CN112039381B - 全电船舶电力推进系统阻抗比矩阵获取及稳定性分析方法 - Google Patents

全电船舶电力推进系统阻抗比矩阵获取及稳定性分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了等效电路阻抗模型、阻抗比矩阵获取及稳定性分析方法，属于电机技术领域。本发明建立了发电单元的dq等效电路阻抗模型，解决了电励磁凸极式发电机外特性难以表示问题。将锁相环传递矩阵和直流母线电压控制环融入双馈异步电机等效阻抗矩阵的计算过程中，通过直流母线电压PI控制来表示电源侧变换器电流参考值，能够反映直流母线电压PI控制参数对系统整体稳定性的影响；通过将定子电压扰动与锁相环输出角度扰动间的传递函数融入双馈异步电机等效阻抗矩阵的计算过程中，锁相环PI控制参数对整体稳定性的影响也得到体现。考虑系统自身的阻抗以及各控制环的控制效果引入的等效阻抗，是用于分析系统输入输出小信号稳定性的有效手段。

Description

全电船舶电力推进系统阻抗比矩阵获取及稳定性分析方法
技术领域
本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及全电船舶电力推进系统阻抗比矩阵获取及稳定性分析方法。
背景技术
船舶工业的发展对全球交通运输和世界经济具有重要的影响，为了满足不断提高的船舶用电需求，基于电力推进系统的全电船舶已逐渐成为世界各大型造船厂的船舶生产标准，这也是未来船舶的发展方向。随着现代电力电子技术、控制理论及其他相关技术的快速发展，“中压直流综合船舶电力推进系统”正成为当今全电船舶领域中的研究热点。此类系统中的电能转换与传输完全依赖于电力电子变换器和直流母线。一方面，变换器中的电力电子器件由较为脆弱的半导体材料制成，它们相比系统中的其它元件更易损坏。另一方面，基于直流母线的电力系统架构中电流不过零点，因此故障电流不具备自我灭弧能力。如果不能快速并准确地切除故障部分，则船舶电力推进系统中其他设备的运行也将受到严重影响。这对故障保护提出了极高的要求，需要巨大的成本投入。
基于双馈异步电机的交直流混合型全电船舶电力推进系统通过采用交直流混合配电的部分功率解耦型系统架构降低了电力电子变换器与直流母线的容量，从而大幅减轻了因电力电子变换器脆弱性对系统安全性的潜在威胁，降低了系统故障保护的难度和成本。与中压直流综合电力推进系统相比，所提出的基于双馈异步推进电机的全电船舶电力系统分别通过基于交流电传输线和背靠背变换器的电能传输通路进行电能输送，可根据电力电子变换器容量和船舶运行模式灵活调整交直流输电的比例。并且此电力系统具有较小的功率变换器的容量，减少了系统可靠性及安全性对于电力电子设备的依赖。由于降低了直流输配电系统在整个全电船舶电力推进系统中所占的比例，因而其故障保护要求大大降低，也减少了昂贵且技术不够成熟的直流断路器的使用，降低了系统故障保护的成本。然而该系统发电单元与推进负载之间交流能量通路的直接连接在其控制过程中产生了耦合效果，对系统的稳定运行造成了潜在威胁。为了从根本上解释此类系统的运行机理并实现其稳定运行，有必要对其进行小信号稳定性分析，确定影响此类系统稳定运行的关键因素。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了全电船舶电力推进系统阻抗比矩阵获取及稳定性分析方法，其目的在于确定影响此类系统稳定运行的关键因素，从根本上解释此类系统的运行机理并实现其稳定运行。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种发电单元等效电路阻抗模型，所述发电单元包括：原动机、调速模块、励磁控制模块和同步发电机；原动机与同步发电机连接，用于带动同步发电机转动；调速模块，用于对原动机发出功率指令以控制原动机的运行，从而控制同步发电机的转速；励磁控制模块，用于产生励磁电压信号；同步发电机用于根据励磁控制模块产生的励磁电压信号，在发电机定子侧产生三相交流电压，同时也作为反馈信号输入励磁控制模块，
同步发电机被等效为dq坐标系下的等效电路，其中，d轴与转子磁链方向相同，q轴由d轴向逆时针方向旋转90°获得；
同步发电机d轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rgs与定子漏感抗 sLgls之和，且耦合项(-ωgψgsq)被等效为电压源，与Rgs和sLgls串联；同步发电机d轴转子侧阻抗被等效为转子阻尼电阻Rkd与转子阻尼漏感抗sLlkd之和及转子励磁电阻Rf与转子励磁漏感抗sLlf之和的并联阻抗；同步发电机d轴互感抗sLgmd与同步发电机d轴转子侧阻抗并联后，再与同步发电机d轴定子侧阻抗串联，从而构成同步发电机d轴等效电路阻抗模型；
同步发电机q轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rgs与定子漏感抗 sLgls之和，且耦合项ωgψgsd被等效为电压源，与Rgs和sLgls串联；同步发电机d轴转子侧阻抗被等效为转子阻尼电阻Rkq与转子阻尼漏感抗sLlkq之和；同步发电机q轴互感抗sLgmq与同步发电机q轴转子侧阻抗并联后，再与同步发电机q轴定子侧阻抗串联，从而构成同步发电机q轴等效电路阻抗模型，
其中，s表示s域算子，Lgls表示定子漏磁电感，Llkd表示转子阻尼漏电感，Llkq表示转子阻尼漏电感，Llf表示转子励磁漏电感，Lgmd表示转子励磁漏互感，Lgmq表示转子阻尼漏互感，ωg表示同步发电机角速度，ψgsd、ψgsq分别为同步发电机d、q轴定子磁链。
为实现上述目的，按照本发明的第二方面，提供了一种双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型，所述双馈异步电力传动子系统包括：双馈异步电动机与背靠背电力电子变换器；所述双馈异步电机包括：定子绕组、转子绕组；所述定子绕组用于将发电单元输出能量的50％以上直接输入双馈异步电机；所述转子绕组用于将发电单元输出的剩余能量输入双馈异步电机；定子绕组与转子绕组之间通过定转子磁链进行能量交互，由定转子间互感产生耦合关系并实现连接；所述背靠背电力电子变换器包括：电源侧变换器、负载侧变换器；所述电源侧变换器用于控制直流母线电压和三相电流，使直流母线电压维持恒定，并获得正弦的三相电流；所述负载侧变换器用于控制双馈异步电动机的转速和功率，实现输入功率对负载功率变化的实时追踪，维持输入与输出端的能量平衡；
双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型中包含：双馈异步电动机定转子绕组阻抗与背靠背电力电子变换器直流母线电压控制和电流控制所产生的等效阻抗；
双馈异步电动机被等效为dq坐标系下的等效电路，其中，d轴与定子电压方向相同，q轴由d轴向逆时针方向旋转90°获得；
电源侧变换器d轴参考电流值由直流母线电压控制获得，q轴参考电流值设置为0；电源侧变换器d轴电流控制服务于电源侧变换器输入有功功率控制，q轴电流控制服务于电源侧变换器输入无功功率控制；负载侧变换器d轴电流控制服务于双馈异步电机定子输入有功功率控制，q轴电流控制服务于双馈异步电机定子输入无功功率控制；
双馈异步电动机d轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rs与定子漏感抗sLls之和，且耦合项(-ωeψsq)被等效为电压源，与Rs和sLls串联；双馈异步电动机d轴转子侧阻抗被等效为转子电阻Rr与转子漏感抗 sLlr之和，且耦合项(-ωslipψrq)被等效为电压源，与Rr和sLlr串联；负载侧变换器的电流控制效果所产生的等效阻抗Zlsd与d轴转子侧阻抗串联；双馈异步电动机互感抗sLm与上述等效阻抗Zlsd与转子侧阻抗的串联阻抗并联后，再与双馈异步电动机d轴定子侧阻抗串联；电源侧变换器的直流母线电压控制与电流控制效果所产生的等效阻抗Zssd与上述串联阻抗并联，从而构成双馈异步电动机d轴等效电路阻抗模型；
双馈异步电动机q轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rs与定子漏感抗sLls之和，且耦合项ωeψsd被等效为电压源，与Rs和sLls串联；双馈异步电动机q轴转子侧阻抗被等效为转子电阻Rr与转子漏感抗 sLlr之和，且耦合项ωslipψrd被等效为电压源，与Rr和sLlr串联；负载侧变换器的电流控制效果所产生的等效阻抗Zlsq与q轴转子侧阻抗串联；双馈异步电动机互感抗sLm与上述等效阻抗Zlsq与转子侧阻抗的串联阻抗并联后，再与双馈异步电动机q轴定子侧阻抗串联；电源侧变换器的直流母线电压控制与电流控制效果所产生的等效阻抗Zssq与上述串联阻抗并联，从而构成双馈异步电动机q轴等效电路阻抗模型；
其中，s表示s域算子，Lls表示双馈异步电机定子端漏感，Llr表示双馈异步电机转子端漏感，Lm表示双馈异步电机互感，ωe表示双馈异步电机同步角速度，ωslip表示双馈异步电机转差角速度，ψsd、ψsq分别为双馈异步电机d、q轴定子磁链；ψrd、ψrq分别为双馈异步电机 d、q轴转子磁链。
