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轴带发电系统中变换器设计及其控制方法

轴带发电系统中变换器设计及其控制方法

作者：孟飞扬州大学

学位级别：硕士

为响应“双碳”政策,发展绿色航运,本文从轴带发电系统着手研究船舶节能。船舶主机存在推动航行之外的富裕功率,通过电力电子能量变换技术将其转换为恒频恒压的三相交流电源,供给船舶照明等日常生活所用。采用三相整流-逆变的电路架构,... 详细信息

为响应“双碳”政策,发展绿色航运,本文从轴带发电系统着手研究船舶节能。船舶主机存在推动航行之外的富裕功率,通过电力电子能量变换技术将其转换为恒频恒压的三相交流电源,供给船舶照明等日常生活所用。采用三相整流-逆变的电路架构,具有可靠性高、经济性好和样机体积小的优点。本文从电路原理出发,首先分析了电路运行机理,建立了数学模型,控制策略设计,给出了控制参数整定方法与硬件电路设计方法。搭建仿真模型加以验证,最后搭建了一台12kW的三相逆变器实验样机。本文以船舶轴带发电系统中的三相逆变器为主要研究对象,深入分析了两电平三相PWM逆变器的工作原理,建立了三相静止abc坐标系下的数学模型,再通过Clarke和Park变换得到两相静止α-β坐标系和同步旋转d-q坐标系下的数学模型,使三相交流电量转换为两相直流电量,在此基础上实现控制策略的研究。针对d-q坐标系下电流分量耦合的问题,设计了电压电流双闭环解耦控制策略。引入开关函数,通过空间矢量图分析了空间矢量调制的原理。结合DSPTMS320F28035,本文给出了一种七段式空间矢量调制的实现方法,包括扇区判别、矢量作用的时序、时长,有效降低开关器件的开关频率,减少开关器件的损耗,从而提高系统的效率。根据逆变器并网状态下的要求,本文研究了基于下垂控制的虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator,VSG）控制策略,使得三相逆变器能够支撑电网电压。此外,基于下垂特性的物理意义,建立了动态向量下的下垂控制模型,分析了虚拟同步发电机控制的原理,结合系统控制框图,给出了控制参数的整定方法。本文对船舶轴带发电系统中的逆变器进行了主电路的设计,根据系统要求选取了功率管、LC滤波器和直流侧母线电容等重要元器件,给出了变压器磁件等器件参数计算方法。基于NCP1351B芯片原理,设计了一台PFM变频反激变换器辅助电源。首先将开关器件的平均模型与反激变换电路模型相结合,得到了反激变换器功率电路的等效小信号模型;然后根据NCP1351B芯片的工作原理,推导了峰值电流环的等效占空比扰动到输出电流的传递函数,给出并推导出控制到等效占空比的PFM调制周期增益KPFM;由输出电流到输出电压的传递函数,推导出变频反激变换器控制到输出电压的传递函数。在此基础上,选择了改进型PI调节器对辅助电源进行校正。最后,论文搭建了 PSIM、Matlab/Simulink的仿真模型,结合仿真结果的分析,搭建了 12kW三相轴带发电逆变器的实验样机,自制了系统中具有1 1路输出的反激变换电路辅助电源。仿真和实验结果均验证了本文理论分析的正确性和设计的有效性。

关键词：船舶轴带发电系统三相PWM逆变器 SVPWM 解耦控制虚拟同步发电机控制

基于双同步坐标的无刷双馈船舶轴带发电控制系统

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船舶工程 2019年第6期41卷 72-79页

作者：张小海丁峰邹雁龙海军驻上海七〇四所军事代表室上海200031 上海船舶设备研究所上海200031

为弥补船舶轴带发电机在等效模型和控制策略方面存在的不足,以无刷双馈发电机(BDFM)为研究对象,通过引入双同步坐标系模型,设计孤网和并网发电两种运行模式下的功率绕组磁场定向矢量控制策略,为基于双同步坐标系下的无刷双馈轴带发电控... 详细信息

为弥补船舶轴带发电机在等效模型和控制策略方面存在的不足,以无刷双馈发电机(BDFM)为研究对象,通过引入双同步坐标系模型,设计孤网和并网发电两种运行模式下的功率绕组磁场定向矢量控制策略,为基于双同步坐标系下的无刷双馈轴带发电控制系统设计提供参考。仿真试验和物理试验结果表明,所提出的建模方法和控制策略是有效、可行的。

关键词：无刷双馈发电机船舶轴带发电系统控制双同步坐标

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基于虚拟阻抗的船舶轴带逆变器并联控制

船舶工程 2023年第S1期45卷 341-347页

作者：高国章陈明俊李佳奇李宗昊高岚武汉理工大学船舶动力工程技术交通行业重点实验室武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

分析了采用下垂控制方法时并联运行的逆变器不能实现功率均分的原因,对此提出一种新的改进策略,通过设计自适应的虚拟阻抗来实现逆变器合并阻抗达到匹配,并使逆变器的合并阻抗满足功率均分和抑制环流的重要条件,并采用小信号模型分析法... 详细信息

分析了采用下垂控制方法时并联运行的逆变器不能实现功率均分的原因,对此提出一种新的改进策略,通过设计自适应的虚拟阻抗来实现逆变器合并阻抗达到匹配,并使逆变器的合并阻抗满足功率均分和抑制环流的重要条件,并采用小信号模型分析法进行稳定性分析和参数优化。利用MATLAB/Simulink对所提方法进行了仿真验证,表明方法在理论上的正确性,具有一定的工程可行性。

