[發明專利]全電船舶電力推進系統阻抗比矩陣獲取及穩定性分析方法

有效

• 申請號: 202011044985.X
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112039381B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發明（設計）人: 倪鍇;甘醇;陳宇;曲榮海
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H02P9/14
• 分類號: H02P9/14;H02P9/04;H02P25/02;H02P27/06;H02P21/14;B63H21/17;B63B79/30;H02P101/35;H02P103/20
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 胡秋萍;李智

1.一種交直流混合型雙饋異步全電船舶電力推進系統的阻抗比矩陣的獲取方法，所述交直流混合型雙饋異步全電船舶電力推進系統的等效電路阻抗模型包括：發電單元等效電路阻抗模型和雙饋異步電力傳動子系統等效電路阻抗模型，

發電單元包括：原動機、調速模塊、勵磁控制模塊和同步發電機；原動機與同步發電機連接，用于帶動同步發電機轉動；調速模塊，用于對原動機發出功率指令以控制原動機的運行，從而控制同步發電機的轉速；勵磁控制模塊，用于產生勵磁電壓信號；同步發電機用于根據勵磁控制模塊產生的勵磁電壓信號，在發電機定子側產生三相交流電壓，同時也作為反饋信號輸入勵磁控制模塊；

雙饋異步電力傳動子系統包括：雙饋異步電動機與背靠背電力電子變換器；所述雙饋異步電機包括：定子繞組、轉子繞組；所述定子繞組用于將發電單元輸出能量的50％以上直接輸入雙饋異步電機；所述轉子繞組用于將發電單元輸出的剩余能量輸入雙饋異步電機；定子繞組與轉子繞組之間通過定轉子磁鏈進行能量交互，由定轉子間互感產生耦合關系并實現連接；所述背靠背電力電子變換器包括：電源側變換器、負載側變換器；所述電源側變換器用于控制直流母線電壓和三相電流，使直流母線電壓維持恒定，并獲得正弦的三相電流；所述負載側變換器用于控制雙饋異步電動機的轉速和功率，實現輸入功率對負載功率變化的實時追蹤，維持輸入與輸出端的能量平衡；

發電單元等效電路阻抗模型中，同步發電機被等效為dq坐標系下的等效電路，其中，d軸與轉子磁鏈方向相同，q軸由d軸向逆時針方向旋轉90°獲得；同步發電機d軸定子側阻抗被等效為定子電阻R_gs與定子漏感抗sL_gls之和，且耦合項-ω_gψ_gsq被等效為電壓源，與R_gs和sL_gls串聯；同步發電機d軸轉子側阻抗被等效為d軸轉子阻尼電阻R_kd與d軸轉子阻尼漏感抗sL_lkd之和與轉子勵磁電阻R_f與轉子勵磁漏感抗sL_lf之和的并聯阻抗；同步發電機d軸互感抗sL_gmd與同步發電機d軸轉子側阻抗并聯后，再與同步發電機d軸定子側阻抗串聯，從而構成同步發電機d軸等效電路阻抗模型；同步發電機q軸定子側阻抗被等效為定子電阻R_gs與定子漏感抗sL_gls之和，且耦合項ω_gψ_gsd被等效為電壓源，與R_gs和sL_gls串聯；同步發電機q軸轉子側阻抗被等效為q軸轉子阻尼電阻R_kq與q軸轉子阻尼漏感抗sL_lkq之和；同步發電機q軸互感抗sL_gmq與同步發電機q軸轉子側阻抗并聯后，再與同步發電機q軸定子側阻抗串聯，從而構成同步發電機q軸等效電路阻抗模型；

其中，s表示s域算子，L_gls表示定子漏磁電感，L_lkd表示d軸轉子阻尼漏電感，L_lkq表示q軸轉子阻尼漏電感，L_lf表示轉子勵磁漏電感，L_gmd表示轉子勵磁漏互感，L_gmq表示轉子阻尼漏互感，ω_g表示同步發電機角速度，ψ_gsd、ψ_gsq分別為同步發電機d、q軸定子磁鏈；

