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1、江苏科技大学苏州理工学院20 届毕业设计（论文） 船舶电力系统稳定性研究 系 部： 电子与信息工程 专业名称： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 作 者： 指导教师： 二零 年六月江苏科技大学苏州理工学院本科毕业论文船舶电力系统稳定性研究Research on the Stability of Marine Electric Power System摘要船舶是水上航行，海洋开发及国防建设的重要海上交通工具。船舶电力系统作为船舶的灵魂它的稳定性对船舶来说具有特别重要的意义。船舶电力系统与陆地电力系统是存在一定区别的。它是一个典型的独立电力系统，规模较小，但却十分复杂。科学技术日新月异，船舶
2、电力系统容量在不断提高，生产技术在不断进步，船舶电力系统的自动化程度不断发展，除了船舶的电气照明和电力拖动之外，现在船舶大部分使用电力推进装置。船舶采用电力推进装置电能储备量增大。但同时也增加了控制电气的复杂性，所以对船舶电力系统的稳定性研究十分必要。经过对资料的大量搜集阅读，本文对船舶电力系统稳定性的研究重要性以及国内外研究的现状进行了了解，还简要介绍了船舶电力系统的组成,电力系统稳定性理论，一些稳定性控制方法。然后对船舶电力系统两机并联型数学模型进行了建模与分析。又在建立好的模型的基础上利用反推法设计了自适应控制器，使系统在参数不确定以及外界存在扰动时仍能稳定运行，设计好控制器后采用经典的
3、李雅普诺夫稳定性定理进行了稳定性的证明。最后，为了验证所设计的控制器的控制效果，在MATLAB下进了了系统仿真。仿真主要研究在不加控制器时和加控制器之后，功角和功角速度两个量的时序图。通过前后两个量的波形对比分析，得出结论，证明控制器可以在系统受到扰动时使系统恢复稳定。关键词：船舶电力系统；稳定性研究；反推法；自适应控制器AbstractShip is an important maritime transport for watercraft, marine development and national defense building. Ship power system as the
4、 soul of the ship, it has special significance for ship. There is a certain difference between ship power system and power system on land. It is a typical independent power system, small in size, but it is very complicated. Science and technology changes with each passing day, the ship power system
5、capacity is rising, the production technology is in progress, ship power system degree of automation continued development, in addition to the ships electrical lighting and electric drive, most ship are now using electric propulsion device. Ships using electric propulsion increase power reserve. But