为实现上述目的，按照本发明的第三方面，提供了一种交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统的等效电路阻抗模型，所述船舶电力推进系统的等效电路阻抗模型包括：如第一方面所述的发电单元等效电路阻抗模型和如第二方面所述的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型。
优选地，通过将发电单元等效电路阻抗模型与双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型进行改进，以分别获得表示交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统输入端与输出端阻抗外特性的等效电路阻抗模型。
为实现上述目的，按照本发明的第四方面，提供了一种采用如第三方面所述的等效电路阻抗模型的交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统的阻抗比矩阵的获取方法，该方法包括以下步骤：
S1.根据发电单元等效电路阻抗模型，获取发电单元输出dq电压与电流之间的比值，从而获取发电单元等效电路阻抗矩阵；
S2.根据双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型，获取双馈异步电力传动子系统输入dq电压与电流之间的比值，从而获取双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵；
S3.根据获取的发电单元与双馈异步电力传动子系统的等效电路阻抗矩阵，获取交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵。
优选地，步骤S1包括以下步骤：
步骤1.根据发电单元d轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出 d轴电压与d轴电流间的比值为Zgdd＝Rgs+sLgls+Zfkd
步骤2.根据发电单元d轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出d轴电压与q轴电流间的比值为Zgdq＝ωg(Lgmq 2/Lkq-Lgsq)
步骤3.根据发电单元q轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出 q轴电压与d轴电流间的比值为Zgqd＝ωgLgls
步骤4.根据发电单元q轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出 q轴电压与q轴电流间的比值为Zgqq＝Rgs+sLgls+Zkq
步骤5.根据步骤1～4所得到的发电单元等效电路阻抗矩阵中的各项元素，获得发电单元等效电路阻抗矩阵如下
Figure GDA0003245875100000071
其中，Zfkd表示转子侧d轴阻抗，Lkq表示转子侧q轴阻尼电感， Lgsq表示定子侧q轴电感，Zkq表示转子侧q轴阻抗。
优选地，步骤S2包括以下步骤：
步骤1.获取双馈异步电力传动子系统定子端等效电路阻抗矩阵
步骤1.1.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入d轴电压与d轴电流间的比值为
Zsdd＝Rs+Rrωe/ωslip+sLls+sLlr-Hr(s)ωe/ωslip
步骤1.2.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入d轴电压与q轴电流间的比值为Zsdq＝-ωeLls-ωeLlr-σωeLr
步骤1.3.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入q轴电压与d轴电流间的比值为Zsqd＝ωeLls+ωeLlr+σωeLr
步骤1.4.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入q轴电压与q轴电流间的比值为
Zsqq＝Rs+Rrωe/ωslip+sLls+sLlr-Hr(s)ωe/ωslip
步骤1.5.根据步骤1.1～1.4所得到的双馈异步电力传动子系统定子侧等效电路阻抗矩阵中的各项元素，获得双馈异步电力传动子系统定子侧等效电路阻抗矩阵如下
Figure GDA0003245875100000081
其中，Hr(s)表示转子电流PI控制器的传递函数，σ表示漏感系数；
步骤2.获取双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵
步骤2.1.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入d轴电压与d轴电流间的比值为Zssdd＝Rss-Hss(s)[Hdc(s)+1]
步骤2.2.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入d轴电压与q轴电流间的比值为Zssdq＝-ωeLss
步骤2.3.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入q轴电压与d轴电流间的比值为Zssqd＝ωeLss
步骤2.4.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入q轴电压与q轴电流间的比值为Zssqq＝Rss-Hss(s)[Hdc(s)+1]
步骤2.5.根据步骤2.1～2.4所得到的双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵中的各项元素，获得双馈异步电力传动子系统变换器侧等效电路阻抗矩阵如下
Figure GDA0003245875100000091
其中，Rss表示电源侧变换器侧滤波器电阻，Hss(s)表示电源侧变换器的传递函数，Hdc(s)表示直流母线电压PI控制器的传递函数，Lss表示源侧变换器侧滤波器电感；
步骤3.获取双馈异步电力传动子系统等效电路导纳矩阵
步骤3.1.计算双馈异步电力传动子系统定子端等效电路阻抗矩阵的行列式，计算过程如下det(Zsdq)＝ZsddZsqq-ZsdqZsqd其中，det()表示矩阵的行列式；
从而获取双馈异步电力传动子系统定子端等效电路导纳矩阵如下：
Figure GDA0003245875100000101
步骤3.2.计算双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵的行列式，计算过程如下det(Zssdq)＝ZssddZssqq-ZssdqZssqd
从而获取双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路导纳矩阵如下：
Figure GDA0003245875100000102
步骤3.3.通过将双馈异步电力传动子系统定子端与变换器端等效电路导纳矩阵相加，计算得到双馈异步电力传动子系统等效电路导纳矩阵，计算过程如下
Figure GDA0003245875100000103
步骤4.计算双馈异步电力传动子系统定子端等效电路导纳矩阵的行列式，计算过程如下
det(YDFIMdq)＝YDFIMddYDFIMqq-YDFIMdqYDFIMqd
从而获取不考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵如下
Figure GDA0003245875100000104
步骤5.获取考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵
步骤5.1.获取从定子电压波动至锁相环输出角波动的传递函数如下
Figure GDA0003245875100000111
其中Hpll(s)＝kppll+kipll/s
其中，kppll表示锁相环比例控制系数，kipll表示锁相环积分控制系数；
步骤5.2.根据双馈异步电力传动子系统稳态运行时的条件 Vsd＝1p.u.,Vsq＝0p.u.对GPLL(s)表达式更新如下
Figure GDA0003245875100000112
步骤5.3.获取锁相环传递矩阵如下
Figure GDA0003245875100000113
步骤5.4.结合锁相环控制效果之后对双馈异步电力传动子系统的阻抗矩阵进行改进如下ZDFIMPLLdq＝[(I-GPLL)YDFIMdq]-1
其中
Figure GDA0003245875100000114
优选地，步骤S3中，交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵如下
Figure GDA0003245875100000115
其中YDFIMPLLdq＝ZDFIMPLLdq -1
LGdd表示dd通道阻抗比，LGdq表示dq通道阻抗比，LGqd表示 qd通道阻抗比，LGqq表示qq通道阻抗比；
计算结合锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统的阻抗矩阵的行列式的过程如下det(ZDFIMPLLdq)＝ZDFIMPLLddZDFIMPLLqq-ZDFIMPLLdqZDFIMPLLqd
从而获取结合锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统的导纳矩阵如下
