（电力系统及其自动化专业论文）舰船电力推进系统建模与仿真.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ee l e c t r i cp r o p u l s i o nh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fs h i p s p r o p u l s i o nb yi t sm a n ys u p e r i o r i t y , b u ta tp r e s e n ts u r f a c ev e s s e le l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e mr e s e a r c hi nd o m e s t i cs t i l lw a sa tt h es t a r ts t a g e ，a n dh a sv e r ym a n y p r o b l e m si nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o c e s s ，t h e r e f o r e ，d e v e l o p e dt h em o d e l i n g a n ds i m u l a t i o no ft h es h i p se l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m ，n o to n l yw a sai n n o v a t i v e w o r k ，b u tc o u l dp l a yt ot h ec e r t a i nm o d e lr o l e t h i st h e s i sh a sc a r r i e do nt h e f o l l o w i n gs e v e r a lj o bm a i n l y ： 1 i n t r o d u c e d t h ed o m e s t i ca n d f o r e i g ns h i p se l e c t r i cp r o p u l s i o n d e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t h eb a s i sp r a c t i c a la p p l i c a t i o na n dt h e s h i p b o a r de q u i p m e n ts p e c i a lr e q u e s t ，t oc o m p o s e dt h es h i p se l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e mt h eb a s i ce s s e n t i a lf a c t o ra n di t st h ec h a r a c t e r i s t i ch a sc a r r i e do nt h e a n a l y s i s ； 2 h a so u t l i n e dt h em u l t i - l e v e l si n v e r s i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n dt h e p r e s e n ts i t u a t i o n ，t h ed o m e s t i ca n df o r e i g nt h r e el e v e l sf r e q u e n c yc h a n g e r r e s e a r c ha n dt h ep r o d u c t i o np r e s e n ts i t u a t i o n ，a n dm u l t i a n a l y s i sd i o d ec l a m p i n g t h r e el e v e l si n v e r s i o n sv o l t a g ee l e c t r i cc u r r e n tr u l e 3 ( s v p w m ) c o n t r o l l e dt h ed i o d ec l a m p i n gt h r e el e v e l si n v e r s i o n st ot h e s p a t i a lv o l t a g ev e c t o rp u l s e d u r a t i o nm o d u l a t i o no , w c ) t h ep r i n c i p l e ，t h e a l g n d t h ma n dt h es i m u l a t i o ns t e ph a sc a r r i e do nt h ed e t a i l e di n t r o d u c t i o na n dt h e a n a l y s i s ，t h r o u g ht ot h es i m u l a t i o nr e s u l ta n a l y s i sa n dw i t ht h es i m i l a rc o n d