6、 at the same time also increased the complexity of the electric control, so it is very necessary to study the stability of ship power system.After a huge collection of information to be read, in this paper, the importance of ship power system stability studies, as well as on the current situation of
7、 domestic and foreign research, also briefly introduces the composition of ship power system, power system stability theory, some stability control method. Then modeling and analysis the nonlinear mathematical model of two generators in parallel of ship power system. And in establishing a good model
8、 on the basis of the adaptive controller is designed using back stepping method, make the system in the parameter uncertainty and external disturbance when still can stable operation, good controller is designed after the classical lyapunov stability theorem is used for validation of stability judgm
9、ent. Finally, in order to verify the control effectiveness of the designed controller, into the procession of system simulation under MATLAB. Simulation research after without controller and the controller, the Angle and angular velocity timing diagram of two quantities. Through two quantities befor
10、e and after the waveform comparison and analysis, come to the conclusion that time can prove that the controller in the system disturbance when the system restore stability.Keyword：marine electric power system; stability; back stepping; adaptive control目 录第一章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状以及存在的不足21.3
11、 本文主要内容3第二章 船舶电力系统稳定性理论52.1 船舶电力系统的概述52.1.1 船舶电力系统的一般组成结构52.1.2 船舶电力系统的运行工况及特点82.2电力系统稳定概念92.2.1 电压稳定与电压崩溃102.2.2 转子角稳定102.2.3频率稳定102.3 船舶电力系统稳定的分类112.4船舶电力系统稳定性控制技术112.4.1 传统的稳定性控制方法122.4.2 现代稳定性控制方法122.5本章小结12第三章 船舶电力系统两机并联型非线性数学模型143.1 船舶电力系统建模143.1.1 同步发电机电气结构143.1.2 同步发电机的绕组分配143.2 船舶电力系统两机并联型非
