一种柴电-燃联合推进系统的控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种柴电

【技术实现步骤摘要】
一种柴电
‑
燃联合推进系统的控制方法


[0001]本专利技术属于船舶推进控制
，具体涉及一种基于数学模型的柴电
‑
燃联合推进系统的控制方法。

技术介绍

[0002]随着船舶推进技术的发展，船舶推进装置的类型也日益增多。目前船舶推进系统主要分为两大类：一是机械推进方式；二是全电力推进形式。两种动力推进形式各有优劣。为了发挥电力推进和机械推进两者的优点，20世纪末出现了柴电
‑
燃联合推进系统。该联合推进系统使用柴油发电机组发电，推进电机以及其他用电负载通过电力变换装置从电网中获得电能，螺旋桨由推进电机与燃气轮机单独或共同驱动。
[0003]随着越来越多大型船舶动力系统被改造成电力推进，电机的功率也随之攀升，其电压等级也随之升高，多相电机调速系统逐渐成为更优的选择。而随着相数增加，电机系统中各相所占的比例逐渐降低，可靠性得到提高；同时可以降低整个电网的谐波含量，减小对电力系统的冲击。因此在电源电压有限、大功率输出、可靠性要求高等场合下，多相系统优势更明显。

技术实现思路

[0004]针对上述技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于数学模型的柴电
‑
燃联合推进系统的控制方法。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柴电
‑
燃联合推进系统的控制方法，用于控制包含变压器、双向三相变流器、六相感应电机、燃气轮机、离合器、齿轮箱和螺旋桨的柴电
‑
燃联合推进系统，其中双向三相变流器包含三相电压型PWM整流器和三相电压型PWM逆变器，具有馈电功能的双Y移30
°
六相感应电机采用鼠笼式转子结构，采用转速外环电流内环的控制模式，步骤为：
[0006]步骤S1，建立六相感应电机基于自然基底的数学模型
[0007]根据KVL定律，对一闭合环路，沿任意方向的各段电压代数和恒等于零，根据感应电动势表达式ε＝dψ/dt，得到电机电压方程式中u
s
为定子电压，u
r
为转子电压，i
s
为定子绕组相电流，i
r
为转子绕组相电流，ψ
s
为定子磁链，ψ
r
为转子磁链，R
s
为定子电阻，R
r
为转子电阻，p为微分算子，代替微分符号d/dt；
[0008]定子磁链表示为定子自感磁链和转子对定子的互感磁链之和，类似地，转子磁链表示为转子自感磁链和定子对转子的互感磁链之和，因而可以得到电机磁链方程式中L
ss
为定子电感系数，L
sr
为定子对应转子的电感系，L
rs
为转子对应定子的电感系数，L
rr
为转子电感系数；
[0009]电动机将输入的电磁能转化为电磁转矩和转速，以机械能的形式带动负载运行，
得到的方程即为电机输出电磁转矩，式中T
em
为电磁转矩，n
p
为电机极对数，θ为电角度，为电机极对数，θ为电角度，
[0010]得到电力拖动系统的运动方程式中T
e
为电机输出转矩，T
L
为负载转矩，J为转动惯量，D为与转速成正比的转矩阻尼系数，ω
r
为电机的机械角速度，K为扭转弹性转矩系数，针对恒转矩负载，可以认为D＝0，K＝0，则电机的运动方程为由此得到六相感应电机的六维数学模型；
[0011]步骤S2，对数学模型进行空间解耦变换；
[0012]利用空间解耦矩阵T，将原始空间内的六维电机模型映射到三个相互正交的二维坐标子空间αβ，z1z2，o1o2中，得到
[0013][0014]步骤S3，建立六相感应电机基于同步旋转坐标系d
‑
q的数学模型；
[0015]根据空间解耦变换，推导出六相感应电机谐波基下的三个电机方程，包括电压、磁链和转矩方程，由于电机的矢量控制需要电机在dq同步旋转坐标系下的数学模型，控制器也需要在dq同步旋转坐标系下设计，因此，要将与电磁量有关的电机方程进行Park变换，从而得到能用于推导和设计矢量控制策略所需的数学模型；其中电压方程为磁链方程为式中L
s
为定子的电感系数，L
r
为转子的电感系，L
m
为转子与定子之间的电感系数；磁转矩方程为T
em
＝n
p
L
m
(i
qs
i
dr
‑
i
ds
i
qr
)，式中ψ
ds
，ψ
qs
，ψ
dr
，ψ
qr
为dq坐标系下定转子磁链d轴和q轴分量；i
ds
，i
qs
，i
dr
，i
qr
为dq坐标系下定转子电流d轴和q轴分量；ω
s
为转差角速度；ω1为同步角速度；
[0016]步骤S4，分别建立基于全控器件的三相桥、滤波电感L以及直流母线支撑电容C
dc
的三相电压型PWM整流器和三相电压型PWM逆变器的数学模型：双向三相变流器又称背靠背式变流器，主要结构可分为三相交流电源、三相电压型PWM整流器(含滤波)和三相电压型PWM
逆变器(含滤波)，电网在电机推进工作时负责给电机提供所需的有功和无功功率，在电机工作在馈电状态时吸收电机回馈的电能，可控整流器和逆变器均可工作在整流或逆变状态；
