CN106934174A - 一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其包含以下步骤：S1、根据永磁同步电机的q轴电流、轴速度以及直流电机的负载转矩之间的传递关系建立永磁同步电机模型；S2、根据直流电机的整流器相位延迟、负载转矩以及永磁同步电机的轴速度之间的传递关系建立直流电机模型；S3、根据永磁同步电机的轴速度与直流电机的负载转矩之间的输入输出关系将永磁同步电机模型与直流电机模型结合，得到实验平台系统动态模型；S4、简化实验平台系统动态模型，获得简化后的系统环路增益；S5、对简化后的系统环路增益进行稳定性分析。其优点是：通过该动态模型可以实现对电力推进船舶不同的运行工况进行稳定性分析。

Description

一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法

技术领域

本发明涉及电力推进船舶技术领域，具体涉及一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法。

背景技术

伴随着全球经济的不断发展，能源消耗和环境污染问题也日趋严重，更多的国家和地区越来越重视对节能和环保并行的混合动力电力推进船舶的设计与研发。混合动力电力推进船舶结合了燃油类船舶和电动类船舶的优势，既拥有了电动船舶具备的节能与环保的特点，可降低油耗和排放，又继承了传统燃油船舶续航里程长以及动力性能的优点，成为如今最具应用前景的新能源船舶。

目前，电力推进船舶尤其是船舶综合电力推进系统已经成为国内外造船界和科研单位的研究热点。船舶综合电力推进系统是将推进系统和船上用电系统综合到单个电力系统中，代表着当今船舶动力的发展方向。电力推进控制是船舶电力推进系统的关键技术，其性能的好坏关系到船舶设备管理和安全运行。

开展对电力推进实验平台的仿真研究对揭示系统内在的运行规律，积累经验数据，并指导实际系统的设计及性能优化具有重要意义。但是，针对电力推进船舶实验平台动态建模及稳定性分析的相关研究较少。而在电力推进船舶实验平台建立小信号动态模型时最大的难点就是在同轴上的两个电机(推进电机、负载电机)之间建立相互的联系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，通过该动态模型可以实现对电力推进船舶不同的运行工况进行稳定性分析，对电力推进船舶实验平台的稳定运行、揭示系统内在的运行规律、积累经验数据以及指导实际系统的设计及性能优化具有重要意义。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，所述实验平台包含上位机、推进控制器、负载控制器、同轴连接的推进电机和负载电机、以及测定推进电机和负载电机之间轴扭矩的扭矩传感器，其特征是：所述的推进电机采用永磁同步电机，所述负载电机采用直流电机，上位机通过CAN总线发送包含模拟参数转矩、转速的负载特性曲线给永磁同步电机控制器，同时通过直流电机控制器获得真实的负载转矩以及负载转速，扭矩传感器将推进电机和负载电机之间的轴扭矩传给上位机；所述的建模及稳定性分析方法包含以下步骤：

S1、根据永磁同步电机的q轴电流、轴速度以及直流电机的负载转矩之间的传递关系建立永磁同步电机模型；

S2、根据直流电机的整流器相位延迟、负载转矩以及永磁同步电机的轴速度之间的传递关系建立直流电机模型；

S3、根据永磁同步电机的轴速度与直流电机的负载转矩之间的输入输出关系将永磁同步电机模型与直流电机模型结合，得到实验平台系统动态模型；

S4、简化实验平台系统动态模型，获得简化后的系统环路增益；

S5、对简化后的系统环路增益进行稳定性分析。

上述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其中，所述步骤S1具体包含：

S11、建立永磁同步电机q轴电流i到永磁同步电机轴速度ω的传递函数：

式中，P为电机极对数，λ_m为励磁磁通，L_s为励磁电感，r_s为定子电阻，K_p、K_i分别为直流电机模型传递函数中的比例、积分系数，J为转动惯量；

S12、建立直流电机的负载转矩T到永磁同步电机的轴速度ω的传递函数：

S13、结合步骤S11和步骤S12的传递函数结果建立永磁同步电机模型。

上述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其中，所述步骤S2具体包含：

S21、建立直流电机的整流器相位延迟α到直流电机的负载转矩T的传递函数：

式中，V_d0为理想空载整流电压平均值，γ为线圈节距所对应的电角度，r_a为定子电阻，L_AA为励磁电感；

S22、建立永磁同步电机的轴转速ω到直流电机的负载转矩T的传递函数：

式中，K_ν为比例系数；

S23、结合步骤S21和步骤S22的传递函数结果建立直流电机模型。

上述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其中，所述的步骤S3具体包含：

S31、根据轴转速ω是永磁同步电机的输出同时也是直流电机的输入，负载转矩T是直流电机的输入同时也是永磁同步电机的输出，建立实验平台系统闭环需求力矩T*到负载转矩T的传递函数：