12、线性数学模型的建立163.3 本章小结18第四章 基于反推法的自适应控制器设计194.1 自适应控制的简要概念194.2 李雅普诺夫稳定性理论204.2.1 标量函数定号性简介204.2.2 李雅普诺夫（Lyapunov）第二方法的定理214.3 反推法（back stepping）的基本原理介绍224.4 基于反推法的自适应控制器的设计234.5本章小结25第五章 系统仿真275.1 船舶电力系统两机并联型非线性数学模型仿真275.2 加入控制器后的系统仿真295.3 本章小结32结论33致谢34参考文献35第一章 绪论1.1 课题研究的目的和意义船舶是海上航行、运输、作业、作战的重要交通工
13、具。对航海的船舶而言，拥有一个保证其安全行驶的稳定的电力系统是基础。由于船舶是一个孤立的行驶在海洋上的独立体，犹如一个可移动的海上城市。因此船舶电力系统与陆地电力系统相比在容量，输配电等方面都存在很大差异。船舶电力系统是一个独立电力系统的典型，它规模较小，但非常复杂，有许多特点。船舶电力系统的稳定性是指系统在受到外界较大扰动（如短路故障、负荷突变、切除了大容量的发电机、变压器等）后，系统各发电机依旧可以保持同步运行以及电压和频率依旧保持稳定的能力1。船舶体积有限，所以船舶电力系统电站容量较小，电站容量相对小，那么一些大负载容量就相对大，可以比作单台发电机容量，这样的大负载加入工作时，启动瞬间会
14、对电网电压、频率等因素产生很大影响，使电网稳定性波动较大；船舶的容积有限，电气设备比较集中，而且设备在船上的工作环境恶劣，环境温度过高，电机会出现出力不足，绝缘加速老化的现象。船上湿度大，电气配置会出现绝缘变潮、分层、形变等恶劣后果，导致配置绝缘能力下降。并使设备中存在的金属部件腐蚀速度加快，使用寿命减少，外表镀层脱离，绝缘可靠度降低。船舶航行，若遇恶劣天气，冲击、晃动明显时，船用电气设备被破坏、误动的可能性就会加大。一个元器件产生小问题可以顷刻影响整个船舶电网安全，从而对系统的稳定产生阻碍。这些都是船舶航行时的安全隐患。船舶在大海上航行，被水包围，一旦发生事故，想立刻得到救援肯定不可能，一旦
15、船舶电力系统失去稳定性很可能造成全船停电，会严重威胁船舶和船上人员的安全，导致船毁人亡的悲剧。因此船舶电力系统的稳定性是船舶经济安全运行以及船员人生安全的重要基础。船舶电力系统的稳定性担负着为全船所有用电设备（尤其是对船舶安全性能影响重大的电气设备）连续不断的、稳定的提供电能的任务。船舶电力系统稳定性对船舶的意义非比寻常2。1.2 国内外研究现状以及存在的不足在国外，船舶电力系统的研究起步比较早，对于一些造船业较先进的西方发达国家来说，他们从上个世纪中叶就开始了对船舶电力系统的研究与探索。他们对船舶电力系统的稳定性，暂态过程分析等一些方面进行了研究。近年来，国外的一些大公司都开始了船舶电力系统
16、的建模与分析方面的探索。西方在船舶电力系统方面的研究侧重于: 集成技术的研究。这虽然是一个复杂的研究方面，但西方发达国家凭借自身雄厚的经济技术实力已经设计了一些供电的集成方案。如荷兰的Imtech公司，法国的施耐德公司，他们都可以提供很强大的集成技术来进行设计3。 研究更加模块化、标准化。把原本为一个整体的电力系统分割成一个个独立的小模块来设计、制造。使用时各模块相互配合，简化了总体配置，强化了功能。 加强发电模块的研究。一般由燃汽轮机或高中速柴油机作为发电模块的主发电机组的原动机，它与发电机、控制器组成发电模块。燃汽轮机作为主动力不仅可以提高供电密度，还可以节约船舶空间。燃汽轮机作为主动力也
17、是未来船舶发电机的发展方向。 注重配电模块的研究。配电模块由中压配电板提供完成，中压配电板不仅自身结构好，功能强大，还能够从系统集成角度与别的部分协调。随着船舶供电系统结构的发展，还产生了中压船舶环网柜。如英国施耐德公司出产的中压环网柜，环网灵活，采用模块化设计，它提供了供电冗余以确保负载安全运行4。 向智能管理系统方向研究，智能管理系统的未来发展目标是很智能，很强大。目前智能管理局限于电站管理、电力监测、故障隔离、恢复功能。在未来电力谐波处理也将被放入智能管理系统中。我国在船舶电力系统的研究及应用领域起步较晚，但在我们的努力下取得了不少成果： 船舶电力系统的发电率逐年上升。解放初生产的船舶总