i t i o n n e x tt w ol e v e l si n v e r s i o nc o m p a r i s o n ，e x p l a i n e dt h r e el e v e l si n v e r t e dm e r i t 4 h a sa n a l y z e dt h es h i pw i t ht h r e ew i n d i n g st r a n s f o r m e r sc h a r a c t e r i s t i c ，1 2 p u l s ew a v e sr e c t i f i e ra n di t st h ef i l t e rc i r c u i td e s i g nm e n t a l i t y , a n dh a sc a r d e do n t h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o nt ot h ea b o v ec o n t e n t ； 5 t oa p p l i e dt h r e el e v e l si n v e r s i o n sp e r m a n e n tm a g n e t i s ms y n c h r o n o u s m o t o rv e c t o rc o n t r o l s y s t e mt oc a r r yo nt h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ，t h e 哈尔滨工程人学硕士学位论文 s i m u l a t i o nr e s u l th a dp r o v e nt h em u l t i l e v e l st e c h n o l o g yu s e di ne x c h a n g i n gt h e v e l o c i t ym o d u l a t i o ns u p e r i o r i t y , f i n a l l y , t h ea u t h o ra c c o r d i n gt ow o r kt h a tf i n i s ha l r e a d y , p r o p o s e dt ot h e m u l t i l e v e l si n v e r s i o nt e c h n o l o g y , t h es h i p se l e c t r i cp r o p u l s i o n t e c h n o l o g y f o r e c a s ta n dt o 也en e x tr e s e a r c hw o r kt e n t a t i v ep l a n s k e yw o r d ：s h i p 8e l e c t r i cp r o p u l s i o n ；m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ；t h r e e 1 e v e l s v p w m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 日期：沙叼车。月1 7 日 哈尔滨j = 程大学硕士学位论文 ；i j i ；i ；i e i ；j ；i i i i i j i 1b e i i ；i i i i 第1 章绪论 1 1 舰船电力推进的发展及现状 船舶电力推进是一种采用电动机直接驱动螺旋桨的稚进方式，与传统的 机械式推进相比，船舶动力采用电力推进系统具有控制灵活、易于实现自动 化、振动小、噪声低、污染排放少、舱室布置方便、全寿期费用低等特点， 二十世纪初就被人们重视并应用于少量实船。但在其后的几十年中，由于受 设备、元件制造技术和交流调速等瓶颈的制约，电力推进系统的优越性能未 能充分发挥，其应用十分有限，除主要用于潜艇的直流电力推进外，在水面 舰船方面的应用也只限于工程船、破冰船、科学考察船等特种船舶。 进入二十世纪八十年代，随着电力电子技术日新月异的变化，交流调速 技术取得突破以及交流电机技术取得重大进展，使船舶交流电力推进技术得 以快速发展，并使交流电力推进的应用情况发生了根本的变化：八十年代后 期，采用柴油机电力推进的1 0 0 0 吨以上的商船约占2 5 ；1 9 8 9 年，由k m y 和a b b 公司两家公司提出了吊舱式电力推进系统，很快就获得了广泛的认 可：到了九十年代，一些公司如a l s t o m 、a b b 、s i m e n s 等，甚至形成了企业 内部的商船电力推进标准；进入二十世纪，交流电力推进应用范围已扩展 到几乎所有的民船领域。 电力推进在商船上的成功应用，引起发达国家海军的高度重视，美、英 等国海军几乎同时开展了有组织的、系统的可行性研究和方案论证工作，目 前各军事大国都在为下一代水面战舰研制综合电力推进系统，其中有的国家 已经进入工程样机的演示阶段，有的国家己开始了型号设计。舰船综合全电 力推进系统综合现行船舶平台的电力和推进两大系统，把推进动力和日常生 活、机械设备用电连接成一个统一的系统，实现电能综合利用和推进供电一 体化，是2 0 世纪9 0 年代推出的一种全新的电力推进系统，也是2 l 世纪舰 船推进的发展方向。 