船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)無源性控制策略與諧波抑制方法研究.pdf

1、船舶綜合電力推進(jìn)是一種先進(jìn)的推進(jìn)方式，高性能的推進(jìn)器控制是其核心技術(shù)之一。推進(jìn)器的運行特性和變頻器的諧波抑制直接關(guān)系到船舶的安全性、可靠性與操控性能，因而穩(wěn)定、高效的控制策略是綜合電力推進(jìn)的關(guān)鍵和研究熱點所在。無源性控制(PBC)理論是一種分析和設(shè)計非線性系統(tǒng)的強(qiáng)有力工具，主要解決非線性對象控制中因內(nèi)部建模誤差和外部時變擾動引起的控制品質(zhì)惡化難題，本文對PBC理論在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。在詳細(xì)分析交流電機(jī)推進(jìn)器運行特性和螺

2、旋槳負(fù)載模型的基礎(chǔ)上，研究采用PBC理論對船舶電力推進(jìn)器進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計的可行性，提出應(yīng)用PBC理論對船舶電力交.交變頻系統(tǒng)進(jìn)行諧波補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計方案，著重解決船舶電力推進(jìn)器的非線性控制和電力變頻器的諧波抑制問題。本文主要完成的工作是：
　　 建立了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的無源性控制模型。在分析交流電機(jī)運行特性的基礎(chǔ)上，基于坐標(biāo)變換，采用Euler-Lagrange( E-L)系統(tǒng)描述交流電機(jī)推進(jìn)器模型，通過推導(dǎo)通用變量定義的能量函數(shù)和

3、Lagrangian方程，建立了船舶電力推進(jìn)器的解析數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而對船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的無源性特性進(jìn)行了分析和論證。通過對船舶螺旋槳工作原理和在不同工況下扭矩特性的分析，建立了螺旋槳負(fù)載的動力學(xué)模型。船舶電力交流電機(jī)推進(jìn)器和螺旋槳負(fù)載模型的建立，為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)控制策略的設(shè)計和實現(xiàn)提供了理論基礎(chǔ)。
　　 基于E-L方程描述的船舶電力異步電機(jī)推進(jìn)器模型，設(shè)計了異步電機(jī)推進(jìn)器在負(fù)載時變未知情形下的無源性控制器。結(jié)合自適應(yīng)控制策略，提

4、出了自適應(yīng)PBC方法。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子電阻時變未知時，實現(xiàn)了異步電機(jī)推進(jìn)器期望轉(zhuǎn)矩、期望轉(zhuǎn)速和期望轉(zhuǎn)子磁通的快速漸近跟蹤控制，并解決了時變負(fù)載和時變轉(zhuǎn)子電阻的在線精確估計問題。時變負(fù)載和螺旋槳負(fù)載條件下的仿真結(jié)果表明：船舶電力異步電機(jī)推進(jìn)器的自適應(yīng)PBC方法對時變未知的轉(zhuǎn)子電阻和負(fù)載轉(zhuǎn)矩具有較高的控制精度和很強(qiáng)的魯棒性能。
　　 基于E-L方程描述的船舶電力同步電機(jī)推進(jìn)器模型，研究了負(fù)載轉(zhuǎn)矩為任意時變未知情形下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、磁鏈漸近

5、跟蹤的同步電機(jī)自適應(yīng)無源性控制器設(shè)計。以優(yōu)化閉環(huán)系統(tǒng)控制性能為目標(biāo)，設(shè)計狀態(tài)觀測器和自適應(yīng)控制律，實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子電阻時變未知情形下轉(zhuǎn)子磁場矢量的漸進(jìn)跟蹤控制。時變負(fù)載和螺旋槳負(fù)載條件下的仿真結(jié)果表明：船舶電力同步電機(jī)推進(jìn)器的自適應(yīng)PBC方法對時變未知的轉(zhuǎn)子電阻和負(fù)載轉(zhuǎn)矩具有較高的控制精度和很強(qiáng)的魯棒性能。
　　 針對船舶大功率同步電機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中交一交變頻器引起的電源電流畸變現(xiàn)象，從能量平衡關(guān)系出發(fā)，提出了一種新型有源濾波器自適應(yīng)PB

6、C控制策略。當(dāng)非線性負(fù)載時變未知時，設(shè)計簡單有效的諧波電流無源性檢測方法，實現(xiàn)了諧波電流的精確計算、快速跟蹤和系統(tǒng)參數(shù)的自校正功能。仿真結(jié)果表明：采用自適應(yīng)PBC方法的APF能夠有效抑制船舶電力交.交變頻系統(tǒng)的電源電流諧波。
　　 基于dSPACE硬件系統(tǒng)，利用快速控制原型技術(shù)，設(shè)計了船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)實驗平臺，完成了交流電機(jī)推進(jìn)器自適應(yīng)PBC算法和交.交變頻器諧波抑制方法的實驗驗證。此系統(tǒng)的實現(xiàn)，為船舶電力推進(jìn)技術(shù)的先進(jìn)控制策略