no f c o m b i n e da c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i ta n ds e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r a i d e db ys h u n tp a s s i v ep o w e rf i l t e rt ot h ee l e c t r i cn e t w o r k ，i sb r o u g h t f o r w a r d b a s e do nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a ir e s u l t s t h em a r i n ee l e c t r i c a i 3 0 w e r s y s t e m a c h i e v e sa s i g n i f i c a n tp r o d u c t i o n o f s a v i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n a n d i m p r o v i n gs y s t e mo p e r a t i o n a lr e l i a b i l i t y w h e nt h e a f o r e m e n t i o n e dm e t h o di sa p p l i e d t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so fs i xp a r t s e x c e p tt h a tt h ef i r s tc h a p t e r n t r o d u c e st h ep u r p o s eo ft h er e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o na n dt h em a i n c o n t r i b u t i o no ft h e d i s s e r t a t i o n ，a n d t h es e c o n d c h a p t e rg i v e s t h e ；u m m i n g u po ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h eo t h e rf o u rc h a p t e r sa r ea l lt h er e s e a r c h c o n t e n to ft h ed i s s e r t a t i o n i nc h a p t e rt w o ，t h ec o m p o s i t i o no fam a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mi s i v 上海海事大学博士学位论文 i n t r o d u c e d t h e nm e t h o do f i m p r o v e m e n to fe n e r g yc o n s u m p t i o na n d r e l i a b i l i t y o ft r a d i t i o n a lm a r i n ee l e c t r i c a i p o w e rp l a n t i sd i s c u s s e d a f t e r w a r d s ，an u m b e ro fr e l e v a n t p r e c i s i o n a u t o c o n t r o im e t h o d sa r e d e s c r i b e di nm u l t i - a s p e c to ft h eo p e r a t i o no fm a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rp l a n t t h ee m p h a s i so f c h a p t e rt w oi s l a i do nt h ea n a l y s i so ft h ec o m b i n e d g e n e r a t i o ns y s t e mw h i c ha c t sa st h em a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rs u p p l i e ri n o r d e rt of u r t h e rt h ee f f o r t si n s a v i n gf u e l o i lc o n s u m p t i o na n dk e e p i n g c o n t i n u i t yo fe l e c t r i c a lp o w e rs u p p l y ，a sw e l la sp r o m o t i n gs a f e t yo fs h i p t h ec o m b i n e dg e n e r a t i o ns y s t e mc o n s i s t so fd i e s e lg e n e r a t o r s ，e x h a u s tg a s t u r b o g e n e r a t o ra n ds c rs h a f tg e n e r a t o r t h el a t t e rt w og e n e r a t i o ns e t sa r e a p p l i e dt oo c e a ns h i p sa se f f e c t i v em e a n so fs a v i n gf u e lo i lc o n s u m p t i o n i n t h i s s u b p a r t ，m a t h e m a t i c a l m o d e l so ft h ea f o r e m e n t i o n e d g e n e r a t i o n s y s t e m sa r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h e i rd y n a m i c o p e r a t i o n a ic h a r a c t e r i s t i c s t h e s em o d e l sa r ed e t a i l e d t h em a t h e m a t i c a i m o d e lo fr o t a t i o ns p e e dr e g u l a t i o no fe x h a u s tg a st u r b o g e n e r a t o ra c c o r d i n g t ot h el o a dv a r i a t i o no ft h eg e n e r a t o r ，a n db o t h t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f f i e l dc u r r e n tr e g u l a t i o np r o c e s sw h i l et h eo u t p u tp o w e ro ft h es c rs h a f t g e n e r a t o r i sr a t e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei n v e r s e a n g l e r e g u l a t i o np r o c e s sw h i l et h eo u t p u tp o w e ro ft h es c rs h a f tg e n e r a t o r d e c l i n e sl i n e a r l y t h e n ，r e l e v a n ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t so ft h eg e n e r a t i o n s y s t e m sh a v eb e e nd o n e ，a n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e e s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a lm o d e l sa r er e a s o n a b l e i ti s a n a l y z e d t h a t a p p l i c a t i o no ft h ec o m b i n e dg e n e r a t i o ns y s t e mi si nap o s i t i o nt oc o n t r i b u t e t os a v ef u e lo i lc o n s u m p t i o ni ns h i p sm o r es i g n i f i c a n t l y s i m u l t a n e o u s l y ，i t s c o n t r i b u t i o n st ok e e p i n gc o n t i n u i t yo fe l e c t r i c a lp o w e rs u p p l ys i n c ei tm a k e s s u r et h a tt h ee l e c t r i c a lp o w e rs u p p l yi su n i n t e r r u p t e dd u r i n gt r a n s f o r m i n g o n et y p eo fg e n e r a t o rt oa n o t h e rt y p eo fg e n e r a t o r f u r t h e r m o r e ，i tp r o m o t e s s a f e t yo fs h i pw h e nm a i ne n g i n ew o r k su n d e rf a u l tc o n d i t i o n s t h i ss o l u t i o n i sc o n s i d e r e