Figure GDA0003245875100000121
为实现上述目的，按照本发明的第五方面，提供了一种全电船舶电力推进系统稳定性分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤0.采用如第四方面所述的方法获取船舶电力推进系统的阻抗比矩阵；
步骤1.分析发电单元等效电路阻抗模型的稳定性
步骤1.1.根据获取的发电单元等效电路阻抗矩阵，列出该矩阵中各元素(Zgdd,Zgdq,Zgqd,Zgqq)的传递函数，Zgdd,Zgdq,Zgqd,Zgqq分别表示发电单元输出d轴电压与d轴电流间的比值、发电单元输出d轴电压与q 轴电流间的比值、发电单元输出q轴电压与d轴电流间的比值、发电单元输出q轴电压与q轴电流间的比值；
步骤1.2.根据获得的各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的伯德图；
步骤1.3.根据获得各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的传递函数的伯德图得出各元素的增益裕度和相角裕度；
步骤1.4.若各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的增益裕度和相角裕度均大于0，则发电单元稳定，否则发电单元不稳定，并且增益裕度和相角裕度越大，发电单元稳定性越好；
步骤2.分析双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型的稳定性
步骤2.1.根据获取的不考虑锁相环控制效果与考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵，列出这两个矩阵中各元素的传递函数；
步骤2.2.根据获得的各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的伯德图；
步骤2.3.根据获得各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数的伯德图得出各元素的增益裕度和相角裕度；
步骤2.4.若各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的增益裕度和相角裕度均大于0，则双馈异步电力传动子系统稳定，否则双馈异步电力传动子系统不稳定，并且增益裕度和相角裕度越大，双馈异步电力传动子系统稳定性越好；
步骤2.5.对比两种双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵中相对应元素伯德图中的幅频和相频特征，从而分析锁相环作用效果对于双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型稳定性的影响；
步骤3.分析交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统阻抗模型的整体稳定性
步骤3.1.根据获取的交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵，列出各元素(LGdd,LGdq,LGqd,LGqq)的传递函数，LGdd表示dd通道阻抗比，LGdq表示dq通道阻抗比，LGqd表示qd通道阻抗比，LGqq表示qq通道阻抗比；
步骤3.2.根据获得的各双馈异步船舶电力推进系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的奈奎斯特图；
步骤3.3.根据获得各双馈异步船舶电力推进系统等效电路阻抗矩阵元素传递函数的奈奎斯特图，若图像轨迹环绕点(-1,0)的次数与系统闭环传递函数在右半平面的极点数相同，则双馈异步船舶电力推进系统稳定，否则不稳定，并且奈奎斯特图像轨迹离点(-1,0)越远，系统稳定性越好。
为实现上述目的，按照本发明的第六方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如第五方面所述的方法的步骤。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明建立了该船舶推进系统发电单元的dq等效电路阻抗模型，解决了电励磁凸极式发电机外特性难以表示的问题。对于凸极式同步发电机来说，由于其d轴互感值远大于q轴互感值，因此在建立等效电路阻抗模型的并联互感和转子侧阻抗过程中可以忽略d轴互感，而q轴互感的影响则不能够忽略，基于上述原理可以准确建立电励磁凸极式发电机的等效电路阻抗模型。
(2)本发明将锁相环传递矩阵和直流母线电压控制环融入双馈异步电机等效阻抗矩阵的计算过程中。通过直流母线电压PI控制来表示电源侧变换器电流参考值，能够反映直流母线电压PI控制参数对系统整体稳定性的影响；通过将定子电压扰动与锁相环输出角度扰动间的传递函数融入双馈异步电机等效阻抗矩阵的计算过程中，锁相环PI控制参数对系统整体稳定性的影响也能够得到体现。
(3)本发明从双馈异步电力传动系统中定转子间交流耦合的角度建立了等效电路阻抗模型，清晰地展现了定转子阻抗的直接作用。双馈异步电机定转子间通过磁链产生耦合，然而由于互感阻抗远大于定转子侧漏感阻抗，可在双馈异步电机等效电路阻抗模型的改进过程中将其忽略，从而直接得到定子电压与定子电流之间的关系，即双馈异步电机等效阻抗。
(4)本发明所提出的等效电路阻抗模型考虑了系统自身的阻抗以及各控制环的控制效果所引入的等效阻抗，是用于分析该系统输入 -输出小信号稳定性的有效手段。该模型是在此系统的基础上提出的，然而当考虑不同控制方法的时候需要对该模型进行更新。
(5)本发明将该理论的应用范围拓展至双馈异步船舶电力推进系统并研究了多个控制参数的设置对系统整体小信号稳定性的具体影响。
附图说明
图1为本发明提供的交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统电源-负载架构示意图；
图2(a)为本发明提供的凸极式同步发电机d轴等效电路图；图2(b) 为本发明提供的凸极式同步发电机q轴等效电路图；
图3(a)为本发明提供的凸极式同步发电机d轴等效电路阻抗模型图；图3(b)为本发明提供的凸极式同步发电机q轴等效电路阻抗模型图；
图4(a)为本发明提供的转子侧与互感阻抗进行并联后的凸极式同步发电机d轴等效电路阻抗模型图；图4(b)为本发明提供的转子侧与互感阻抗进行并联后的凸极式同步发电机q轴等效电路阻抗模型图；
图5(a)为本发明提供的转子侧与互感并联阻抗等效变换至定子侧后的凸极式同步发电机d轴等效电路阻抗模型图；图5(b)为本发明提供的转子侧与互感并联阻抗等效变换至定子侧后的凸极式同步发电机q轴等效电路阻抗模型图；
图6为本发明提供的基于锁相环的定子电压矢量定向的双馈异步全电船舶电力推进系统控制框图；
图7(a)为本发明提供的双馈异步电力推进负载d轴等效电路阻抗模型图；图7(b)为本发明提供的双馈异步电力推进负载q轴等效电路阻抗模型图；
图8(a)为本发明提供的表示定子侧电压与定转子电流关系的双馈异步电力推进负载d轴等效电路阻抗模型图；图8(b)为本发明提供的表示定子侧电压与定转子电流关系的双馈异步电力推进负载q轴等效电路阻抗模型图；
图9(a)为本发明提供的忽略互感阻抗并将转子侧阻抗等效变换至定子侧后的双馈异步电力推进负载d轴等效电路阻抗模型图；图 9(b)为本发明提供的忽略互感阻抗并将转子侧阻抗等效变换至定子侧后的双馈异步电力推进负载q轴等效电路阻抗模型图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，对本发明涉及的交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统进行介绍。
如图1所示，船舶电力推进系统包括：发电单元和双馈异步电力传动子系统。
发电单元，用于为全电船舶提供电能，与双馈异步电动机通过两条并列的能量通路进行连接：一条通过交流传输线与双馈异步电动机定子直接相连，构成主能量通路，它将发电单元输出能量的50％以上直接输入双馈异步电机；另一条通过连接背靠背电力电子变换器，经过能量的AC-DC-AC变换后与双馈异步电动机转子相连，构成转差能量通路，它将发电单元输出的剩余能量输入双馈异步电机，同时通过背靠背电力电子变换器控制双馈异步电机的正常运行。
具体地，所述发电单元包括：原动机、调速模块、励磁控制模块、同步发电机；原动机与同步发电机连接，用于通过将化学能转化为机械能，带动同步发电机转动；调速模块，用于对原动机发出功率指令以控制原动机的运行，从而控制同步发电机的转速；励磁控制模块，用于产生励磁电压信号；同步发电机用于根据励磁控制模块产生的励磁电压信号，在发电机定子侧产生三相交流电压，为全船提供电能，同时也作为反馈信号输入励磁控制模块。
双馈异步电力传动子系统，用于为全电船舶的运行提供动力并实现船舶推进负载的控制，其双馈异步电动机定子与转子分别与背靠背电力电子变换器的电源侧与负载侧变换器连接。