18、吨位很小，如今可以生产出技术复杂的并配备相应电力系统的大吨位船舶5。 电气设备性能及供电指标大幅提升。船舶电力系统的静态性能指标、动态性能指标及承受负荷的能力都有了提高，还出现了船舶高参数电力系统。 船舶电力系统的集中控制、自动化控制，提高了船舶的供电质量，减少了人力操作。 不断汲取新技术。社会不断进步发展，技术也是日新月异，不断革新，因此，我们也不断汲取新科技，提高系统性能。我国在工业基础方面还是有一定的基础和优势的，如船舶原动机、船舶发电机以及船舶配电、船舶的变频调速等关键性技术。我国在理论研究、系统完整性分析设计方面与西方国家相比仍存在差距。目前，我国与发达国家的差距主要存在于船舶使用大
19、功率电机以及船用高压大容量电力电子器件等一些船用电气设备，以及装船率较低6。1.3 本文主要内容本文在掌握了船舶电力系统的组成、结构以及运行工况的基础上，进一步对船舶电力系统的稳定性进行研究，建立两机并联型非线性数学模型，根据模型设计基于反推法的自适应控制器，使系统在参数不确定及外界扰动情况下仍可以稳定运行。本文的结构如下：第一章 为绪论。主要介绍了这篇论文的研究目的和意义，国内外现状和这篇文章的主要任务和内容。第二章 主要介绍船舶电力系统稳定性理论。首先介绍了一下船舶电力系统的组成以及船舶电力系统的特征和运行工况。在对船舶电力系统的结构特点有了一定了解的基础上，介绍了船舶电力系统稳定性的概念
20、和船舶电力系统稳定的分类。最后把传统的稳定性控制方法和现代的稳定性控制方法分别进行了介绍。 第三章的主要内容是建模。在分析了船舶同步电机的结构和绕组分配之后，建立了船舶电力系统两机并联型非线性数学模型，并对其进行了简单的分析。 第四章的主要内容是利用反推法设计自适应控制器。本章主要介绍了自适应控制的概念原理，接着叙述了李雅普诺夫稳定性理论，然后介绍了反推法的基本知识，最后设计了基于反推法的自适应控制器的设计，并用李雅普诺夫稳定性理论证明了控制器可以起到稳定的作用。 第五章是系统仿真。分别对不加控制器时的两机并联电力系统和加入控制器的系统进行仿真。通过对比前后两次仿真的功角、功角速度的波形图，证
21、明了加入所设计的控制器后，系统可以在外界扰动下恢复稳定。 第二章 船舶电力系统稳定性理论2.1 船舶电力系统的概述 与陆地电力系统相比，船舶电力系统和它的区别主要在于：船舶在海上航行的独立性决定了它是一个独立的电力系统。发电装置与用电设备之间的距离有限。陆地电力系统发电装置与用电设备相隔比较远，可以有好几百公里，在它们之间使用长距离输电线路进行输电，并经过多次变压才可以完成。船舶电力系统的工程实施难度比较大，因为船舶的总装机功率都比较高，所以必须采用严格的工程措施来防止设备之间出现短路现象。陆地电力系统控制部分一般由数个独立的子系统组成，船舶电力系统则是一个高度集成，配合工作的电力网络。船舶电
22、力系统设计运行的最基本要求是安全，不发生人生事故；系统的设计要求可靠，可以对设备提供连续供电；电能优质，满足电气设备等一些配置对电压和频率的要求；经济，节省电能7。2.1.1 船舶电力系统的一般组成结构船舶电力系统通常情况下主要是由船用电源、船用配电装置、船用电力网与电气负载这四部分连接起来的整体。船舶电力系统包括电能的产生、输送、分派以及消耗等全部装置以及它们所形成的网络8。其结构简图如图2-1所示。G1M1M2G2G3M3M4MSBACB1MCCB1MCCB2MCCB3ISW1MCCB4MCCB5ACB2DSBTrISW2ACB3MCCB6MCCB7MCCB8DSB380/220VEISB
23、ESBETrMCCB EACB E380/220VMCCB9ISBIDSBRSBEDSBEG图2-1 船舶电力系统原理图 发电单元：电源能够将机械能或者化学能等一些其他形式的能转换为电能的装置称为电源。船上使用的电源装置一般是发电机组，有的也用蓄电池组。供船舶使用的发电机组可以是交流的也可以是直流的。一般船舶使用的发电机的原动机都采用柴油机，因为其热效率高，启动较快，机动性好。如果船舶主机为汽轮机，则其发电机的原动机一般也采用汽轮机。 配电单元：自动化电站配电装置所谓配电装置是承受和分派电能的装置，可以对电力系统进行控制、测量以及保护和调整功能的装置。配电装置包括各种转换和控制开关、互感器、连
