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船舶多模式电站与船舶电网电能质量研究

作　者: 许晓彦
导　师: ??
学　校: 上海海事大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 船舶多模式电站船舶电网电能质量参数测量混合滤波与功率因数校正电路
分类号: U665.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

发展高性能船舶制造业的一个重要目标是提高船舶运行安全性的同时提高能源利用率。而作为船舶系统中一个重要组成部分的船舶电力系统与船舶的各个系统均关系密切，并直接影响着船舶运行的安全性与经济性。船舶电站和船舶电网是船舶电力系统运行的节能与提高可靠性的两个环节。本文的重点为针对船舶电力系统的两个组成部分—电站部分和电网部分—分别进行了节能和提高系统运行可靠性两个方面的研究。提出了采用船舶多模式电站进行供电，并采用一种混合有源滤波与功率因数校正电路用于船舶电网以改善电能质量的方法。根据仿真试验结果，船舶电力系统采用上述方法在降低能源消耗和提高系统运行可靠性方面取得了不错的效果。本文共分六章。第一章为绪论，阐述了本论文研究的意义、相应研究方向的研究现状，并介绍了本论文的主要工作。第二章首先介绍了船舶电力系统的组成，从节能和提高供电可靠性两个方面对常规船舶电站的设计进行了分析，并分析了出于节能和提高系统可靠性为目的的船舶电站的各种控制方案。重点为对船舶多模式电站—即船舶电站采用辅助柴油发电机组发电，主机废气透平发电机组发电和晶闸管轴带发电机组发电方式的联合运行—进行分析研究。对上述三种发电系统建立了相应的数学模型，特别地，针对主机废气透平发电机组负载变化时的动态运行特性建立了发电机转速控制的数学模型，以及分别针对晶闸管轴带发电机组在正常供电过程中励磁电流调节的动态运行特性和过渡过程中逆变角调节的动态运行特性建立了相应的数学模型。仿真实验结果说明了所建立的相应数学模型是符合实际的。然后对该三种发电系统之间的联合运行从节能，供电可靠性和动力装置可靠性方面进行了研究。结果表明，采用船舶辅助柴油发电机组，晶闸管轴带发电机组和主机废气透平发电机组组成的船舶多模式电站，在运行时可以有效地节约能耗，同时也因这三种发电系统可互为备用而提高了不间断供电的可能性，以及因晶闸管轴带发电机的可逆运行而提高了船舶在主机故障状态下的安全性。在造船界的应用前景较为乐观。第三章首先介绍了通用电网的电能质量标准，以及电能质量参数的检测技术和滤波与功率因数校正技术的发展状况。然后从谐波和功率因数的概念，频域范畴的傅里叶分析与小波分析法以及时域范畴的基于瞬时无功功率理论的分析法，介绍了电能质量分析的理论基础。同时，从脉冲控制法的级联型多电平逆变电路的发展和滤波方法中的有源滤波器的发展二个方面介绍了电能质量改善的理论基础。最后介绍了船舶电网的电能质量标准及其滤波与功率因数校正技术的主要问题。第四章首先在Matlab环境下设计了一个并联有源滤波系统模型进行仿真实验，分别对电源侧和负载侧的电流波形和频谱进行了分析。然后对比分析了集总式处理结构和分布式处理结构在船舶电网电能质量参数测量系统的适用性。并设计了一种适用于船舶电网的电能质量实时参数测量系统。该系统采用数字信号处理(DSP)芯片，配以相应的外围电路，完成交流电信号的数据采样、处理、存储和显示。所设计的测量系统在模拟抗混叠滤波的硬件电路基础上结合FIR数字滤波的方法，避免了被测信号频谱混叠现象的发生，减少由单纯模拟滤波器的非平直通带特性带来的测量误差。同时进行了硬件的抗干扰设计，并根据检测装置的结构和所采用的采样方法，对于可能产生的测量误差进行了定性分析。最后设计了一个并联有源滤波器的物理仿真实验平台：采用一个带阻感性负载的三相桥式全控整流电路形成一个非线性负载模型来模拟船舶电网负载，采用变压器相应设置了一个独立小容量电网。根据在线仿真实验结果，在对畸变的负载侧电流进行谐波抑制后，电网侧相电流已接近正弦波，说明所设计的并联有源滤波器能有效地进行滤波。第五章在设计谐波抑制系统的过程中，研究了无源滤波器的参数计算法，串联有源滤波器和有源功率因数校正电路控制系统的设计。并分别针对无源滤波器，串联有源滤波器，有源功率因数校正电路建立了仿真模型以分析其运行特性。本章的重点为设计了一种混合有源滤波与功率因数校正电路，这是基于使电网参数的无功功率和畸变功率两个参量最小化，从而达到使总功率因数最大化的目标。该电路的设计将主动式解决问题的方法和被动式解决问题的方法结合在一起，互相补充，共同担负起抑制谐波和提高功率因数的任务，从而在快速性和准确性方面满足船舶电网的要求。另外，文中还提出了二种该电路的简化结构形式，选取了其中较为简化而又可靠的一种电路运行仿真研究。仿真研究结果证明该电路在改善船舶电网电能质量方面的效果较理想。第六章为全文总结。本文的主要创新包括以下几个方面：(1)对船舶三种发电机组成的多模式电站进行了数学建模与仿真实验，并对其在节能、运行可靠性及船舶运行安全性方面进行了研究。从而将船舶上三种不同原动机的发电机在联合运行中统一了起来，并根据负荷的变化及主机转速的变化来分配多种形式发电机所承担负荷的份额。这一理论在上海海事大学仿真技术研究所向广州航海高等专科学校和江苏科技大学推广应用的多模式船舶电站模拟器和轮机模拟器中得到了实践检验。(2)为改善船舶电网谐波畸变与低功率因数，开展了滤波与功率因数校正研究，首次提出了一套可行的技术路线。即提出了与现有滤波电路不同的，串并联相结合的混合型电路。由于电流谐波对船舶的节能与可靠性影响较大，而以往对电流谐波分析较少(以往对电压源一般为分析电压谐波)，故本文在理论上着重分析了电流谐波的生成与影响。而本文新提出的这种混合型滤波与功率因数校正系统，被证明相比于现有的纯并联系统在滤波性能上有一定提高。(3)在实验室里设计并开发了一个船舶电网电能质量测量与滤波的物理仿真试验平台。试验结果表明，其不仅具有良好的抗混叠效果，并能在快速性和准确性方面满足船舶电网的要求。

