最终船舶电力系统稳定性研究 毕业论文

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δ和功角速度ω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

Abstract

Ship is an important maritime transport for watercraft, marine development and national defense building. Ship power system as the 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 capacity is rising, the production technology is in progress, ship power system degree of automation continued development, in addition to the ship’s electrical lighting and electric drive, most ship are now using electric propulsion device. Ships using electric propulsion increase power reserve. But 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 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 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 judgment. 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 before 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 (1)

1.1 课题研究的目的和意义 (1)

1.2 国内外研究现状以及存在的不足 (2)

1.3 本文主要内容 (1)

第二章船舶电力系统稳定性理论 (5)

2.1 船舶电力系统的概述 (5)

2.1.1 船舶电力系统的一般组成结构 (5)

2.1.2 船舶电力系统的运行工况及特点 (8)

2.2电力系统稳定概念 (9)

2.2.1 电压稳定与电压崩溃 (10)

2.2.2 转子角稳定 (10)

2.2.3频率稳定 (10)

2.3 船舶电力系统稳定的分类 (11)

2.4船舶电力系统稳定性控制技术 (11)

2.4.1 传统的稳定性控制方法 (12)

2.4.2 现代稳定性控制方法 (12)

2.5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 (14)

3.1 船舶电力系统建模 (14)

3.1.1 同步发电机电气结构 (14)

3.1.2 同步发电机的绕组分配 (14)

3.2 船舶电力系统两机并联型非线性数学模型的建立 (16)

3.3 本章小结 (18)

第四章基于反推法的自适应控制器设计 (19)

4.1 自适应控制的简要概念 (19)

4.2 李雅普诺夫稳定性理论 (20)

4.2.1 标量函数定号性简介 (20)

4.2.2 李雅普诺夫（Lyapunov）第二方法的定理 (21)

4.3 反推法（back stepping）的基本原理介绍 (22)

4.4 基于反推法的自适应控制器的设计 (23)

4.5本章小结 (25)

第五章系统仿真 (27)

5.1 船舶电力系统两机并联型非线性数学模型仿真 (27)

5.2 加入控制器后的系统仿真 (29)

5.3 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]。