雙饋異步電力傳動子系統等效電路阻抗模型中包含：雙饋異步電動機定轉子繞組阻抗與背靠背電力電子變換器直流母線電壓控制和電流控制所產生的等效阻抗；雙饋異步電動機被等效為dq坐標系下的等效電路，其中，d軸與定子電壓方向相同，q軸由d軸向逆時針方向旋轉90°獲得；電源側變換器d軸參考電流值由直流母線電壓控制獲得，q軸參考電流值設置為0；電源側變換器d軸電流控制服務于電源側變換器輸入有功功率控制，q軸電流控制服務于電源側變換器輸入無功功率控制；負載側變換器d軸電流控制服務于雙饋異步電機定子輸入有功功率控制，q軸電流控制服務于雙饋異步電機定子輸入無功功率控制；雙饋異步電動機d軸定子側阻抗被等效為定子電阻R_s與定子漏感抗sL_ls之和，且耦合項-ω_eψ_sq被等效為電壓源，與R_s和sL_ls串聯；雙饋異步電動機d軸轉子側阻抗被等效為轉子電阻R_r與轉子漏感抗sL_lr之和，且耦合項-ω_slipψ_rq被等效為電壓源，與R_r和sL_lr串聯；負載側變換器的電流控制效果所產生的等效阻抗Z_lsd與d軸轉子側阻抗串聯；雙饋異步電動機互感抗sL_m與上述等效阻抗Z_lsd與轉子側阻抗的串聯阻抗并聯后，再與雙饋異步電動機d軸定子側阻抗串聯，形成第一串聯阻抗；電源側變換器的直流母線電壓控制與電流控制效果所產生的等效阻抗Z_ssd與第一串聯阻抗并聯，從而構成雙饋異步電動機d軸等效電路阻抗模型；雙饋異步電動機q軸定子側阻抗被等效為定子電阻R_s與定子漏感抗sL_ls之和，且耦合項ω_eψ_sd被等效為電壓源，與R_s和sL_ls串聯；雙饋異步電動機q軸轉子側阻抗被等效為轉子電阻R_r與轉子漏感抗sL_lr之和，且耦合項ω_slipψ_rd被等效為電壓源，與R_r和sL_lr串聯；負載側變換器的電流控制效果所產生的等效阻抗Z_lsq與q軸轉子側阻抗串聯；雙饋異步電動機互感抗sL_m與上述等效阻抗Z_lsq與轉子側阻抗的串聯阻抗并聯后，再與雙饋異步電動機q軸定子側阻抗串聯，形成第二串聯阻抗；電源側變換器的直流母線電壓控制與電流控制效果所產生的等效阻抗Z_ssq與第二串聯阻抗并聯，從而構成雙饋異步電動機q軸等效電路阻抗模型；

其中，L_ls表示雙饋異步電機定子端漏感，L_lr表示雙饋異步電機轉子端漏感，L_m表示雙饋異步電機互感，ω_e表示雙饋異步電機同步角速度，ω_slip表示雙饋異步電機轉差角速度，ψ_sd、ψ_sq分別為雙饋異步電機d、q軸定子磁鏈；ψ_rd、ψ_rq分別為雙饋異步電機d、q軸轉子磁鏈；

其特征在于，該方法包括以下步驟：

S1.根據發電單元等效電路阻抗模型，獲取發電單元輸出dq電壓與電流之間的比值，從而獲取發電單元等效電路阻抗矩陣；

S2.根據雙饋異步電力傳動子系統等效電路阻抗模型，獲取雙饋異步電力傳動子系統輸入dq電壓與電流之間的比值，從而獲取雙饋異步電力傳動子系統等效電路阻抗矩陣；

S3.根據獲取的發電單元與雙饋異步電力傳動子系統的等效電路阻抗矩陣，獲取交直流混合型雙饋異步船舶電力推進系統的阻抗比矩陣；

步驟S2包括以下步驟：

步驟1.獲取雙饋異步電力傳動子系統定子端等效電路阻抗矩陣；

步驟1.1.根據雙饋異步電力傳動子系統d軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統定子端輸入d軸電壓與d軸電流間的比值為：

Z_sdd＝R_s+R_rω_e/ω_slip+sL_ls+sL_lr-H_r(s)ω_e/ω_slip；

步驟1.2.根據雙饋異步電力傳動子系統d軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統定子端輸入d軸電壓與q軸電流間的比值為：

2_sdq＝-ω_eL_ls-ω_eL_lr-σω_eL_r；

步驟1.3.根據雙饋異步電力傳動子系統q軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統定子端輸入q軸電壓與d軸電流間的比值為：