24、接线路、保护设备、自动化装置等一些附属设备。配电装置按用途主要可分为，主配电板，控制监视主电站产生的电能，并对全船电网进行配电；应急配电板，控制监视应急电源产生的电能，并对应急电网进行配电；分配电箱，向成组的用电设备进行配电；还有充放电板，监视和控制充电设备。 输电单元：电力网电力网是整个船舶电力体系输电电缆和电线的总称。电力网连接着电源和负载，实现电能的传递和电能的处理。电力网通常由动力电网、照明电网、应急电网还有低压电网和弱电电网等组成。 用电单元：电气负载负载，即电气设备。它是可以将电能转变为其他形式的能量装配。船上有很多电气设备，主要有动力负载（如舱室机械和甲板机械）、用于照明的负载、
25、通信装置等。动力负载约占总用电量的70%。选择船舶电气设备要符合船用条件，下面给出一张船用条件的表格(表2-1)。表2-1 电气设备船用条件序号工作条件要求序号工作条件要求1周围温度-257倾斜，周期横倾22.5+452相对湿度95%长期横倾15（应急设备22.5）3凝露有长期纵倾104盐雾有8振动有5油雾有9冲击有6霉菌有2.1.2 船舶电力系统的运行工况及特点对船舶的航行进行分析，首先要了解船舶的经典工况，比如海洋远航、靠离岸边、装卸物品与进港停泊等。船舶电力系统的运行状态各不相同，则系统的负载变化也就有很多种。海上的气候变化大，而且没有规律，船舶电力系统在同一种工作状态下，不同的天气（风
26、平浪静的晴天或大风大浪的恶劣天气）电力系统运行起来的情况就不同，因此，船舶电力系统随时都有可能引发故障，故障的随机性非常强。船舶发电机工作时的运行工况根据船舶电力系统能量的管理可以分为发电机单机运行和双机并网运行还有多机并网运行。船舶电力系统的负荷运行可以分为船舶主推进电动机变负荷运行、平稳运行和不运行这三种情况，这是依据船舶在海洋上航行的所需条件和船舶电力系统所需的大负荷运行设备来分的。船舶电力系统的负荷运行工况还会伴随着不同的复杂交叉或者叠加运行的工况9。对于传统的由柴油机直接带动螺旋桨的非电力推进船舶，船舶扰动主要来自船上的空调、货仓的风机运行、船舶甲板大型机械设备的移动，机舱中一些电气
27、设备的启动或者停机，如服务泵等。对于依靠船舶自身存在的发电装置产生电能，驱动行驶的电力推进船舶，其电力系统快速负荷变化工况，要求船舶在海上环境不确定的情况下（风的大小方向不确定，水流大小方向不确定）可以定向、定速航行。在极端天气下，比如冬季，天气寒冷，水温低，海洋航行环境不可预测，水动力负荷的变化大，且毫无规律可言，这时船舶的一些工况会导致推进电动机的负荷大幅度变化，这就会造成船舶电力系统稳定性受到极大影响。再比如说，船舶进出港靠离岸边时，为保证船舶的机动性，会出现频繁的大功率推进电动机的启动和停止以及大功率推进电机的大幅度加减速，这些工况都使电力系统的稳定性受到较大影响，使系统进入了非线性状
28、态，暂态过程表现出明显的不稳定特征。依靠自身发电来驱动船舶的电力推进船舶，它的电力系统的运行工况很复杂，稳定性问题较难解决。尽管，船舶推进电力负荷的运行有一些控制配置进行保护，但由于天气、风力等其它不可预见的因素，船舶电力推进系统在海面上满负荷运行时，螺旋桨在水中的负荷会产生大的变化，从而使船舶电力系统的负荷产生较大变动，这将对船舶电力系统的稳定性造成巨大影响。电力推进船舶一般都是中压或者高压电力系统，因为电力系统的容量较大。其电力系统的特征主要有下面两点：其一，推进电动机的单机容量比发电机容量大，且效率高，噪声小，操作灵活。推进电动机系统一般不安装短路保护装置，并且也不可以采用常规的过载继电