具体地，所述双馈异步电力传动子系统包括：双馈异步电动机与背靠背电力电子变换器；所述双馈异步电机包括：定子绕组、转子绕组；所述定子绕组用于将发电单元输出能量的50％以上直接输入双馈异步电机；所述转子绕组用于将发电单元输出的剩余能量输入双馈异步电机；定子绕组与转子绕组之间通过定转子磁链进行能量交互，由定转子间互感产生耦合关系并实现连接；所述背靠背电力电子变换器包括：电源侧变换器、负载侧变换器；所述电源侧变换器用于控制直流母线电压和三相电流，使直流母线电压维持恒定，并获得正弦的三相电流；所述负载侧变换器用于控制双馈异步电动机的转速和功率，实现输入功率(由同步发电机产生)对负载(双馈异步电动机)功率变化的实时追踪，维持输入与输出端的能量平衡。
本发明针对上述交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统，提出一种船舶电力推进系统的等效电路阻抗模型。
所述船舶电力推进系统的等效电路模型包括：发电单元等效电路阻抗模型和双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型。
发电单元等效电路阻抗模型
发电单元中的原动机与同步发电机之间为机械连接，无电气连接成分，因此原动机对发电单元等效电路阻抗模型的建立没有影响；调速模块用于通过控制原动机转速，从而对同步发电机转速进行控制，其控制时间尺度远大于电气控制(电流、电压控制)的时间尺度，在建立发电单元等效电路阻抗模型的过程中可将同步发电机转速视为常数，因此调速模块对发电单元等效电路阻抗模型的建立没有影响；励磁控制模块用于为同步发电机转子提供励磁电压，从而产生旋转的磁场，在其定子端产生三相电压，由于该模块的输入与输出均为电压量，因此其控制效果对发电单元等效电路阻抗模型的建立没有影响。
图2（ a ）和图 2 （ b ） 展示了发电单元中同步发电机的等效电路图。
如图2(a)所示，在凸极同步电机的d轴上包含了定子漏磁电感 Lglsd、转子阻尼漏电感Llkd、转子励磁漏电感Llf、互感Lgmd，以及定子电阻Rgs、转子阻尼电阻Rkd、转子励磁电阻Rf，因为同步电机d轴基于转子磁链定向。
如图2(b)所示，在凸极同步电机的q轴上包含了定子漏磁电感 Lglsq、转子阻尼漏电感Llkq、互感Lgmq，以及定子电阻Rgs和转子阻尼电阻Rkq，因此同步电机q轴不包含励磁分量。
同步发电机被等效为dq坐标系下的等效电路，其中d轴与转子磁链方向相同，q轴由d轴向逆时针方向旋转90度获得；
同步发电机d轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rgs与定子漏感抗 sLgls之和，且耦合项(-ωgψgsq)被等效为电压源，与Rgs和sLgls串联；同步发电机d轴转子侧阻抗被等效为转子阻尼电阻Rkd与转子阻尼漏感抗sLlkd之和及转子励磁电阻Rf与转子励磁漏感抗sLlf之和的并联阻抗；同步发电机d轴互感抗sLgmd与同步发电机d轴转子侧阻抗并联后，再与同步发电机d轴定子侧阻抗串联，从而构成如图3(a)所示的同步发电机d轴等效电路阻抗模型；
同步发电机q轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rgs与定子漏感抗 sLgls之和，且耦合项ωgψgsd被等效为电压源，与Rgs和sLgls串联；同步发电机d轴转子侧阻抗被等效为转子阻尼电阻Rkq与转子阻尼漏感抗sLlkq之和；同步发电机q轴互感抗sLgmq与同步发电机q轴转子侧阻抗并联后，再与同步发电机q轴定子侧阻抗串联，从而构成如图 3(b)所示的同步发电机q轴等效电路阻抗模型。
双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型
双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型中包含双馈异步电动机定转子绕组阻抗与背靠背电力电子变换器直流母线电压控制和电流控制所产生的等效阻抗；
双馈异步电动机被等效为dq坐标系下的等效电路，其中d轴与定子电压方向相同，q轴由d轴向逆时针方向旋转90度获得；
电源侧变换器d轴参考电流值由直流母线电压控制获得，q轴参考电流值设置为0；电源侧变换器d轴电流控制服务于电源侧变换器输入有功功率控制，q轴电流控制服务于电源侧变换器输入无功功率控制；负载侧变换器d轴电流控制服务于双馈异步电机定子输入有功功率控制，q轴电流控制服务于双馈异步电机定子输入无功功率控制；
双馈异步电动机d轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rs与定子漏感抗sLls之和，且耦合项(-ωeψsq)被等效为电压源，与Rs和sLls串联；双馈异步电动机d轴转子侧阻抗被等效为转子电阻Rr与转子漏感抗 sLlr之和，且耦合项(-ωslipψrq)被等效为电压源，与Rr和sLlr串联；负载侧变换器的电流控制效果所产生的等效阻抗Zlsd与d轴转子侧阻抗串联；双馈异步电动机互感抗sLm与上述等效阻抗Zlsd与转子侧阻抗的串联阻抗并联后，再与双馈异步电动机d轴定子侧阻抗串联；电源侧变换器的直流母线电压控制与电流控制效果所产生的等效阻抗Zssd与上述串联阻抗并联，从而构成如图7(a)所示的双馈异步电动机d轴等效电路阻抗模型；
双馈异步电动机q轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rs与定子漏感抗sLls之和，且耦合项ωeψsd被等效为电压源，与Rs和sLls串联；双馈异步电动机q轴转子侧阻抗被等效为转子电阻Rr与转子漏感抗 sLlr之和，且耦合项ωslipψrd被等效为电压源，与Rr和sLlr串联；负载侧变换器的电流控制效果所产生的等效阻抗Zlsq与q轴转子侧阻抗串联；双馈异步电动机互感抗sLm与上述等效阻抗Zlsq与转子侧阻抗的串联阻抗并联后，再与双馈异步电动机q轴定子侧阻抗串联；电源侧变换器的直流母线电压控制与电流控制效果所产生的等效阻抗Zssq与上述串联阻抗并联，从而构成如图7(b)所示的双馈异步电动机q轴等效电路阻抗模型。
接下来，对船舶电力推进系统的等效电路阻抗模型的建模方法进行如下阐述。
任务1.建立发电单元等效电路阻抗模型
步骤1.根据同步发电机的电压和磁链方程(如下)，在s域中搭建同步发电机dq等效电路模型，如图3(a)和3(b)所示。
Figure GDA0003245875100000221
其中
Figure GDA0003245875100000222
vgsd、vgsq分别为同步发电机d、q轴定子电压；igsd、igsq分别为同步发电机d、q轴定子电流；ψgsd、ψgsq分别为同步发电机d、q轴定子磁链；vkd、vkq分别为同步发电机d、q轴转子阻尼绕组端电压；ikd、 ikq分别为同步发电机d、q轴转子阻尼绕组电流；ψkd、ψkq分别为同步发电机d、q轴转子阻尼绕组磁链；vf、if、ψf分别为同步发电机转子励磁电压、电流和磁链；ωg为同步发电机角速度；p表示微分算子；
步骤1.1.将定子电阻Rgs、定子漏感抗sLgls、耦合项(-ωgψgsq)串联构成同步发电机d轴定子侧等效阻抗；
步骤1.2.将同步发电机d轴转子阻尼电阻Rkd与转子阻尼漏感抗 sLlkd之和及转子励磁电阻Rf与转子励磁漏感抗sLlf之和并联，构成同步发电机d轴转子侧等效阻抗；
步骤1.3.将同步发电机d轴互感阻抗sLgmd与同步发电机d轴转子侧阻抗并联；
步骤1.4.将步骤1.3所得并联阻抗与同步发电机d轴定子侧阻抗串联，从而构成如图3(a)所示的同步发电机d轴等效电路阻抗模型；
步骤1.5.将定子电阻Rgs、定子漏感抗sLgls、耦合项ωgψgsd串联构成同步发电机q轴定子侧等效阻抗；
步骤1.6.将同步发电机q轴转子阻尼电阻Rkq与转子阻尼漏感抗 sLlkq串联，构成同步发电机q轴转子侧等效阻抗；
步骤1.7.将同步发电机q轴互感阻抗sLgmq与同步发电机q轴转子侧阻抗并联；
步骤1.8.将步骤1.7所得并联阻抗与同步发电机q轴定子侧阻抗串联，从而构成如图3(b)所示的同步发电机q轴等效电路阻抗模型；
步骤1.9.将步骤1.4与1.8所得的同步发电机d、q轴等效电路阻抗模型结合，构成同步发电机dq等效电路阻抗模型。
步骤2.通过阻抗串并联对同步发电机dq等效电路阻抗模型进行改进，如图4(a)和4(b)所示。
步骤2.1.对同步发电机d轴转子侧励磁和阻尼绕组阻抗进行并联得到转子侧d轴阻抗Zfkd；
Zfkd＝(Rkd+sLlkd)||(Rf+sLlf)
步骤2.2.对同步发电机q轴转子阻尼绕组阻抗与互感阻抗进行并联得到转子侧q轴阻抗Zkq；
Zkq＝(Rkq+sLlkq)||sLmq
步骤2.3.根据同步发电机定子侧磁链方程(如下)，将耦合项 (-ωgψgsq)和ωgψgsd分别拆为(-ωgLgmqikq-ωgLgsqigsq)和 [ωgLgmd(if+ikd)+ωgLgsdigsd]，构成改进的同步发电机dq等效电路阻抗模型。
步骤3.通过用定子侧dq电流表示转子侧dq电流，对同步发电机 dq等效电路阻抗模型进行进一步改进，如图5(a)和5(b)所示。
步骤3.1.由于d轴互感Lgmd远大于转子侧自感，在绕组并联过程中将其作用忽略，从而得到同步发电机d轴定转子侧电流之间的关系如下：if+ikd＝-igsd；
步骤3.2.根据上式可以将图4(b)中的等效电压源ωgLgmd(if+ikd)替换为(-ωgLgmdigsd)，得到进一步改进的同步发电机q轴等效电路阻抗模型；