式中，需求力矩T*根据负载特性曲线获得；

S32、根据轴转速ω是永磁同步电机的输出同时也是直流电机的输入，负载转矩T是直流电机的输入同时也是永磁同步电机的输出，建立实验平台系统闭环轴转速ω到负载转矩T的传递函数：

S33、结合永磁同步电机模型与直流电机模型，建立整个实验平台系统动态模型。

上述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其中，所述步骤S4中简化后的系统环路增益为：

式中，K_pw为、K_iw分别为永磁同步电机模型传递函数中的比例、积分系数。

上述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其中，所述步骤S5具体包含：

使用经典方法奈奎斯特稳定性判据或根轨迹法，对环路增益在不同工况时系统的稳定性进行分析。

本发明与现有技术相比具有以下优点：分别建立永磁同步电机模型、直流电机模型，然后再简化二者整合后的系统模型，并对系统模型稳定性进行分析。通过该动态模型可以实现对电力推进船舶不同的运行工况进行稳定性分析，对电力推进船舶实验平台的稳定运行、揭示系统内在的运行规律、积累经验数据以及指导实际系统的设计及性能优化具有重要意义。

附图说明

图1为本发明中电力推进船舶实验平台的结构图；

图2为本发明的方法流程图；

图3为本发明中永磁同步电机的动态模型；

图4为本发明中直流电机的动态模型；

图5为本发明中整个实验平台系统的动态模型；

图6为本发明中整个实验平台系统简化后的动态模型；

图7为本发明实施例中永磁同步电机输出功率为7KW时的Nyquist图；

图8为本发明的施例中永磁同步电机输出功率为7KW时系统对速度阶跃变化的响应。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明提出了一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，如图1所示，所述实验平台包含上位机、推进控制器、负载控制器、同轴连接的推进电机1和负载电机2、以及测定推进电机1和负载电机2之间轴扭矩的扭矩传感器，本发明是基于推进电机采用永磁同步电机、负载电机采用直流电机的条件下完成的，上位机通过CAN总线发送包含模拟参数转矩、转速的负载特性曲线给永磁同步电机控制器，同时通过直流电机控制器获得真实的负载转矩以及负载转速，扭矩传感器将推进电机1和负载电机2之间的轴扭矩传给上位机。

如图2所示，本发明的建模及稳定性分析方法包含以下步骤：

S1、根据永磁同步电机的q轴电流、轴速度以及直流电机的负载转矩之间的传递关系建立永磁同步电机模型；

S2、根据直流电机的整流器相位延迟、负载转矩以及永磁同步电机的轴速度之间的传递关系建立直流电机模型；

S3、根据永磁同步电机的轴速度与直流电机的负载转矩之间的输入输出关系将永磁同步电机模型与直流电机模型结合，得到实验平台系统动态模型；

S4、简化实验平台系统动态模型，获得简化后的系统环路增益；

S5、对简化后的系统环路增益进行稳定性分析。

实施例一

实验平台系统主要由推进电机、负载电机这两个电机驱动系统构成，推进电机采用永磁同步电机，额定功率15KW，负载电机采用直流电机，额定功率也为15KW。上位机通过CAN总线发送电力推进船舶的负载特性曲线(模拟参数转矩、转速)给永磁同步电机控制器，同时通过直流电机控制器获得真实的负载转矩、转速。两电机之间轴扭矩通过扭矩传感器传给上位机。

所述步骤S1建立永磁同步电机模型的具体过程包含：

S11、永磁同步电机由具有闭环交叉耦合补偿速度控制策略的三相逆变器驱动，建立永磁同步电机q轴电流i到永磁同步电机轴速度ω的传递函数：

式中，P为电机极对数，λ_m为励磁磁通，L_s为励磁电感，r_s为定子电阻，K_p、K_i分别为直流电机模型传递函数中的比例、积分系数，J为转动惯量；本实施例中，P＝3，λ_m＝0.8Wb，L_s＝33mH，r_s＝2.9Ω，J＝0.011kg·m²；