29、保护，因为要保证船舶推进主动力永远存在，不可以随便消失。电力负载变化在电力推进船舶中必须由发电机组承担，大功率推进电动机的负荷出现不稳定会导致电力系统出现过载运行，严重影响电力系统的稳定性，系统在不同的负荷与干扰下表现出的周期、非周期、混沌的振荡现象也是不同的，各有特点，系统稳定性问题突出，属于重载电力系统；其二，船上空间有限，供电系统与电气设备距离近，电能发电端与受电端连接度高，电力推进船舶电力系统使用的电气设备与电力电子设备都是高功率，高密度的，船舶电气设备在机舱里工业环境恶劣，电磁耦合、电动机的磁滞特性、温度变化、震动变化、湿度变化、集肤效应等都会引起发电机、电动机的参数发生变化，电力推
30、进船舶的电力系统设备与设备之间的各种关系错综复杂，主要呈现非线性，是强非线性系统10。2.2电力系统稳定概念首先可以这样理解船舶电力系统稳定性，给它下一个定义：系统在正常运行条件都具备的情况下，可以达到工作的平衡状态，在受到外界扰动后能够自动恢复稳定，返回到允许的平衡状态。由于各系统的结构和模式千差万别，所以电力系统受到扰动出现不稳定的现象也大相近庭。我们要了解一个系统同步运行的程度，就要看它的同步稳定。在船舶中主要依靠同步发电机发出能量作为电力系统的电能，所以要想系统稳定，首先得减小同步发电机转子角和功角的影响，保证所有在网的同步发电机同期。除了这一点还有很多原因都会影响电力系统的稳定，如同
31、步发电机向电动机负荷供电时，负荷电压崩溃会使系统失去稳定。所以我们也要加强电压的稳定与控制。对电力系统好坏的评价主要是看系统受到各种扰动后系统的动态性能能否控制在稳定范围内。随着电气负荷的变化，扰动也会变化，电力系统必须不断做出调整来适应变化；当有大负荷投入运行时会对系统的稳定性形成冲击，系统必须有能力在这些扰动下较稳定的运行。当系统面对一些特别严重的扰动时，如电网突然短路，失去一台发电机时，系统也要能保持运行。许多设备都会对电力系统稳定性造成影响，对电力推进船舶来说船舶推进电动机是非常重要的，如果推进器负荷出现较大变化，那么就会对电力系统稳定性造成巨大冲击。此外还有电压的变化，转速的变化，负
32、荷的变化，频率的变化，都会对电力系统产生不同程度的影响11。2.2.1 电压稳定与电压崩溃一般情况下电压稳定就是指系统在规定的额定运行条件下运行时或系统受到扰动后，系统中所有母线都长时间的保持可承受的电压波动的能力。当一些因素造成了系统电压渐进或不可控的降落时，如负荷的增加等，那么系统就出现了电压不稳定。无功功率是导致电压不稳定的主要原因，当然有功功率对电压稳定也有影响。判断电压稳定的标准是：在正常的运行条件下，当电力系统母线电压的幅值随着母线中无功功率的增加而增加时，则电压稳定；当母线电压幅值随着母线中无功功率的增加而降低时，则电压为不稳定12。船舶电力系统电压不稳定对用电设备也会造成一定影
33、响，如电压下降会造成单鼠笼电动机不能启动。电动机起动时力矩不够就会延长起动时间，假如电动机不转动，电流则会变大，导致电动机发热，若保护装置拒动就会烧坏电动机。与电压不稳定相比，电压崩溃就复杂和严重了。电压崩溃伴随着电压不稳定而致使整个系统低电压，最终使船舶电网失去全船性的电压。2.2.2 转子角稳定转子角稳定衡量的是船舶电力系统中并联的同步发电机之间保持同步的水平，转子角稳定问题包括了机电振荡，其产生的影响与同步发电机的转子摇摆变动影响其输出功率有联系。因此，转子角的稳定与同步发电机及其控制的特性密切相关。2.2.3 频率稳定参数往往反映了系统的品质，要了解船舶电力系统的品质就要看它的频率参数
34、，船舶在茫茫大海上航行时，电力系统的频率波动范围是比较大的。船舶发电机的转速对船舶电网频率有着直接的影响，因此，要使频率稳定，转速也得稳定。在系统控制要求高时，要考虑频率控制对于发电机电压控制的耦合作用。一般情况下频率稳定就是指系统在规定的额定运行条件下运行时或系统受到扰动后，系统中所有母线都长时间的保持可承受的频率变化的能力，与专制角稳定也有关系。当一些干扰造成了频率渐进或不可控的降落时，频率就会不稳定。造成不稳定的主要因素是系统不能满足有功功率控制的要求。2.3 船舶电力系统稳定的分类任何问题想要简单的研究它都是不实际的，电力系统稳定性看似一个独立的问题，其实却有多种形式并且受到许多因素的
