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原文传递轴带无刷双馈独立发电系统建模与控制研究

论文题名：	轴带无刷双馈独立发电系统建模与控制研究
关键词：	船用电站;轴带独立发电系统;控制策略;建模仿真
摘要：	轴带双馈独立发电系统充分利用了船舶冗余的功率裕量，以廉价的重油作为主机燃料，且采用所需变换器容量较小的双馈发电形式，因此具有经济性好、成本低的优势，是目前船用电站的主要建设方案之一。传统的轴带双馈独立发电系统采用有电刷和滑环的有刷双馈电机，虽然其技术已较为成熟，但电刷和滑环易损坏，增加了系统的维护成本。用无刷双馈电机替代有刷双馈电机可进一步提高轴带独立发电系统的可靠性和经济性，但无刷双馈电机复杂的结构与电磁耦合特性使得其控制系统设计变得尤为困难。目前轴带无刷双馈独立发电系统的建模依然沿用了并网运行的思路，未充分考虑独立发电场合下负载侧的影响，导致系统实际控制性能与设计期望存在较大偏差，增加了现场调试的工作量与难度。此外，目前的相关研究主要侧重于正常运行工况，对于启励与负载转移等船舶应用场合下特有工况的分析与控制相关设计鲜有报道。针对上述问题，本文对轴带独立发电场合下的无刷双馈发电系统的建模与控制相关问题进行了深入研究，包括如下几个方面的内容：　　（1）轴带无刷双馈独立发电系统建模与控制方案研究　　针对目前轴带无刷双馈独立发电系统建模与控制存在的问题，本文提出了相应的改进方案。在建模方面，充分考虑了负载及负载侧变换器的影响，以获得更能反映系统特性的数学模型；在控制方面，将轴带无刷双馈独立发电系统的控制系统划分为线性控制和变控制参考的非线性控制两部分，分别对应正常工况与特有工况下的控制。以此为基础，进一步提出了两部分控制的设计思路：在线性控制部分的设计方面，将负载信息纳入控制器设计过程中，以此提高控制器设计的准确性，避免控制对过多额外电量的检测需求；在非线性控制部分的设计方面，提出通过有序改变线性控制部分各线性控制器参考值的方式实施控制，以减小控制的复杂度，避免不同控制方案的切换，提高系统运行的可靠性。　　（2）轴带无刷双馈独立发电系统的比例-积分（PI）控制器优化设计　　在线性控制部分的设计方面，以基于控制绕组电流定向双环控制的轴带无刷双馈独立发电系统为研究对象，提出PI控制器参数设计的新思路，使系统的实际控制性能与设计期望更为接近，有效减少现场调试与整定工作量。该思路以考虑了负载信息的完整无刷双馈独立发电系统数学模型为基础，结合了控制绕组电流定向特点对被控对象进行建模，在简化建模结果的同时仍可保证模型的精确性。基于此模型展开内环设计，设计过程中充分考虑了dq通道控制器之间的影响；外环设计过程中亦充分考虑了内环控制器的影响，这一设计方法消除了传统双环设计中外环带宽要远低于内环带宽的限制。控制器设计在频率域展开，亦便于分析不同转速及负载工况下的控制特性，保证了控制系统在各种工况下的稳定性。　　（3）轴带无刷双馈独立发电系统的前向通道解耦网络设计　　为进一步提高系统的动态性能，对轴带无刷双馈独立发电系统进行了解耦控制的研究。传统的前馈解耦方法需采集大量的前馈变量，检测成本高、算法复杂。本文在上述建模工作的基础上，提出了采用前向通道解耦网络实现解耦控制的方法。该方法将轴带无刷双馈独立发电系统的数学模型转化为典型的双输入双输出形式，从而可直接借用经典控制理论中的前向通道解耦网络方法展开设计。所设计的解耦网络与被控对象串联后形成了高度解耦的新被控对象，从而便利了PI控制器的设计。该解耦网络方法无需额外的传感器，降低了系统硬件成本，并对转速和负载变化均有很好的适应性。　　（4）轴带无刷双馈独立发电系统变控制参考的非线性控制部分的设计　　针对轴带无刷双馈独立发电系统的启励、负载转移等特有工况，本文提出了相应的非线性控制部分的设计思路。为克服启励过程中多个变量同时变化而难于控制的问题，本文设计了一套分段式的启励策略，该策略将启励过程分成几个阶段，每个阶段仅使一个启励变量发生改变，由此满足了启励工况需对系统变量、变换器功率按一定关系进行调控的要求。针对轴带发电场合下负载需在无刷双馈电机和备用电源之间进行不间断转移的需求，本文还简要分析了负载转移过程中的瞬时电流冲击问题，分析表明在控制绕组电流定向的控制方案下，无需引入额外传感器和复杂并网控制，即可保证转移过程中冲击电流在安全范围之内。上述两种特殊工况下的控制均可通过改变线性控制部分的线性控制器参考值方便的实现。
作者：	孙磊
专业：	电气工程
导师：	彭力
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文