S12、直流电机具有相应的控制策略，可以是直接转矩控制策略(DTC)或其他，建立直流电机的负载转矩T到永磁同步电机的轴速度ω的传递函数：

S13、结合步骤S11和步骤S12的传递函数结果建立永磁同步电机模型，最终建立出的模型如图3所示，其传递函数为：

式中，ω_rm(s)是永磁同步电机转速(由推进电机控制器得到)，T_e是直流电机实际转矩(由扭矩传感器得到)，ω^* _rm是需求转速(由负载特性曲线得到)。

所述步骤S2的建立直流电机模型的具体过程包含：

S21、建立直流电机的整流器相位延迟α到直流电机的负载转矩T的传递函数：

式中，V_d0为理想空载整流电压平均值，γ为线圈节距所对应的电角度，r_a为定子电阻，L_AA为励磁电感；

S22、建立永磁同步电机的轴转速ω到直流电机的负载转矩T的传递函数：

式中，K_ν为比例系数；

S23、结合步骤S21和步骤S22的传递函数结果建立直流电机模型，最终建立出的模型如图4所示，其传递函数为：

式中，T^* _e是需求转矩(由负载特性曲线得到)，T_e是直流电机实际转矩(由扭矩传感器得到)。

所述的步骤S3建立系统模型的具体过程包含：

S31、根据轴转速ω是永磁同步电机的输出同时也是直流电机的输入，负载转矩T是直流电机的输入同时也是永磁同步电机的输出，建立实验平台系统闭环需求力矩T^*到负载转矩T的传递函数：

式中，需求力矩T^*根据负载特性曲线获得；

S32、根据轴转速ω是永磁同步电机的输出同时也是直流电机的输入，负载转矩T是直流电机的输入同时也是永磁同步电机的输出，建立实验平台系统闭环轴转速ω到负载转矩T的传递函数：

S33、结合永磁同步电机模型与直流电机模型，建立整个实验平台系统动态模型，最终模型如图5所示。

所述步骤S4中简化后的系统模型如图6所示，系统的稳定性主要取决于简化后的系统模型环路增益，建立简化后的系统模型环路增益：

式中，K_pw为、K_iw分别为永磁同步电机模型传递函数中的比例、积分系数。

所述步骤S5的稳定性分析过程具体包含：

使用经典方法奈奎斯特(Nyquist)稳定性判据或根轨迹法，对环路增益在不同工况时系统的稳定性进行分析。具体的，本实施例中，实验平台系统的稳定性通过使用经典方法奈奎斯特(Nyquist)稳定性判据方法，对环路增益在永磁同步电机输出功率为7KW时系统的稳定性进行分析。图7是本发明永磁同步电机输出功率为7KW时的奈奎斯特图，图8是本发明永磁同步电机输出功率为7KW时系统对速度阶跃变化的响应，图中直线表示永磁同步电机的需求转速，曲线表示永磁同步电机的实际转速。由奈奎斯特图知，系统有足够的相位裕度，可证明其是稳定的。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，所述实验平台包含上位机、推进控制器、负载控制器、同轴连接的推进电机和负载电机、以及测定推进电机和负载电机之间轴扭矩的扭矩传感器，其特征在于：所述的推进电机采用永磁同步电机，所述负载电机采用直流电机，上位机通过CAN总线发送包含模拟参数转矩、转速的负载特性曲线给永磁同步电机控制器，同时通过直流电机控制器获得真实的负载转矩以及负载转速，扭矩传感器将推进电机和负载电机之间的轴扭矩传给上位机；所述的建模及稳定性分析方法包含以下步骤：