与国外交流电力推进的蓬勃发展相眈，国内的交流电力推进还处于起步 阶段，目前国内还没有成熟的交流电力推进系统及设备可供工程实用。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 2 电力推进系统典型结构及要求 舰船要实现交流电力推进，构成推进系统硬件的基本要素有：开关保护 装置、变压器、交频调速装置、推进电机、监控管理系统、螺旋桨等，对这 些基本要素的要求概述如下： 舰船交流电力系统中，推进系统是舰船主电网上最大的负载之一， 因此在其入口处必须设置开关保护装置。该装置可以根据操纵指令投入和切 除推进系统，而在推进系统中其他设备出现某些重大故障时还可实现自动分 断，为避免故障的扩大并对发配电系统和推进系统起到自动保护作用； 在系统设计中无论是采用低压还是中压电网，系统构成时都有可能 要用到推进变压器。推进变压器不同于一般的电力变压器，它不仅要实现电 压变换，并且在设计中还要考虑船用化和系统的谐波抑制等问题； 要实现交流电机的调速，必不可少的设备是变频器。因为变频器由 大量大功率开关器件组成，在采用适当的主回路拓扑结构及调速控制方式保 证推进的动静态特性的前提下，需要特别注意其电磁兼容及散热问题。 对舰船电力推进，推进电机是把电能转换为推进机械能的核心元件。 面对船用化要求，电机在设计时不仅要考虑倾斜、冲击、振动、腐蚀等环境 问题，还要在结构和电磁设计上进行优化以提高其功率密度；交流推进电机 由变频器供电，电枢电压较高、功率密度较大、可靠性要求较高、低速推进， 因此其绝缘结构、能否缺相运行和通风冷却也是要考虑的重要问题。 要使上述各要素组成的整个系统运转起来并进行各种试验，就要有 该系统的综合监控管理装置。由于系统采用大功率开关器件等叉引发多种谐 波，系统运行和试验中的数据采集处理成为监控管理装置设计中的一道难 关；还有现场总线技术、监控管理软件技术、与其他分系统以及上级管理平 台的信息交换技术等，都是在设计中需要重点研究解决的问题。 1 3 系统建模与仿真的意义 在建立实际的电力推进系统之前，一般都应该对设计的系统进行建模 和仿真，这样可以通过仿真来观察和改进系统的设计，方便而且节省成本a 从本质上讲，系统模型实际上是建模者对于系统、系统元素以及元素 之间的相互关系理解程度的一种描述，应该能够体现出该系统在一定条件下 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的各种特征和运行状况；仿真模型是能够模拟系统功能的一组计算机程序。 建模仿真的目的就是通过仿真结果对系统的设计、优化进行指导。 图1 1 舰船全电力推进系统结构图 1 4 仿真内容与工具 本课题依托于与7 1 2 研究所签订的“舰船综合全电力推进系统仿真” 的研究项目，总的系统结构图如图1 1 所示，整个推进系统的组成为：3 套 柴油机发电机组( 采用电子调速器) ，构成交流主电网，电网负荷包括两类： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一类为由电阻电感组成的模拟负载；另一类为推进系统负载，包括交一直一 交变流器，以矢量控制方案控制的一台六相推进电机；另外还包括滤波器和 若干网络保护开关，如图1 所示。 本课题负责对其中的推进部分的交流调速部分进行仿真，具体结构的 设计原则如下： 电网电压的选择 在综合全电力推进的概念下，由于舰船推进功 率等级的提高以及其他用电设备的大量增加，适当提高系统电压等级是必然 趋势。但电压等级的选择决定于网络结构、系统保护结构及执行元件的支持， 目前船用交流电网多为6 9 0 v ( 低压) 或4 1 6 0 v 、6 6 0 0 v ( 中压) ，对于推进功 率较低的船舶，多采用低压电网方案，本课题的电网电压等级采用6 9 0 v 。 整流电路结构、变压器的选择在交流电力推进系统中，推进系 统是主要的电力负载，在不考虑高能武器用电的情况下，常占整个系统总负 载的8 0 以上。在采用交一直一交变流方案的推进系统中，大功率的整流装置 所产生的谐波、无功功率等对电网的干扰较大。为减少输入电流谐波，多采 用多重化整流电路，目前使用较多的方案是一台三绕组变压器两副边互差 3 0 0 的十二脉整流方案或有这样的两组结构互差1 5 0 的二十四脉整流方案。本 课题采用的是第一种方案。 由于后面的逆变器采用p w m 调制，整流电路采用二极管不控结构，后 接电感电容滤波电路，这种结构简单实用，但不能实现能量的逆向传输，为 了防止电机制动时在滤波电容上产生泵升电压，采用能耗电阻制动方案。 相比于油浸式变压器，干式变压器具有能适用于恶劣的环境条件、过 负载能力高、绝缘运行条件要求低、重量体积小等优点，因此交流电力推进 系统优先选用干式树脂浇注变压器。 逆变器主回路结构的选择交一直一交变流的逆变器目前使用较 多的方案是功率器件串联二电平电流型逆变器、串联h 桥多重化逆变器和三 电平逆变器。功率器件串联二电平电流型逆变器存在电压上升率高、输出电 流谐波成份大等缺点；串联h 桥多重化逆变器存在系统复杂、器件数量多、 体积庞大、故障率高等缺点。相比之下，采用i g c t ( 或i g b t ) 的三电平逆 变器尽管也存在一些缺点，但随着高电压、大功率、大电流开关器件的发展， 三电乎以及多电平逆变正越来越多的在电力推进系统中得到应用。对于对电 平逆变技术和本课题采用的二极管箝位型三电平逆变器，在后面的章节中将 予以详细的介绍。 