dt ob ep r o m i s i n gi ns h i p b u i l d i n gi n d u s t r y i nc h a p t e rt h r e e ，t h en 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e t i c a lb a s i so fp o w e r q u a l i t yi m p r o v e m e n ti sd i s c u s s e dt o o ，w h i c hi n c l u d e st w oa s p e c t s - a d o p t i o n o fi m p u l s ec o n t r o l l e r so fa l t e r n a t i n gc u r r e n tp o w e ra n da p p l i c a t i o no fp o w e r f i l t e r s ，w h i l er a t h e rt y p i c a lt r e n do fd e v e l o p m e n to ft h ef i r s tc h o i c ei sp u l s e w i d t hm o d u l a t i o nt e c h n o l o g yo fc a s c a d em u l t i l e v e ic o n v e r t e r ，a n dt h a to ft h e s e c o n dc h o i c ei st e c h n o l o g yo fa c t i v ep o w e rf i l t e r f i n a l l y ，c e r t a i nc r i t e r i ao n m a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rq u a l i t yt h a ti s s u e db yc h i n ac l a s s i f i c a t i o ns o c i e t y a n do t h e rm a i nc l a s s i f i c a t i o ns o c i e t i e si nt h ew o r l da r es p e c i f i e d a n dt h e k e yt e c h n o l o g yw h i c hi sr e q u i r e di nd e a l i n gw i t hm a r i n ee l e c t r i c a lp o w e r q u a l i t yi ss e tf o r t h i nc h a p t e rf o u r ，as h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d b a s e do nap h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo fal o wc a p a c i t y m a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r k ，w h i c hi sd e s i g n e dt os u p p r e s st h ee l e c t r i c n e t w o r kh a r m o n i c s ，a n ds i m u l t a n e o u s l y ，t oe l e v a t ei t sp o w e rf a c t o r i nt h e p h y s i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m at r a n s f o r mi sa p p l i e dt of o r ma ni s o l a t e ds m a l l c a p a c i t ye l e c t r i cn e t w o r k a n dt h em o d e lo fn o n l i n e a rl o a d i so b t a i n e d t h r o u g ha d o p t i o no faf u l lc o n t r o l l e dt h r e e - p h a s ep o w e re l e c t r o n i cb r i d g e f o i l o w e db yar e s i s t o r - i n d u c t a n c el o a d t h ed e s i g n e df i l t e r i n gs y s t e m c o n t a i n sb o t hr e a lt i m em e a s u r e m e n tu n i to fe l e c t r i cn e t w o r kp a r a m e t e r s a n dp o w e rf i l t e r i n gu n i t i nt h em e a s u r e m e n tu n i t ，a na n a l o ga n t i - a l i a s i n g l o w - p a s sf i l t e ri sa p p l i e dt oi t si n p u tm o d u l e ；ap i e c eo fd a t as i g n a lp r o c e s s o r i sa p p l i e df o rd a t ap r o c e s s i n g ；al i q u i dc r y s t a ld i s p l a ys c r e e ni sd e s i g n e df o r d i s p l a yo fd a t aa n dw a v e f o r m m o r e o v e r t h ea n t i i n t e r f e r e n c ed e s i g no f h a r d w a r ei s s u g g e s t e d a n dt h ee r r o ra n a l y s i so ft h e s y s t e m i sa l s o i n t r o d u c e d i nt h ef i l t e r i n gu n i t ，as e to fp o w e rv e r s i o nd s pe q u i p p e dw i t h t h r e e p h a s ei g b t - b r i d g ei sa d o p t e d ，a n dt h eo u t p u ts t r a t e g ya d o p t st h e c o n t r o lo fs p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n b a s e do nt h ea n a l y s i so f 圭塑塑皇查竺塑圭兰些堡塞 r e l e v a n te x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ed e s i g n e ds y s t e mt e s t i f i e si t sf e a s i b i l i t y i nc h a p t e rf i v e ，i no r d e rt od e s i g nas u i t a b l ec i r c u i tf o rm a r i n ee l e c t r i c n e t w o r k st oi m p r o v ep o w e rq u a l i t y t h ep a r a m e t e rs e l e c t i o nm e t h o do f r e a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dt h ec o n t r o ls y s t e md e s i g no fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n d a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i ta r ea n a l y z e da tf i r s t t h e n ，t h em o d e l s o fr e a c t i v ep o w e rf i l t e r , t h es e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dt h ea c t i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i ta r ee s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y 。