S1、根据永磁同步电机的q轴电流、轴速度以及直流电机的负载转矩之间的传递关系建立永磁同步电机模型；

S2、根据直流电机的整流器相位延迟、负载转矩以及永磁同步电机的轴速度之间的传递关系建立直流电机模型；

S3、根据永磁同步电机的轴速度与直流电机的负载转矩之间的输入输出关系将永磁同步电机模型与直流电机模型结合，得到实验平台系统动态模型；

S4、简化实验平台系统动态模型，获得简化后的系统环路增益；

S5、对简化后的系统环路增益进行稳定性分析。

2.如权利要求1所述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体包含：

S11、建立永磁同步电机q轴电流i到永磁同步电机轴速度ω的传递函数：

$G_{\mathrm{\ω}i}\left(s\right)=\frac{3{\mathrm{P\λ}}_m^{\′}(K_{p}S+K_i)}{4{\mathrm{JL}}_{s}S(S^2+\frac{K_p+r_s}{L_s}S+\frac{K_i}{L_s})}$

式中，P为电机极对数，λ_m为励磁磁通，L_s为励磁电感，r_s为定子电阻，K_p、K_i分别为直流电机模型传递函数中的比例、积分系数，J为转动惯量；

S12、建立直流电机的负载转矩T到永磁同步电机的轴速度ω的传递函数：

$G_{\mathrm{\ω}T}\left(s\right)=-\frac{1}{JS};$

S13、结合步骤S11和步骤S12的传递函数结果建立永磁同步电机模型。

3.如权利要求2所述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S2具体包含：

S21、建立直流电机的整流器相位延迟α到直流电机的负载转矩T的传递函数：

$G_{T\mathrm{\α}}\left(s\right)=\frac{\frac{V_{d0}}{L_{AA}}sin\left(\mathrm{\γ}\right)}{S+\frac{r_a}{L_{AA}}}$

式中，V_d0为理想空载整流电压平均值，γ为线圈节距所对应的电角度，r_a为定子电阻，L_AA为励磁电感；

S22、建立永磁同步电机的轴转速ω到直流电机的负载转矩T的传递函数：

$G_{T\mathrm{\ω}}\left(s\right)=\frac{\frac{K_{\mathrm{\ν}}}{L_{AA}}}{S+\frac{r_a}{L_{AA}}}$

式中，K_ν为比例系数；

S23、结合步骤S21和步骤S22的传递函数结果建立直流电机模型。

4.如权利要求3所述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其特征在于，所述的步骤S3具体包含：

S31、根据轴转速ω是永磁同步电机的输出同时也是直流电机的输入，负载转矩T是直流电机的输入同时也是永磁同步电机的输出，建立实验平台系统闭环需求力矩T^*到负载转矩T的传递函数：

$G_{{\mathrm{TT}}^{*}}\left(s\right)=\frac{\left(\frac{1}{k_{\mathrm{\ν}}}\right)(K_p+\frac{K_i}{S})\frac{V_{d0}}{L_{AA}}sin\left(\mathrm{\γ}\right)}{(S+\frac{r_a}{L_{AA}})+(K_p+\frac{K_i}{S})\frac{V_{d0}}{L_{AA}}sin\left(\mathrm{\γ}\right)}$

式中，需求力矩T^*根据负载特性曲线获得；

S32、根据轴转速ω是永磁同步电机的输出同时也是直流电机的输入，负载转矩T是直流电机的输入同时也是永磁同步电机的输出，建立实验平台系统闭环轴转速ω到负载转矩T的传递函数：

$G_{T\mathrm{\ω}CL}\left(s\right)=\frac{\frac{k_{\mathrm{\ν}}}{L_{AA}}}{(S+\frac{r_a}{L_{AA}})+(K_p+\frac{K_i}{S})\frac{V_{d0}}{L_{AA}}sin\left(\mathrm{\γ}\right)};$

S33、结合永磁同步电机模型与直流电机模型，建立整个实验平台系统动态模型。

5.如权利要求1所述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S4中简化后的系统环路增益为：

$T\left(s\right)=\frac{(K_{pw}+\frac{K_{iw}}{S})G_{\mathrm{\ω}i}\left(S\right)}{1-G_{\mathrm{\ω}T}\left(S\right)G_{T\mathrm{\ω}}\left(S\right)}$

式中，K_pw为、K_iw分别为永磁同步电机模型传递函数中的比例、积分系数。

6.如权利要求1所述的电力推进船舶实验平台的建模及稳定性分析方法，其特征在于，所述步骤S5具体包含：

使用经典方法奈奎斯特稳定性判据或根轨迹法，对环路增益在不同工况时系统的稳定性进行分析。