推进电机及其控制策略的选择 当前发展我国的舰船综合电力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 推进系统，作为推进用的交流电机可供选择的并不多。从国外发展现状看， 法国的j e u m o n t 公司和德国的s i m e n s 公司在永磁推进电机方面走在了世界 的前列。若考虑军用舰船的应用场合，推进电机宜采用多相电机，如六相、 十二相等。这次“舰船综合全电力推进系统仿真”的研究项目中，给出的电 机是电励磁的六相同步电动机。 矢量控制和直接转矩控制是当前在高性能交流调速装置中得到广泛应 用的两种控制方案。矢量控制强调转子磁链与转矩的解耦，实行连续控制， 调速范围宽，但容易受转子参数变化的影响，降低了控制系统的鲁棒性；直 接转矩控制则控制定子磁链，不受转子参数变化的影响，采用转矩和磁链的 砰一砰控制避开了旋转坐标变换，简化了控制结构，动态响应快，但却引起 了电流和转矩的脉动，低速性能差，调速范围受到限制。随着不断的发展， 这两种方案都在朝着克服其缺点的方向前进，取长补短，走互相融合的道路。 “舰船综合全电力推进系统仿真”的研究项目中，给出的方案是同步 电动机气隙磁场定向的矢量控制方案。但由于时间的原因，本课题给出的是 永磁同步电动机转子磁场定向的矢量控制系统的建模与仿真。 m a t l a b 是一种面向科学与工程设计的高级语言，已在自动控制理论、动 态系统仿真、数字信号处理等许多领域中得到了广泛的应用。m a t l a b 又有m 语言和s i m u l i n k 两种工具，各有所长，m 语言简捷易懂，s i m u l i n k 则直观方 便，本课题主要采用m 语言作为仿真工具，用s i m u l i n k 作为参考和验证手段。 并与已知的实际情况相对比。 1 5 本章小结 电力推进是舰船推进系统的发展趋势，本章从舰船电力推进的发展与现 状谈起，继而提出了电力推进的典型结构、要求以及对此进行建模、仿真的 意义，并对“舰船综合全电力推进系统仿真”项目中推进部分，即本课题的 仿真内容和设计思路进行了分析。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章多电平逆变技术 2 1 多电平逆变器拓扑结构概述 传统的逆变器三相拓扑如图2 1a ) 所示，由图2 1b ) 所示的p w m 相电 压波形可知，相对于直流侧中点，一个周期内交流侧输出的相电压中含有两 种电平( u d 以、u d 以) ，因此称为两电平逆变器。 研1 急 i ：矗二：矗! ：5 c u “ u d c 2 o u d c ，2 硼0 佣0 厂硼嗍删0 0 0 呷陌 川删川0 r t 曲电路拓扑 b ) 输出相电压波形 图2 1两电平逆变器拓扑与输出的p w m 相电压波形 为了节约能源，提高生产效率，降低生产成本，需要采用高压大功率逆 变器，但有以下因素制约着两电平逆变器在高电压大功率场合中的应用： 逆变器主管耐压值不够高，与电力系统中高压范围不能直接匹配，需要增加 输出变压器和动态均压电路；高电压电力电子器件的开关损耗较大，影响 到逆变器的工作效率；开关( 脉冲) 频率不能太高，这样逆变器输出波形 的谐波含量较大，对有些要求高质量供电的负载装置需要增加滤波器等。对 此，人们提出了多电平逆变技术并研制了多电平逆变器。 多电平逆变器克服了两电平逆变器的弱点，功率器件串联均压，对器件 的耐压要求降低，能直接匹配中高压，器件开关频率低，系统效率高，输出 电压的谐波含量低，电压电流上升率引起的电磁干扰小。电平数越多，上述 的优点越突出，因而多电平逆变器在高输入电压或高输出电压大功率场合具 有广泛的应用前景。 目前多电平逆变器主要有三类拓扑结构：二极管筘位型逆变器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 - - i , i 宣i i ；i 萱e ；暑i i i 肓暑置i i i i ；i ；葺i i ；i ；i 置i i ；i 宣i 暑_ i ；暑i i i i ；i i _ i ( d i o d e c l a m p e di n v e r t e r ) ；电容箝位型逆变器( f l y i n g c a p a c i f o r i n v e r t e r ) ，也叫飞跃电容型逆变器，目前有电容悬浮式和电容电压自平衡 式两种结构：具有独立直流电源的级联型逆变器( c a s c a d e d i n v e r t e rw i t h s e p a r a t e dd cs o u r c e s ) ，目前有功率单元串联式和混合单元串联式两种结构。 不同的拓扑结构具有不同的优缺点和各自的适用范围，例如，前两者适用于 高输入电压大功率逆变场合，后者则适用于低输入、高输出电压大功率逆变 场合，参考文献 8 9 对不同的拓扑结构及应用进行了详细的分析和比较。 基于上述的几种结构，根据不同方面的需要，派生出的各种新的拓扑结 构近几年可谓层出不穷，多电平逆变器已经成为目前电力电子和变频领域研 究的热点。 2 二极管箝位型三电平逆变器 2 2 1 主电路拓扑结构 二极管箝位型三电平逆变器是目前应用最广泛的一种电压型多电平 示，采用两个反并联 幻h 。1 t z 提出的方案 b ) a n a b a e 提山的方案 的主开关元件把零电 图2 2 三电平逆变器一相屯路拓扑 平引到逆变输出端。 