步骤3.3.由于q轴互感Lgmq与转子侧自感大小相当，在绕组并联过程中将需要考虑其作用，从而根据分流定律得到同步发电机q轴定转子侧电流之间的关系如下：ikq＝-igsqLgmq/Lkq；
步骤3.4.根据上式可以将图4(a)中的等效电压源(-ωgLgmqikq)替换为ωg(Lgmq 2/Lkq)igsq，得到进一步改进的同步发电机d轴等效电路阻抗模型；
步骤3.5.将步骤3.4与3.2所得的进一步改进的同步发电机d、q 轴等效电路阻抗模型结合，构成进一步改进的同步发电机dq等效电路阻抗模型。
任务2.建立双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型
步骤1.在s域中搭建双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型，如图7(a)和7(b)所示。
步骤1.1.根据双馈异步电动机的电压和磁链方程(如下)
Figure GDA0003245875100000251
vsd、vsq分别为双馈异步电机d、q轴定子电压；isd、isq分别为双馈异步电机d、q轴定子电流；ψsd、ψsq分别为双馈异步电机d、q轴定子磁链；vrd、vrq分别为双馈异步电机d、q轴转子电压；ird、irq分别为双馈异步电机d、q轴转子电流；ψrd、ψrq分别为双馈异步电机d、 q轴转子磁链；ωe为双馈异步电机同步角速度；ωslip为双馈异步电机转差角速度；
Rs为双馈异步电机定子电阻；Rr为双馈异步电机转子电阻；Ls为双馈异步电机定子侧电感；Lm为双馈异步电机互感；Lr为双馈异步电机转子侧电感；
将两式结合并将其转换至s域(如下)
Figure GDA0003245875100000252
步骤1.2.根据如图6所示的双馈异步全电船舶电力推进系统整体的控制框图，基于电流控制效果得到定转子电压方程如下：
Figure GDA0003245875100000261
vssd、vssq分别为电源侧变换器d、q轴电压；issd、issq分别为电源侧变换器d、q轴电流；Rss为电源侧变换器侧滤波器电阻；Lss为电源侧变换器侧滤波器电感；上标*代表变量参考值；
式中，σ＝[1-(Lm 2/LsLr)]为漏感系数；Hss(s)和Hr(s)分别代表电源侧变换器和转子电流PI控制器的传递函数，它们的表达式分别为： Hss(s)＝kpiss+kiiss/s，Hr(s)＝kpir+kiir/s其中，kpiss、kiiss分别为电源侧变换器电流比例、积分控制系数；kpir、kiir分别为转子电流比例、积分控制系数；
步骤1.3.根据直流母线电压控制获得电源侧变换器d轴参考电流 issd *，从而对定子侧d轴电压表达式更新如下：
vsd＝vssd+Hss(s)[Hdc(s)(Vdc *-Vdc)-issd]+(Rss+Lss)issd-ωeLssissq
Vdc为直流母线电压；Hdc(s)为直流母线电压PI控制器的传递函数， Hdc(s)＝kpdc+kidc/s，其中，kpdc、kidc分别为直流母线电压比例、积分控制系数；
步骤1.4.将电源侧和负载侧变换器等效为两个具有相应阻抗值的电压源，表达式为
Figure GDA0003245875100000262
Essd、Essq分别为电源侧变换器d、q轴等效电压源；Elsd、Elsq分别为负载侧变换器d、q轴等效电压源；
相应的阻抗分别为
Figure GDA0003245875100000271
在此基础上，得到双馈异步电力传动子系统的等效电路阻抗模型如图7所示。
步骤2.对双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型进行更新，得到更新后的模型如图8(a)和8(b)所示。
步骤2.1.令电源侧变换器d轴电流正方向由发电单元进入电源侧变换器，从而对Hss(s)[Hdc(s)+1]进行变号；
步骤2.2.根据双馈异步电动机定转子磁链方程，用(-ωeLsisq-ωeLmirq) 替代耦合项(-ωeψsq)，用(-ωeLrirq-ωeLmisq)替代耦合项(-ωeψrq)，得到更新后的双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型；
步骤2.3.根据双馈异步电动机定转子磁链方程，用(ωeLsisd+ωeLmird) 替代耦合项ωeψsd，用(ωeLrird+ωeLmisd)替代耦合项ωeψrd，得到更新后的双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型；
步骤2.4.将步骤2.2与2.3所得的更新后的双馈异步电力传动子系统d、q轴等效电路阻抗模型结合，构成更新后的双馈异步电力传动子系统dq等效电路阻抗模型。
步骤3.对双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型进行进一步改进，得到进一步改进后的模型如图9(a)和9(b)所示。
步骤3.1.由于双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型中的互感阻抗远大于定子和转子自感所带来的阻抗，在并联过程中忽略互感阻抗的效果，因而定转子电流之间存在如下关系
Figure GDA0003245875100000281
步骤3.2.根据步骤3.1所得到的双馈异步电力传动子系统定转子 dq电流之间的关系，可用定子侧电流表示转子侧电流，从而将 Hr(s)ωe/ωslip项和σωeLrisq项进行变号；
步骤3.3.根据步骤3.1所得到的双馈异步电力传动子系统定转子 dq电流之间的关系，将(-ωeLmirq)替换为ωeLmisq，将ωeLrirq替换为 (-ωeLrisq)，将ωeLmird替换为(-ωeLmisd)，将(-ωeLrird)替换为ωeLrisd；
步骤3.4.将(-ωeLsisq)与ωeLmisq相加得到(-ωeLlsisq)，将(-ωeLrisq)与ωeLmisq相加得到(-ωeLlrisq)，从而得到进一步改进的双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型；
步骤3.5.将ωeLsisd与(-ωeLmisd)相加得到ωeLlsisd，将ωeLrisd与 (-ωeLmisd)相加得到(ωeLlrisd)，从而得到进一步改进的双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型；
步骤3.6.将步骤3.4与3.5所得的进一步改进的双馈异步电力传动子系统d、q轴等效电路阻抗模型结合，构成进一步改进的双馈异步电力传动子系统dq等效电路阻抗模型。
结合任务1中建立的同步发电机dq等效电路阻抗模型和任务2 中建立的双馈异步电力传动子系统dq等效电路阻抗模型，最终得到双馈异步全电船舶电力推进系统整体的等效电路阻抗模型。
在上述基础上，本发明进一步提出一种交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵的获取方法。
任务1.根据建模方法任务1中建立的发电单元等效电路阻抗模型，获取发电单元输出dq电压与电流之间的比值，从而获取发电单元等效电路阻抗矩阵。
步骤1.根据如图5(a)所示发电单元d轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出d轴电压与d轴电流间的比值为 Zgdd＝Rgs+sLgls+Zfkd；
步骤2.根据如图5(a)所示发电单元d轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出d轴电压与q轴电流间的比值为 Zgdq＝ωg(Lgmq 2/Lkq-Lgsq)；
步骤3.根据如图5(b)所示发电单元q轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出q轴电压与d轴电流间的比值为Zgqd＝ωgLgls；
步骤4.根据如图5(b)所示发电单元q轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出q轴电压与q轴电流间的比值为 Zgqq＝Rgs+sLgls+Zkq；
步骤5.根据步骤1～4所得到的发电单元等效电路阻抗矩阵中的各项元素，可以获得发电单元等效电路阻抗矩阵如下
Figure GDA0003245875100000291
任务2.根据建模方法建立的如图9(a)和9(b)所示的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型，获取双馈异步电力传动子系统输入 dq电压与电流之间的比值，从而获取双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵。
步骤1.获取双馈异步电力传动子系统定子端等效电路阻抗矩阵。
步骤1.1.根据如图9(a)所示双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入d轴电压与d 轴电流间的比值为 Zsdd＝Rs+Rrωe/ωslip+sLls+sLlr-Hr(s)ωe/ωslip；
步骤1.2.根据如图9(a)所示双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入d轴电压与q 轴电流间的比值为Zsdq＝-ωeLls-ωeLlr-σωeLr；