35、影响。对船舶电力系统稳定进行合理适当的分类是有必要的，这样才能更方便细致的对船舶电力系统稳定性进行分析和研究，才能更准确的对造成电力系统不稳定的因素进行识别，从而找到改善系统的方法，使系统稳定。下面给出电力系统的稳定性分类框图(2-2)：电力系统稳定转子角稳定频率稳定电压稳定小信号扰动角度稳定大扰动电压稳定小扰动电压稳定短期短期短期短期长期暂态稳定 图2-2： 电力系统稳定性的分类框图 由于类型繁多，分类时很难有一个明确的界限，因此类别之间会有一些小重叠。比如图中小信号稳定和暂态稳定概念的边界就存在一定的重叠；短期稳定、长期稳定与电压稳定概念的边界也存在一定的重叠。但只要抓住各个类型的主要特征
36、，确定电力系统稳定的类型对于设计有效的控制方法具有重要的指导意义13。2.4 船舶电力系统稳定性控制技术2.4.1 传统的稳定性控制方法传统的稳定性控制方法是用电力系统稳定器进行控制。电力系统稳定器（pps）的原理是古典控制理论，这一原理来源于建立数学模型，是数学函数分析。古典控制针对系统的不同角度采用不同的方法进行分析。然后在分析的基础上提出系统稳定的判据。最后根据期望的性能指标加入设计的控制器，调整模型参数，校正系统。电力系统稳定器（pps）的本质是采取附加励磁技术,目的是用来克服低频振荡的束缚。电力系统稳定器可以在励磁电压调节器中引入一个超出轴速度的另外的信号，即附加信号，那么就会产生一
37、个为正值的阻尼转矩，也就是正阻尼转矩系数，这个为正的阻尼转矩可以用来克服原本励磁电压调节器中产生的为负值的阻尼转矩。从而就能够提高供电系统阻尼问题，那么低频振荡的问题也可以引刃而解，因此提高电力系统动态稳定性的一个有效方法就是使用电力系统稳定器（pps）。电力系统稳定器可以选取和低频振荡有关的信号，比如发电机的有功功率、发电机的转速频率等等一些信号，在原信号基础上加以改进作为附加信号，送到励磁调节器中去，产生阻尼低频振荡的附加力矩。在古典控制理论基础上的电力系统图稳定器也是有一定缺点的，如它只能反映输入变量与输出变量之间的关系，而系统内部变量之间的变化情况它却不可以反映出来。随着生产力的发展，
38、由于古典控制电力系统稳定器的局限性，很多问题已经没有办法解决，这就催生了现代控制理论。2.4.2 现代稳定性控制方法现代控制理论和传统的古典控制理论相比首先从数学模型上给与突破。突出了系统内部的变量关系。给出基于线性代数的系统的状态方程和输出方程。状态方程和输出方程结合起来构成状态空间表达式，即现代控制理论的数学模型。添加了内部变量之后，控制算法的设计就可以使用状态空间概念，这样提高了对系统稳定性的控制质量和限制能力，实现了控制理论受限的最优控制。面对更加复杂的电能变换控制可以清晰的通过方程分析出来。提高了系统在大的扰动下的稳定性能和动态效果。在不增加甚至还可以减少传感器数量的情况下，可以对系
39、统变量实施更加全面的测量控制。这也是以后新一代高质量电能变换测量控制的发展方向15。2.5本章小结 本章首先对船舶电力系统的组成、特点以及一般的运行工况做了介绍，对船舶电力系统的结构、特点有了一个大致的了解。接着介绍了船舶电力系统稳定性的概念和船舶电力系统稳定的分类。然后分别介绍了传统稳定性控制方法和现代稳定性控制方法。为下面研究船舶电力系统模型打下一些理论基础。第三章 船舶电力系统两机并联型非线性数学模型3.1 船舶电力系统建模一般情况下，对船舶电力系统进行建模时，我们假设系统是理想电机系统：电机磁铁部分的磁导率，不考虑其磁滞，但可以考虑一定的磁饱和，并且不考虑涡流与磁滞效应，将其看为常数。
40、若建立坐标，电机转子在结构上相对横纵坐标是完全对称的。定子有三个绕组，结构相同，空间位置互差120，绕组在气隙中产生正弦磁动势。定子、转子的电感不受其他影响17。3.1.1 同步发电机电气结构对船舶电力系统进行建模，最重要的就是同步发电机的数学模型。通常情况，我们用不同阶数的数学模型来描述同步发电机的电气部分。同步发电机的结构中最重要是磁场和电枢两块。在绕组中通入直流电形成磁场。这个磁场可以在电枢绕组中感应出交流电动势。N极磁场的中心交直轴，我们也称d轴。交轴，又称q轴，超前直轴90度。在有发电机助推系统的船舶中，当电能的输入或输出存在逆转时，船舶的推进电动机就是同步电机。3.1.2 同步发电