Z_sqd＝ω_eL_ls+ω_eL_lr+σω_eL_r；

步驟1.4.根據雙饋異步電力傳動子系統q軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統定子端輸入q軸電壓與q軸電流間的比值為：

Z_sqq＝R_s+R_rω_e/ω_slip+sL_ls+sL_lr-H_r(s)ω_e/ω_slip；

步驟1.5.根據步驟1.1～1.4所得到的雙饋異步電力傳動子系統定子側等效電路阻抗矩陣中的各項元素，獲得雙饋異步電力傳動子系統定子側等效電路阻抗矩陣如下：

其中，H_r(s)表示轉子電流PI控制器的傳遞函數，σ表示漏感系數；

步驟2.獲取雙饋異步電力傳動子系統變換器端等效電路阻抗矩陣；

步驟2.1.根據雙饋異步電力傳動子系統d軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統變換器端輸入d軸電壓與d軸電流間的比值為：

Z_ssdd＝R_ss-H_ss(S)[Hdc(s)+1]；

步驟2.2.根據雙饋異步電力傳動子系統d軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統變換器端輸入d軸電壓與q軸電流間的比值為：

Z_ssdq＝-ω_eL_ss；

步驟2.3.根據雙饋異步電力傳動子系統q軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統變換器端輸入q軸電壓與d軸電流間的比值為：

Z_ssdd＝ω_eL_ss；

步驟2.4.根據雙饋異步電力傳動子系統q軸等效電路阻抗模型，得到雙饋異步電力傳動子系統變換器端輸入q軸電壓與q軸電流間的比值為：

Z_ssqq＝R_ss-H_ss(s)[H_dc(s)+1]；

步驟2.5.根據步驟2.1～2.4所得到的雙饋異步電力傳動子系統變換器端等效電路阻抗矩陣中的各項元素，獲得雙饋異步電力傳動子系統變換器側等效電路阻抗矩陣如下：

其中，R_ss表示電源側變換器側濾波器電阻，H_ss(s)表示電源側變換器的傳遞函數，H_dc(s)表示直流母線電壓PI控制器的傳遞函數，L_ss表示電源側變換器側濾波器電感；

步驟3.獲取雙饋異步電力傳動子系統等效電路導納矩陣；

步驟3.1.計算雙饋異步電力傳動子系統定子端等效電路阻抗矩陣的行列式，計算過程如下：

det(Z_sdq)＝Z_sddZ_sqq-Z_sdqZ_sqd

其中，det()表示矩陣的行列式；

從而獲取雙饋異步電力傳動子系統定子端等效電路導納矩陣如下：

步驟3.2.計算雙饋異步電力傳動子系統變換器端等效電路阻抗矩陣的行列式，計算過程如下：

det(Z_ssdq)＝Z_ssddZ_ssqq-Z_ssdqZ_ssqd

從而獲取雙饋異步電力傳動子系統變換器端等效電路導納矩陣如下；

步驟3.3.通過將雙饋異步電力傳動子系統定子端與變換器端等效電路導納矩陣相加，計算得到雙饋異步電力傳動子系統等效電路導納矩陣，計算過程如下：

步驟4.計算雙饋異步電力傳動子系統定子端等效電路導納矩陣的行列式，計算過程如下：

det(Y_DFIMdq)＝Y_DFIMddY_DFIMqq-Y_DFIMdqY_DFIMqd

從而獲取不考慮鎖相環控制效果的雙饋異步電力傳動子系統等效電路阻抗矩陣如下：

步驟5.獲取考慮鎖相環控制效果的雙饋異步電力傳動子系統等效電路阻抗矩陣；

步驟5.1.獲取從定子電壓波動至鎖相環輸出角波動的傳遞函數如下：

其中，

H_pll(s)＝k_ppll+k_ipll/s

其中，k_ppll表示鎖相環比例控制系數，k_ipll表示鎖相環積分控制系數；

步驟5.2.根據雙饋異步電力傳動子系統穩態運行時的條件V_sd＝1p.u.，V_sq＝0p.u.對G_PLL(s)表達式更新如下：

步驟5.3.獲取鎖相環傳遞矩陣如下：

步驟5.4.結合鎖相環控制效果之后對雙饋異步電力傳動子系統的阻抗矩陣進行改進如下：

Z_DFIMPLLdq＝[(I-G_PLL)Y_DFIMdq]^-1

其中，