步骤1.3.根据如图9(b)所示双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入q轴电压与d 轴电流间的比值为Zsqd＝ωeLls+ωeLlr+σωeLr；
步骤1.4.根据如图9(b)所示双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入q轴电压与q 轴电流间的比值为 Zsqq＝Rs+Rrωe/ωslip+sLls+sLlr-Hr(s)ωe/ωslip；
步骤1.5.根据步骤1.1～1.4所得到的双馈异步电力传动子系统定子侧等效电路阻抗矩阵中的各项元素，可以获得双馈异步电力传动子系统定子侧等效电路阻抗矩阵如下：
Figure GDA0003245875100000301
步骤2.获取双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵。
步骤2.1.根据如图9(a)所示双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入d轴电压与 d轴电流间的比值为Zssdd＝Rss-Hss(s)[Hdc(s)+1]；
步骤2.2.根据如图9(a)所示双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入d轴电压与 q轴电流间的比值为Zssdq＝-ωeLss；
步骤2.3.根据如图9(b)所示双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入q轴电压与 d轴电流间的比值为Zssqd＝ωeLss；
步骤2.4.根据如图9(b)所示双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入q轴电压与 q轴电流间的比值为Zssqq＝Rss-Hss(s)[Hdc(s)+1]；
步骤2.5.根据步骤2.1～2.4所得到的双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵中的各项元素，可以获得双馈异步电力传动子系统变换器侧等效电路阻抗矩阵如下
Figure GDA0003245875100000311
步骤3.获取双馈异步电力传动子系统等效电路导纳矩阵。
步骤3.1.计算双馈异步电力传动子系统定子端等效电路阻抗矩阵的行列式，计算过程如下det(Zsdq)＝ZsddZsqq-ZsdqZsqd，
从而获取双馈异步电力传动子系统定子端等效电路导纳矩阵如下：
Figure GDA0003245875100000321
步骤3.2.计算双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵的行列式，计算过程如下det(Zssdq)＝ZssddZssqq-ZssdqZssqd，
从而获取双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路导纳矩阵如下：
Figure GDA0003245875100000322
步骤3.3.通过将双馈异步电力传动子系统定子端与变换器端等效电路导纳矩阵相加，计算得到双馈异步电力传动子系统等效电路导纳矩阵，计算过程如下
Figure GDA0003245875100000323
步骤4.计算双馈异步电力传动子系统定子端等效电路导纳矩阵的行列式，计算过程如下det(YDFIMdq)＝YDFIMddYDFIMqq-YDFIMdqYDFIMqd，
从而获取不考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵如下
Figure GDA0003245875100000324
步骤5.获取考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵。
步骤5.1.获取从定子电压波动至锁相环输出角波动的传递函数如下
Figure GDA0003245875100000325
其中，Hpll(s)＝kppll+kipll/s；
步骤5.2.根据双馈异步电力传动子系统稳态运行时的条件 (Vsd＝1pu,Vsq＝0pu)对GPLL(s)表达式更新如下
Figure GDA0003245875100000331
步骤5.3.获取锁相环传递矩阵如下
Figure GDA0003245875100000332
步骤5.4.结合锁相环控制效果之后对双馈异步电力传动子系统的阻抗矩阵进行改进如下ZDFIMPLLdq＝[(I-GPLL)YDFIMdq]-1
其中，
Figure GDA0003245875100000333
任务3.根据任务1与任务2中获取的发电单元与双馈异步电力传动子系统的等效电路阻抗矩阵，获取交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵如下
Figure GDA0003245875100000334
其中YDFIMPLLdq＝ZDFIMPLLdq -1。
计算结合锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统的阻抗矩阵的行列式的过程如下det(ZDFIMPLLdq)＝ZDFIMPLLddZDFIMPLLqq-ZDFIMPLLdqZDFIMPLLqd，
从而获取结合锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统的导纳矩阵如下
Figure GDA0003245875100000341
进一步，在获得交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵的基础上，本发明进一步提出一种稳定性分析方法。
步骤1.分析发电单元等效电路阻抗模型的稳定性。
步骤1.1.根据获取的发电单元等效电路阻抗矩阵，列出该矩阵中各元素(Zgdd,Zgdq,Zgqd,Zgqq)的传递函数；
步骤1.2.根据步骤1.1中所获得的各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的伯德图；
步骤1.3.根据步骤1.2中所获得各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的传递函数的伯德图得出各元素的增益裕度和相角裕度；
步骤1.4.若各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的增益裕度和相角裕度均大于0，则发电单元稳定，否则发电单元不稳定，并且增益裕度和相角裕度越大，发电单元稳定性越好。
步骤2.分析双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型的稳定性。
步骤2.1.根据获取的不考虑锁相环控制效果与考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵，列出这两个矩阵中各元素(ZDFIMdd,ZDFIMdq,ZDFIMqd,ZDFIMqq与 ZDFIMPLLdd,ZDFIMPLLdq,ZDFIMPLLqd,ZDFIMPLLqq)的传递函数；
步骤2.2.根据步骤2.1中所获得的各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的伯德图；
步骤2.3.根据步骤2.2中所获得各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数的伯德图得出各元素的增益裕度和相角裕度；
步骤2.4.若各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的增益裕度和相角裕度均大于0，则双馈异步电力传动子系统稳定，否则双馈异步电力传动子系统不稳定，并且增益裕度和相角裕度越大，双馈异步电力传动子系统稳定性越好；
步骤2.5.对比两种双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵中相对应元素伯德图中的幅频和相频特征，从而分析锁相环作用效果对于双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型稳定性的影响。
步骤3.分析交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统阻抗模型的整体稳定性。
步骤3.1.根据获取的交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵，列出各元素(LGdd,LGdq,LGqd,LGqq)的传递函数；
步骤3.2.根据步骤3.1中所获得的各双馈异步船舶电力推进系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的奈奎斯特图；