[0017]步骤S5，基于SVPWM的六相感应电机双dq矢量控制：
[0018]将双Y移30
°
六相感应电机的绕组结构看作是两个在空间上互差30
°
(中性点相互独立)的三相绕组，通过坐标变换完成对六维强耦合系统的解耦后，得到易于分析和控制的数学模型；由于在αβ两相静止坐标系下，两套三相绕组与六相绕组在物理量上统一，证明了它们的基波分量是等效的，各物理量在变换到dq旋转坐标系上后，只有向量的角度发生了改变，向量的模不发生改变，因此双三相绕组和六相绕组在dq旋转坐标系上依然等效。因此，可以将单套三相绕组作为一个三相感应电机进行控制，为了使两套三相绕组变换到同一个旋转坐标系上，假设第一套三相绕组与d轴夹角为θ，那么第二套三相绕组则与d轴夹角θ
‑
30
°
；
[0019]通过两个角度相差30
°
的坐标变换，可以将六相感应电机数学模型的简化为两套三相绕组的数学模型，即
[0020][0021]式中x＝1,2，表示第一套绕组和第二套绕组。
[0022][0023][0024]联立上述三式可得双dq矢量控制所需公式为：
[0025][0026]两套三相绕组的中性点分别与其对应的逆变器直流母线中点存在共模电压，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柴电
‑
燃联合推进系统的控制方法，用于控制包含变压器、双向三相变流器、六相感应电机、燃气轮机、离合器、齿轮箱和螺旋桨的柴电
‑
燃联合推进系统，其中双向三相变流器包含三相电压型PWM整流器和三相电压型PWM逆变器，具有馈电功能的双Y移30
°
六相感应电机采用鼠笼式转子结构，采用转速外环电流内环的控制模式，其特征在于：包括如下步骤步骤S1，建立六相感应电机的数学模型根据感应电动势表达式ε＝dψ/dt，得到电机电压方程式中u
s
为定子电压，u
r
为转子电压，i
s
为定子绕组相电流，i
r
为转子绕组相电流，ψ
s
为定子磁链，ψ
r
为转子磁链，R
s
为定子电阻，R
r
为转子电阻，p为微分算子，代替微分符号d/dt；定子磁链表示为定子自感磁链和转子对定子的互感磁链之和，转子磁链表示为转子自感磁链和定子对转子的互感磁链之和，得到电机磁链方程式中L
ss
为定子电感系数，L
sr
为定子对应转子的电感系，L
rs
为转子对应定子的电感系数，L
rr
为转子电感系数；电动机以机械能的形式带动负载运行，得到电机输出电磁转矩方程式中T
em
为电磁转矩，n
p
为电机极对数，θ为电角度，得到电力拖动系统的运动方程式中T
e
为电机输出转矩，T
L
为负载转矩，J为转动惯量，D为与转速成正比的转矩阻尼系数，ω
r
为电机的机械角速度，K为扭转弹性转矩系数，针对恒转矩负载，D＝0，K＝0，得到电机的运动方程由此得到六相感应电机的六维数学模型；步骤S2，对数学模型进行空间解耦变换；利用空间解耦矩阵T，将原始空间内的六维电机模型映射到三个相互正交的二维坐标子空间αβ，z1z2，o1o2中，得到
步骤S3，建立六相感应电机基于同步旋转坐标系d
‑
q的数学模型；根据空间解耦变换推导出的电压、磁链和转矩方程，将与电磁量有关的电机方程进行Park变换，得到推导和设计矢量控制策略所需的数学模型；其中电压方程为式中ψ
ds
、ψ
qs
、ψ
dr
、ψ
qr
为dq坐标系下定转子磁链d轴和q轴分量，i
ds
，i
qs
、i
dr
、i
qr
为dq坐标系下定转子电流d轴和q轴分量，ω1为同步角速度，ω
s
为转差角速度；磁链方程为式中L
s
为定子的电感系数，L
r
为转子的电感系，L
m
为转子与定子之间的电感系数；电磁转矩方程为T
em
＝n
p
L
m
(i
qs
i
dr
‑
i
ds
i
qr
)；步骤S4，分别建立基于全控器件的三相桥、滤波电感L以及直流母线支撑电容C
dc
的三相电压型PWM整流器和三相电压型PWM逆变器的数学模型；步骤S5，基于SVPWM的六相感应电机双dq矢量控制：将双Y移30
°
六相感应电机的绕组结构看作是两个在空间上互差30
°
的三相绕组，通过坐标变换完成对六维强耦合系统的解耦；将单套三相绕组作为一个三相感应电机进行控制，第一套三相绕组与d轴夹角为θ，第二套三相绕组则与d轴夹角θ
‑
30
°
；通过两个角度相差30
°
的坐标变换，将六相感应电机数学模型的简化为两套三相绕组的数学模型式中x＝1,2，表示第一套绕组和第二套绕组，
联立上述三式可得双dq矢量控制所需公式为：两套三相绕组的中性点分别与其对应的逆变器直流母线中点存在共模电压，记为u<...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵俊波，杜立天，杨一鹏，肖霆，陈亮，
申请(专利权)人：武汉船用电力推进装置研究所中国船舶重工集团公司第七一二研究所，
类型：发明
国别省市：