41、机的绕组分配同步发电机的定子回路包括三相电枢绕组，同步发电机的转子回路包括磁场绕组和阻尼绕组，励磁绕组接直流电源。图3-1给出了定子和转子的绕组电路图。直流电源与磁场绕组相连接。假设阻尼绕组中的电流在一个磁链与d轴磁场同轴的闭合回路和一个磁链与q轴磁场同轴的闭合回路中流通。这时，我们用a，b，c表示定子三相绕组；磁场绕组用下标为fd；直轴绕组用下标为kd；交轴绕组下标为kq；k为阻尼绕组数。是a相滞后d轴的角度18。为了研究方便，同步发电机建模时通常做以下假设：定子绕组沿气隙是正弦分布的。转子电感不会在定子槽的影响下随转子位置改变。忽略磁滞影响和磁饱和影响。旋转方向电角速度（rad/s）d相轴
42、a相轴q相轴ikdikqifdefd转子图iciaibbaceaebec定子图 图3-1 同步发电机定子和转子绕组的电路图3.2 船舶电力系统两机并联型非线性数学模型的建立电能是不能被大量存储的，船舶电力系统生产出来的电能只能消耗掉，不可存储，其机械过程的时间常数和电磁过程的时间常数存在很大差距，是一个多自由度的系统，另外船舶电力系统的非线性和非自治性都很强。从理论方面来说，船舶电力系统中的一些特殊器件的动态特性都可以用微分方程的形式来表示，如发电装置，调速器，还有励磁调节器等。除此之外，船舶电力系统会受到一些代数方程的限制，如负荷特性和潮流方程等。船舶在航行时一般都需要两台发电机组一起在网运
43、行来保证电力系统的电能提供，即使在电网处于轻载的情况下。这样一方面为船舶的用电设备，尤其是一些重要设备提供安全、可靠、连续的供电。另一方面也使电力系统发电机组的工作效率有所提高。下面举例说明，在船舶进出港、停泊或行驶于狭水道等状态时，需要两台发电机组同时在网，保证航行的安全；又如船舶的备车状态，这时发电机处于轻载运行，大的电气设备还没有投入运行，这时也需要两台发电机组在网运行。如果出现多台发电机组在网轻载运行的情况，也可以等效为两台发电机组供电运行。轻载的情况会对船舶电力系统造成影响，会使电力系统的周期出现振荡，影响其稳定性，严重时甚至会使电力系统崩溃瓦解。假如船舶正行驶在无边的大海上，电力系
44、统突然瓦解，后果是不堪设想的，所以进行船舶电力系统两机并联的研究具有深刻的意义。研究人员得出结论，船舶电力系统两台发电机之间有功率的传输，若这时系统受到一定量的周期性负荷扰动的影响，就会出现船舶电力系统的混沌现象。当船舶电力系统双机并联运行时，发电机就形成了互联系统，双机并联基本供电网络结构如图3-2所示。这是一幅电力系统等效结构图。负载P、Qxrrx图3-2： 船舶电力系统两机并联时的模型 图中和是系统中并联的两台发电机的电势，及是两台发电机的同步电抗，和是线路电阻和电抗。由于船舶电力系统自身的特点，线路较短，所以线路电阻也就小了，我们常常忽略不计，和都是系统负载。图3-2所画的船舶电力系统
45、是没有变压器的船舶电力系统19。现代船舶上使用的船舶电力系统一般情况都是同型号的发电机，我们先把两台发电机的相对功角和相对功角速度表示出来，分别是，。两机并联型船舶电力系统具有以下形式20，描述如下（式3-1）所示： （3-1） 模型中，表示等值转动惯量，表示等值阻尼系数，表示建立起来的系统的输出电磁功率，表示发电机输入机械功率。是为了研究而引入的电磁扰动，这里面扰动幅值是用来表示的，是扰动频率。对上面的模型进行一些变换，令，将式（3-1）进行简化得 （3-2） 式（3-2）中，,，。式（3-2）就是两台发电机并联时存在电磁功率扰动的模型。系统状态量是由变换得到的，它的物理意义是两台发电机的功角差；系统状态量是由变换得到的，它的物理意义是两台发电机的功角差相对速度22。 由上面的建模可以看出：两机并联型电力系统是典型的非线性系统。发电机互联电力系统很有肯能出现混沌现象。可以看出在系统发电机电磁