关键词：船舶轴带发电系统并联逆变器下垂控制改进虚拟阻抗

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新式船舶轴带发电并网Z源逆变器

船舶工程 2019年第8期41卷 61-66页

作者：甘世红毕思明上海海事大学物流工程学院上海201306 上海海事大学商船学院上海201306

针对当前船舶轴带发电并网Z源逆变器具有升压能力有限、电感启动电流冲击较大、输出电压易发生畸变且不稳定和电容电压应力较大等缺点,在传统Z源逆变器的基础上研究一种新式Z源逆变器。该新式Z源逆变器不仅能提高升压能力,减小电容电压... 详细信息

针对当前船舶轴带发电并网Z源逆变器具有升压能力有限、电感启动电流冲击较大、输出电压易发生畸变且不稳定和电容电压应力较大等缺点,在传统Z源逆变器的基础上研究一种新式Z源逆变器。该新式Z源逆变器不仅能提高升压能力,减小电容电压应力和电感启动电流对器件的冲击,改善输出电压的品质,而且可根据船舶实际使用情况,通过改变电感的数量来选取合适的逆变器。对该新式Z源逆变器的拓扑结构和工作原理进行分析,比较电感数目不同时升压因子、电容电压应力和电感电流应力等参数,通过仿真验证该新式Z源逆变器的优点,证明结论的正确性。

关键词：船舶轴带发电系统 Z源逆变器直通占空比升压因子

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船舶轴带无刷双馈电机并网发电控制研究

船舶轴带无刷双馈电机并网发电控制研究

作者：刘春勇武汉理工大学

学位级别：硕士

船舶轴带发电系统能够有效提高主机对能源的利用效率,对船舶而言具有节能增效的作用。无刷双馈电机是一种具有特殊定转子结构的新型交流感应电机,它取消了集电刷、滑环,具有高可靠、长寿命、长期运行成本低等优点,作为轴带发电机受到了... 详细信息

船舶轴带发电系统能够有效提高主机对能源的利用效率,对船舶而言具有节能增效的作用。无刷双馈电机是一种具有特殊定转子结构的新型交流感应电机,它取消了集电刷、滑环,具有高可靠、长寿命、长期运行成本低等优点,作为轴带发电机受到了广泛关注。但它复杂的定转子结构和复杂的非线性系统特性,使得轴带发电系统并入船舶主电网易产生冲击干扰,影响船舶电网的安全稳定。因此,本文以船舶轴带绕线式无刷双馈电机为研究对象,基于电机的物理结构、工作原理和动态数学模型,研究抗干扰能力强的并网控制策略,同时针对变换器提出有效的直流侧电压稳定控制方法,并通过Simulink验证数学模型的正确性和控制策略的有效性。主要研究内容如下:首先,建立无刷双馈电机的动态数学模型。总结无刷双馈电机结构的发展与控制策略研究现状,以定转子结构为基础,分析其内部定转子磁动势,进一步研究其运行机理、等效电路和运行模式。为了得到优异的电机控制性能,基于坐标转换和静止A-B-C坐标系下的动态模型,进一步将旋转坐标系以不同角速度旋转得到转子速和双同步速d-q旋转坐标系下数学模型。其次,设计矢量并网控制策略。基于M-T坐标系下定子双同步速数学模型得到电机空载模型,提出电机空载并网矢量PI控制策略。该控制策略根据磁场定向机理,使同步旋转坐标系下的M轴与功率绕组磁链方向重合,推导功率绕组输出端参数、控制绕组电流和电压之间的电磁关系。然后,设计滑模并网控制方案。结合滑模控制技术与矢量控制技术,在滑模变结构控制的基础上,提出基于指数趋近律的高阶滑模空载并网控制策略。由于并网前后控制策略不同,基于“分开建模、分时仿真”思想,建立电机并网控制、运行控制统一模型;对理想情况、电网电压波动、电机参数摄动情况下电机端电压跟踪过程进行仿真分析,以及高阶滑模并网全过程分析。最后,设计功率绕组侧变换器滑模控制策略。针对功率绕组侧变换器采用线性控制器时系统起动响应能力差,动态特性差,提出一种电压外环、电流内环均采用滑模变结构控制的非线性控制方案。利用Simulink仿真平台进行实验,并与功率解耦控制、负载功率反馈控制进行对比。

关键词：船舶轴带发电系统无刷双馈电机并网滑模控制

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无刷双馈电机独立发电系统改进标量算法研究

微电机 2015年第2期48卷 32-36,76页

作者：高举明万山明黄声华刘利黎华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室武汉430074

利用船舶航行中主机的冗余能力带动无刷双馈发电机实现轴带发电,可改变船舶电力一直依赖于柴油发电机组发电的状况,有效地降低燃油成本。目前实用的无刷双馈发电机标量控制策略,虽然简单可靠,无需辨识电机内部参数,但是动态响应慢。该... 详细信息

利用船舶航行中主机的冗余能力带动无刷双馈发电机实现轴带发电,可改变船舶电力一直依赖于柴油发电机组发电的状况,有效地降低燃油成本。目前实用的无刷双馈发电机标量控制策略,虽然简单可靠,无需辨识电机内部参数,但是动态响应慢。该文在详细分析传统标量控制算法原理的基础上,提出了在逆变侧加入电流前馈补偿的改进标量控制算法,最后搭建实验平台验证了改进标量控制算法的有效性和可行性,经测试此装置能满足船舶轴带发电场合的要求。

关键词：无刷双馈电机标量控制船舶轴带发电系统等效电路