步骤3.3.根据步骤3.2中所获得各双馈异步船舶电力推进系统等效电路阻抗矩阵元素传递函数的奈奎斯特图，若图像轨迹环绕点(-1,0) 的次数与系统闭环传递函数在右半平面的极点数相同，则双馈异步船舶电力推进系统稳定，否则不稳定，并且奈奎斯特图像轨迹离点(-1,0) 越远，系统稳定性越好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统的阻抗比矩阵的获取方法，所述交直流混合型双馈异步全电船舶电力推进系统的等效电路阻抗模型包括：发电单元等效电路阻抗模型和双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型，
发电单元包括：原动机、调速模块、励磁控制模块和同步发电机；原动机与同步发电机连接，用于带动同步发电机转动；调速模块，用于对原动机发出功率指令以控制原动机的运行，从而控制同步发电机的转速；励磁控制模块，用于产生励磁电压信号；同步发电机用于根据励磁控制模块产生的励磁电压信号，在发电机定子侧产生三相交流电压，同时也作为反馈信号输入励磁控制模块；
双馈异步电力传动子系统包括：双馈异步电动机与背靠背电力电子变换器；所述双馈异步电机包括：定子绕组、转子绕组；所述定子绕组用于将发电单元输出能量的50％以上直接输入双馈异步电机；所述转子绕组用于将发电单元输出的剩余能量输入双馈异步电机；定子绕组与转子绕组之间通过定转子磁链进行能量交互，由定转子间互感产生耦合关系并实现连接；所述背靠背电力电子变换器包括：电源侧变换器、负载侧变换器；所述电源侧变换器用于控制直流母线电压和三相电流，使直流母线电压维持恒定，并获得正弦的三相电流；所述负载侧变换器用于控制双馈异步电动机的转速和功率，实现输入功率对负载功率变化的实时追踪，维持输入与输出端的能量平衡；
发电单元等效电路阻抗模型中，同步发电机被等效为dq坐标系下的等效电路，其中，d轴与转子磁链方向相同，q轴由d轴向逆时针方向旋转90°获得；同步发电机d轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rgs与定子漏感抗sLgls之和，且耦合项-ωgψgsq被等效为电压源，与Rgs和sLgls串联；同步发电机d轴转子侧阻抗被等效为d轴转子阻尼电阻Rkd与d轴转子阻尼漏感抗sLlkd之和与转子励磁电阻Rf与转子励磁漏感抗sLlf之和的并联阻抗；同步发电机d轴互感抗sLgmd与同步发电机d轴转子侧阻抗并联后，再与同步发电机d轴定子侧阻抗串联，从而构成同步发电机d轴等效电路阻抗模型；同步发电机q轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rgs与定子漏感抗sLgls之和，且耦合项ωgψgsd被等效为电压源，与Rgs和sLgls串联；同步发电机q轴转子侧阻抗被等效为q轴转子阻尼电阻Rkq与q轴转子阻尼漏感抗sLlkq之和；同步发电机q轴互感抗sLgmq与同步发电机q轴转子侧阻抗并联后，再与同步发电机q轴定子侧阻抗串联，从而构成同步发电机q轴等效电路阻抗模型；
其中，s表示s域算子，Lgls表示定子漏磁电感，Llkd表示d轴转子阻尼漏电感，Llkq表示q轴转子阻尼漏电感，Llf表示转子励磁漏电感，Lgmd表示转子励磁漏互感，Lgmq表示转子阻尼漏互感，ωg表示同步发电机角速度，ψgsd、ψgsq分别为同步发电机d、q轴定子磁链；
双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型中包含：双馈异步电动机定转子绕组阻抗与背靠背电力电子变换器直流母线电压控制和电流控制所产生的等效阻抗；双馈异步电动机被等效为dq坐标系下的等效电路，其中，d轴与定子电压方向相同，q轴由d轴向逆时针方向旋转90°获得；电源侧变换器d轴参考电流值由直流母线电压控制获得，q轴参考电流值设置为0；电源侧变换器d轴电流控制服务于电源侧变换器输入有功功率控制，q轴电流控制服务于电源侧变换器输入无功功率控制；负载侧变换器d轴电流控制服务于双馈异步电机定子输入有功功率控制，q轴电流控制服务于双馈异步电机定子输入无功功率控制；双馈异步电动机d轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rs与定子漏感抗sLls之和，且耦合项-ωeψsq被等效为电压源，与Rs和sLls串联；双馈异步电动机d轴转子侧阻抗被等效为转子电阻Rr与转子漏感抗sLlr之和，且耦合项-ωslipψrq被等效为电压源，与Rr和sLlr串联；负载侧变换器的电流控制效果所产生的等效阻抗Zlsd与d轴转子侧阻抗串联；双馈异步电动机互感抗sLm与上述等效阻抗Zlsd与转子侧阻抗的串联阻抗并联后，再与双馈异步电动机d轴定子侧阻抗串联，形成第一串联阻抗；电源侧变换器的直流母线电压控制与电流控制效果所产生的等效阻抗Zssd与第一串联阻抗并联，从而构成双馈异步电动机d轴等效电路阻抗模型；双馈异步电动机q轴定子侧阻抗被等效为定子电阻Rs与定子漏感抗sLls之和，且耦合项ωeψsd被等效为电压源，与Rs和sLls串联；双馈异步电动机q轴转子侧阻抗被等效为转子电阻Rr与转子漏感抗sLlr之和，且耦合项ωslipψrd被等效为电压源，与Rr和sLlr串联；负载侧变换器的电流控制效果所产生的等效阻抗Zlsq与q轴转子侧阻抗串联；双馈异步电动机互感抗sLm与上述等效阻抗Zlsq与转子侧阻抗的串联阻抗并联后，再与双馈异步电动机q轴定子侧阻抗串联，形成第二串联阻抗；电源侧变换器的直流母线电压控制与电流控制效果所产生的等效阻抗Zssq与第二串联阻抗并联，从而构成双馈异步电动机q轴等效电路阻抗模型；
其中，Lls表示双馈异步电机定子端漏感，Llr表示双馈异步电机转子端漏感，Lm表示双馈异步电机互感，ωe表示双馈异步电机同步角速度，ωslip表示双馈异步电机转差角速度，ψsd、ψsq分别为双馈异步电机d、q轴定子磁链；ψrd、ψrq分别为双馈异步电机d、q轴转子磁链；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1.根据发电单元等效电路阻抗模型，获取发电单元输出dq电压与电流之间的比值，从而获取发电单元等效电路阻抗矩阵；
S2.根据双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型，获取双馈异步电力传动子系统输入dq电压与电流之间的比值，从而获取双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵；
S3.根据获取的发电单元与双馈异步电力传动子系统的等效电路阻抗矩阵，获取交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵；
步骤S2包括以下步骤：
步骤1.获取双馈异步电力传动子系统定子端等效电路阻抗矩阵；
步骤1.1.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入d轴电压与d轴电流间的比值为：
Zsdd＝Rs+Rrωe/ωslip+sLls+sLlr-Hr(s)ωe/ωslip；
步骤1.2.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入d轴电压与q轴电流间的比值为：
2sdq＝-ωeLls-ωeLlr-σωeLr；
步骤1.3.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入q轴电压与d轴电流间的比值为：
Zsqd＝ωeLls+ωeLlr+σωeLr；
步骤1.4.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统定子端输入q轴电压与q轴电流间的比值为：
Zsqq＝Rs+Rrωe/ωslip+sLls+sLlr-Hr(s)ωe/ωslip；
步骤1.5.根据步骤1.1～1.4所得到的双馈异步电力传动子系统定子侧等效电路阻抗矩阵中的各项元素，获得双馈异步电力传动子系统定子侧等效电路阻抗矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000051
其中，Hr(s)表示转子电流PI控制器的传递函数，σ表示漏感系数；
步骤2.获取双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵；
步骤2.1.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入d轴电压与d轴电流间的比值为：
Zssdd＝Rss-Hss(S)[Hdc(s)+1]；
步骤2.2.根据双馈异步电力传动子系统d轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入d轴电压与q轴电流间的比值为：
Zssdq＝-ωeLss；
步骤2.3.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入q轴电压与d轴电流间的比值为：
Zssdd＝ωeLss；
步骤2.4.根据双馈异步电力传动子系统q轴等效电路阻抗模型，得到双馈异步电力传动子系统变换器端输入q轴电压与q轴电流间的比值为：
Zssqq＝Rss-Hss(s)[Hdc(s)+1]；