a n dt h e i ro p e r a t i o n a l p r o p e r t i e sa r ea n a l y z e da c c o r d i n g l y t h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h i sc h a p t e r i st h a tan e wf i l t e r i n ga n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i ti sd e s i g n e d t h i s c i r c u i ti sc a l l e dc o m b i n e da c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t ( a p f c c ) a n d s e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r ( s a p f ) a i d e db ys h u n tp a s s i v ep o w e rf i l t e r ( p f ) t h en e ws o l u t i o ni sd e s i g n e di no r d e rf o ram a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r k t os i m u l t a n e o u s l ys u p p r e s sh a r m o n i c sa n de l e v a t ep o w e rf a c t o rt oi m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo fp o w e rt r a n s m i s s i o ni nt h ee l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r ka n 嘏 r e d u c et h ev o l u m eo fg e n e r a t o r s b a s e do nt h ea n a l y t i cr e s u l t so ft h e c o m p a r i s o no ft h r e et y p e so fc i r c u i tt o p o l o g y ，ap r o p e rt y p eo ft o p o l o g yi s s e l e c t e df o rr e a l i z a t i o nj nas i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw h i c hi sc a r r i e do u ti nt h 伊 e n v i r o n m e n to fm a t l a b e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es u g g e s t i o no f a p p l y i n gt h ed e s i g n e dh y b r i dc i r c u i tt om a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r k si s r * f e a s i b l e 黔 t h ei n n o v a t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em a r i n em u l t i - m o d ep o w e rs t a t i o n w h i c hc o n s i s t so ft h r e et y p e so fg e n e r a t i o ns e t si se s t a b l i s h e da n dt h e r e l e v a n ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ef u l f i l l e d a n di t sm e r i t si ns a v i n gf u e io i l c o n s u m p t i o na n dk e e p i n gc o n t i n u i t yo fe l e c t r i c a lp o w e rs u p p l y ，a sw e l la s p r o m o t i n gs a f e t yo fs h i p 。a r ea n a l y z e d t h er e s e a r c hu n i f i e st h et h r e et y p e s o fs h i pg e n e r a t i o ns e t si nc o m b i n e do p e r a t i o n t h i st h e o r yi sv e r i f i e di n p r a c t i c eb yt h em u l t i - m o d em a r i n es i m u l a t o r se s t a b l i s h e d i ng u a n g z h o u m a r i t i m ea c a d e m ya n dj i a n g s uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y r e s p e c t i v e l y ( 2 ) f i l t e r i n ga n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yi s r e s e a r c h e di n o r d e rt oi m p r o v eh a r m o n i cp o l l u t i o na n dl o wp o w e rf a c t o ro fm a r i n ee l e c t r i c 一 圭查童! 盔兰堡圭兰丝堡塞： n e t w o r k f o rt h ef i r s tt i m e ，ah y b r i dc i r c u i tw h i c hc o m b i n e st h es e r i e sc i r c u i t a n ds h u n tc i r c u i ti sd e s i g n e df o fm a r i n eu s e t h eh y b r i dc i r c u i ti sd i f f e r e n t f r o mt h en o w a d a y sa p p l i e df i l t e r i n g c i r c u i t s f u r t h e r m o r e ，s i n c ec u r r e n t h a r m o n i c s h a sr a t h e rs i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo no p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t ya n d e n e r g yc o n s u m p t i o no fas h i p ，a n dt h er e s e a r c ho nc u r r e n th a r m o n i c si s v e r yf e wb e f o r e ( t h a ti s ，o n l yv o l t a g eh a r m o n i c si sa n a l y z e dw h e nv o l t a g e s o u r c ei sc o n c e r n e d ) ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sa n a l y z e di nd e t a i l st h ef o r m a t i o n a n di n f l u e n c eo fc u r r e n th a r m o n i c si nt h e o r y a n dt h eh y b r i df i l t e r i n ga n d p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i td e s i g n e di nt h ed i s s e r t a t i o ni sp r o v e dt ob e w i t h b e t t e rp r o p e r t i e si nf u l f i l l i n gf i l t e r i n gt h a nt r a d i t i o n a ls h u n ts y s t e m s ( 3 ) a ne l e c t r i c a lp o w e rp a r a m e t e rm e a s u r e m e n ta n dp o w e rf i l t e r i n g s y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do rap h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mo f al o wc a p a c i t ym a r i n ee l e c t r i c a lp o w e rn e t w o r k t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ee s t a b l i s h e ds y s t e mh a sg o o dp r o p e r t yi n a n t i a l i a s i n g ，a n d m o r e o v e r i t sp r o p e r t i e si ns p e e d a b i l i t ya n dv e r a c i t ya r ea b l et om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fas h i pe l e c t r i cn e t w o r k k e y w o r d s ：m a r i n ec o m b i n e dg e n e r a t i o ns y s t e m ，s h i pe l e c t r i cn e t w o r k ， p a r a m e t e rm e a s u r e m e n to fe l e c t r i c a lp o w e rq u a l i t y ，h y b r i d f i l t e r i n ga n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t x ux i a o y a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e ) s u p e r v i s e db y ：p r o f z h e n gh u a y a o v m 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包括其他人或其他机构已 经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作一：鲻 隰 论文使用授权声明 妒7 7 。 本人同意上海海事大学有关保