1 9 8 0 年日本的a n a b a e 等人对其进行了发展，提出了二极管筘位式逆变电路， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 也是目前应用最多的三电平逆变器结构，如图2 2 b ) 所示。 与图2 1 的两电平逆变器的一相电路比较，该拓扑增加了两个功率 主开关器件及相应的续流二极管，并且增加了两个功率二极管。中间的 两个主开关器件可以把功率二极管引出的零电平加到输出端上，即利用 功率二极管的筘位达到输出零电平的目的，因此这种结构被称为二极管 箝位式结构，也叫中点籀位式( n e u t r a l p o i n tc l a m p e d ，简称n p c ) 结 构。该结构可以使主管的耐压值降低为直流端电压的一半，从而使其应 用在高压场合成为可能。以后各章中提到三电平逆变器，除特别说名外， 均指这种结构而言。 箝位二极管除了用于引出零电平之外，另一个作用是防止电容短 路。例如，若将箝位二极管v d l 用短接线代替，则当功率器件g l 导通、 g 2 关断时，电容c l 将被短路：同理，筘位二极管v d 2 也可以防止c 2 在g 。导通、g 3 关断时被短路。 b h a g w a t 和s t e f a n o v i c 在1 9 8 3 年迸一步将二极管筘位结构由三电平推广 到更多电平。针对二极管箝位结构在更多电平逆变器中的一些缺点，如二极 管承受电压不均匀等问题，x i a o m i n g y u a n 在1 9 9 9 年又提出了一种二极管自 箝位电路结构。对于这些，以及其他拓扑形式的三电平逆变器，这里不再详 细介绍。 另外，目前功率开件关元大都采用i g b t 或g t o ，在这里我们假设 逆变器的各开关器件均为理想开关，不考虑具体器件的工作过程及由此 产生的如死区效应、窄脉冲等相关问题。 2 ，2 2 输入输出电压 根据图2 。2 b ) 的电路，可得三电平逆变器的一相基本电压输出情况 如表2 1 所示。当上半臂两个主开关器件g l 、g 2 导通，下半臂两个主 开关器件g 3 、g 4 关断时，交流侧输出电压u = u d j 2 同样，当g 3 、g 4 导通，g i 、g 2 关断时，u = u d 。2 ；当g 2 、g 3 导通，g l 、g 4 关断时， u = 0 。可以看出，g i 和g 3 之间的开关动作是互补的，g 2 和g 4 之间的 开关动作也是互补的。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 可以用变量s 来 表示逆变器输出的三 种状态：输出正端电 压时，s = 2 ；输出零 电压，s = i ；输出负 端电压时，s = 0 。根 据表1 1 ，可得单相 表2 1 三电平逆变器一相电压输出规律 g l0 2g 3g 4u o no no f fo f f u d 以 o f fo no no f f o o f fo f fo no n - u d 以 输出电压u 与开关变量s 和输入直流电压u d 。的关系： u = ( s 一1 ) u d 。2( 2 - 1 ) 令一相电路中四个功率开关元件的触发脉冲变量为p 1 、p 2 、p 3 、 p a ，且各变量在器件触发时为1 ，器件关断时为0 ，这样，当逆变器输 出正端电压时，各 触发脉冲变量分别 为1 、1 、0 、0 ；同 理，输出零电压时 为0 、l 、1 、0 ，输 出负端电压时为0 、 0 、1 、1 。由此可得 单相输出电压u 与 各触发脉冲变量和 输入直流电压u d 。 的关系： + g j 融1 一曲g 叫 t c i = 隆j 现隆翻 u d c o 螂蛐蛐v 。划 + = c 2 g o 融? 融之i - 图2 3n p c 结构三电平逆变器三相电路拓扑 u2 ( p i + p 2 一p 3 一p 4 ) u d c 4 ( 2 - 2 ) 我们将在后面的章节中详细叙述其输出电压、电流波形并与两电平 逆变器进行比较和分析，说明三电平的优点。 2 2 3 输入输出电流 由于三电平逆变器的直流端为三线输入，其电流的情况比两电平要 更复杂，并且会带来一些新的问题，下面我们来分析三电平逆变器在各 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 种情况下的电流。 如图2 4 a ) 所示，令直流端三线电流中由a 相所决定的部分为i 。a 、 i 0 a 、i 。a ，以流入逆变器为正方向；a 相电流为i a ，以流出逆变器为正 方向。 逆变器工作时， 为了防止过大的电压 上升率，任个工作 瞬间三点式逆变器仅 有一条支路的开关元 件产生通断动作；并 且每条支路状态只能 由2 变到1 ，或由0 变到1 ，或反之，不 允许2 与0 之间直接 互变，因此几种可能 的情况为：逆变器 为2 状态，电流路径 如图2 4 b ) 所示，此 时的电流i a 方向可能 为正，也可能为负， c ) d 1 图2 4 三电平逆变器各状态的电流路径 电流为正时流过g 1 和g 2 ，电流为负时流过d i 和d 2 ；逆变器由2 状 态转到1 状态，此时g l 关断，g 3 触发，电流路径如图2 4 c ) 所示，若 i a 为正则流过v d l 和g 2 ，i a 为负则流过v d 2 和g 3 ；逆变器由1 状态 转到0 状态，此时g 2 关断，g 4 触发，电流路径如图2 4 d ) 所示，若i 。 为正则流过d 3 和d 4