全文目录

中文摘要  3-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-19
  1.1 本课题研究意义  13-15
  1.2 船舶多模式电站研究的技术现状  15-16
  1.3 电网电能质量研究的技术现状  16-17
  1.4 船舶电网电能质量研究的技术现状  17
  1.5 本论文的主要工作  17-19
第二章船舶电站节能与提高运行可靠性研究  19-45
  2.1 船舶电力系统的组成  19
  2.2 常规船舶电站的节能与提高可靠性设计  19-25
    2.2.1 船舶电站容量的确定与发电机台数的选择  19-22
    2.2.2 船舶电站的节能运行  22-24
    2.2.3 提高船舶电站运行可靠性的方法  24-25
  2.3 船舶电站联合发电方式运行研究  25-43
    2.3.1 船舶辅助柴油发电机组的建模  26-30
    2.3.2 主机废气透平发电机组的建模  30-33
    2.3.3 可控硅轴带发电机组的建模  33-38
    2.3.4 联合发电方式运行研究  38-43
  2.4 小结  43-45
第三章滤波与功率因数校正的理论基础及其在船舶电网的应用特点  45-70
  3.1 电网滤波与功率因数校正技术的发展  45-51
    3.1.1 电能质量标准  45-47
    3.1.2 电能质量参数的检测技术  47-48
    3.1.3 滤波与功率因数校正技术  48-51
  3.2 电能质量分析的理论基础  51-58
    3.2.1 谐波和功率因数的概念  51-53
    3.2.2 傅里叶分析与小波分析  53-56
    3.2.3 瞬时无功功率理论  56-58
  3.3 电能质量改善的理论基础  58-67
    3.3.1 级联型多电平逆变电路  59-63
    3.3.2 滤波和功率因数校正电路  63-67
  3.4 船舶电网滤波与功率因数校正的主要问题  67-69
    3.4.1 船舶电网电能质量标准  67
    3.4.2 船舶电网滤波与功率因数校正的关键技术  67-69
  3.5 小结  69-70
第四章船舶电网有源滤波系统物理仿真研究  70-95
  4.1 并联有源滤波系统在MATLAB环境下的仿真研究  70-73
  4.2 船舶电网电能质量实时参数测量系统设计  73-90
  4.3 并联有源滤波系统的物理仿真研究  90-94
  4.4 小结  94-95
第五章船舶电网有源滤波与功率因数校正混合电路研究  95-118
  5.1 研究背景  95-97
  5.2 串联混合型有源滤波器(SAPF/PF)仿真研究  97-108
    5.2.1 无源滤波器(PF)  97-98
    5.2.2 PF的设计  98-101
    5.2.3 串联有源滤波器(SAPF)  101-103
    5.2.4 串联混合型APF的仿真研究  103-108
  5.3 有源功率因数校正电路(APFCC)的设计与仿真模型的建立  108-112
    5.3.1 APFCC的基本原理  108-109
    5.3.2 APFCC系统设计  109
    5.3.3 基于瞬时值比较方式的电流跟踪控制  109-111
    5.3.4 APFCC的控制方法  111
    5.3.5 APFCC仿真模型的建立  111-112
  5.4 串联混合型APF与APFCC系统的仿真研究  112-116
    5.4.1 串联混合型APF与APFCC系统设计  112-113
    5.4.2 串联混合型APF与APFCC系统仿真模型的建立  113-114
    5.4.3 串联混合型APF与APFCC系统仿真结果分析  114-116
  5.5 小结  116-118
第六章总结  118-120
  6.1 论文主要工作和创新之处  118-119
  6.2 后继工作展望  119-120
致谢  120-121
参考文献  121-131
附录一作者在攻读博士学位期间完成的论文  131-132
附录二作者在攻读博士学位期间承担的科研项目  132

船舶多模式电站与船舶电网电能质量研究

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