步骤2.5.根据步骤2.1～2.4所得到的双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵中的各项元素，获得双馈异步电力传动子系统变换器侧等效电路阻抗矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000061
其中，Rss表示电源侧变换器侧滤波器电阻，Hss(s)表示电源侧变换器的传递函数，Hdc(s)表示直流母线电压PI控制器的传递函数，Lss表示电源侧变换器侧滤波器电感；
步骤3.获取双馈异步电力传动子系统等效电路导纳矩阵；
步骤3.1.计算双馈异步电力传动子系统定子端等效电路阻抗矩阵的行列式，计算过程如下：
det(Zsdq)＝ZsddZsqq-ZsdqZsqd
其中，det()表示矩阵的行列式；
从而获取双馈异步电力传动子系统定子端等效电路导纳矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000071
步骤3.2.计算双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路阻抗矩阵的行列式，计算过程如下：
det(Zssdq)＝ZssddZssqq-ZssdqZssqd
从而获取双馈异步电力传动子系统变换器端等效电路导纳矩阵如下；
Figure FDA0003245875090000072
步骤3.3.通过将双馈异步电力传动子系统定子端与变换器端等效电路导纳矩阵相加，计算得到双馈异步电力传动子系统等效电路导纳矩阵，计算过程如下：
Figure FDA0003245875090000073
步骤4.计算双馈异步电力传动子系统定子端等效电路导纳矩阵的行列式，计算过程如下：
det(YDFIMdq)＝YDFIMddYDFIMqq-YDFIMdqYDFIMqd
从而获取不考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000081
步骤5.获取考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵；
步骤5.1.获取从定子电压波动至锁相环输出角波动的传递函数如下：
Figure FDA0003245875090000082
其中，
Hpll(s)＝kppll+kipll/s
其中，kppll表示锁相环比例控制系数，kipll表示锁相环积分控制系数；
步骤5.2.根据双馈异步电力传动子系统稳态运行时的条件Vsd＝1p.u.，Vsq＝0p.u.对GPLL(s)表达式更新如下：
Figure FDA0003245875090000083
步骤5.3.获取锁相环传递矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000084
步骤5.4.结合锁相环控制效果之后对双馈异步电力传动子系统的阻抗矩阵进行改进如下：
ZDFIMPLLdq＝[(I-GPLL)YDFIMdq]-1
其中，
Figure FDA0003245875090000091
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：
步骤1.根据发电单元d轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出d轴电压与d轴电流间的比值为：
Zgdd＝Rgs+sLgls+Zfkd；
步骤2.根据发电单元d轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出d轴电压与q轴电流间的比值为：
Zgdq＝ωg(Lgmq 2/Lkq-Lgsq)；
步骤3.根据发电单元q轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出q轴电压与d轴电流间的比值为：
Zgqd＝ωgLgls；
步骤4.根据发电单元q轴等效电路阻抗模型，得到发电单元输出q轴电压与q轴电流间的比值为：
Zgqq＝Rgs+sLgls+Zkq；
步骤5.根据步骤1～4所得到的发电单元等效电路阻抗矩阵中的各项元素，获得发电单元等效电路阻抗矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000092
其中，Zfkd表示转子侧d轴阻抗，Lkq表示转子侧q轴阻尼电感，Lgsq表示定子侧q轴电感，Zkq表示转子侧q轴阻抗。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤S3中，交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000101
其中，
YDFIMPLLdq＝ZDFIMPLLdq -1
LGdd表示dd通道阻抗比，LGdq表示dq通道阻抗比，LGqd表示qd通道阻抗比，LGqq表示qq通道阻抗比；
计算结合锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统的阻抗矩阵的行列式的过程如下：
det(ZDFIMPLLdq)＝ZDFIMPLLddZDFIMPLLqq-ZDFIMPLLdqZDFIMPLLqd；
从而获取结合锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统的导纳矩阵如下：
Figure FDA0003245875090000102
4.一种全电船舶电力推进系统稳定性分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤0.采用如权利要求1至3任一项所述的方法获取船舶电力推进系统的阻抗比矩阵；
步骤1.分析发电单元等效电路阻抗模型的稳定性；
步骤1.1.根据获取的发电单元等效电路阻抗矩阵，列出该矩阵中各元素Zgdd，Zgdq，Zgqd，Zgqq的传递函数，Zgdd，Zgdq，Zgqd，Zgqq分别表示发电单元输出d轴电压与d轴电流间的比值、发电单元输出d轴电压与q轴电流间的比值、发电单元输出q轴电压与d轴电流间的比值、发电单元输出q轴电压与q轴电流间的比值；
步骤1.2.根据获得的各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的伯德图；
步骤1.3.根据获得各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的传递函数的伯德图得出各元素的增益裕度和相角裕度；
步骤1.4.若各发电单元等效电路阻抗矩阵元素的增益裕度和相角裕度均大于0，则发电单元稳定，否则发电单元不稳定，并且增益裕度和相角裕度越大，发电单元稳定性越好；
步骤2.分析双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型的稳定性；
步骤2.1.根据获取的不考虑锁相环控制效果与考虑锁相环控制效果的双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵，列出这两个矩阵中各元素的传递函数；
步骤2.2.根据获得的各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的伯德图；
步骤2.3.根据获得各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数的伯德图得出各元素的增益裕度和相角裕度；
步骤2.4.若各双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵元素的增益裕度和相角裕度均大于0，则双馈异步电力传动子系统稳定，否则双馈异步电力传动子系统不稳定，并且增益裕度和相角裕度越大，双馈异步电力传动子系统稳定性越好；
步骤2.5.对比两种双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗矩阵中相对应元素伯德图中的幅频和相频特征，从而分析锁相环作用效果对于双馈异步电力传动子系统等效电路阻抗模型稳定性的影响；
步骤3.分析交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统阻抗模型的整体稳定性；
步骤3.1.根据获取的交直流混合型双馈异步船舶电力推进系统的阻抗比矩阵，列出各元素LGdd，LGdq，LGqd，LGqq的传递函数，LGdd表示dd通道阻抗比，LGdq表示dq通道阻抗比，LGqd表示qd通道阻抗比，LGqq表示qq通道阻抗比；
步骤3.2.根据获得的各双馈异步船舶电力推进系统等效电路阻抗矩阵元素的传递函数，绘制相应的奈奎斯特图；
步骤3.3.根据获得各双馈异步船舶电力推进系统等效电路阻抗矩阵元素传递函数的奈奎斯特图，若图像轨迹环绕点(-1，0)的次数与系统闭环传递函数在右半平面的极点数相同，则双馈异步船舶电力推进系统稳定，否则不稳定，并且奈奎斯特图像轨迹离点(-1，0)越远，系统稳定性越好。
5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有一个或者多个程序，所述一个或者多个程序可被一个或者多个处理器执行，以实现如权利要求1至4任一项所述的方法的步骤。
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