在全电动船电力推进系统中的一种新控制模型外文翻译资料

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在全电动船电力推进系统中的一种新控制模型

摘要

在近期的海上和海中的交通工具中，全电动船（e-ships）的实现带来了革命，它们采用了不同种类的基于功率转换模块的半导体转换设备。这些功率转换器是非线性负载，能够产生非正弦的畸变电流，然后这些电流能够沿着电力网络传播扩散，从而使得母线电压畸变。当大负载通过功率转化模块被控制时，效果会更加明显。这些大负载正如电力推进系统，操作有着不同目的的任务。为了改善由于电力推进系统运作而产生的谐波畸变，在这篇文章中一种针对电力推动机的新控制模型被推荐。针对不同的航行情况，电力传动装置被包括脉冲宽度调制（PWM）、准六阶和六阶在内的三种换流器触发信号所控制。该推荐模型应用到带有电力推进系统船只的仿真结果得到了陈述。测试结果已经阐明了在推荐模型下，不同速度情况中由电力推进系统产生的谐波畸变能够得到有效抑制，从而系统供能质量得到维持。

引言

在电磁机械和功率半导体设备中的先进技术已表明了在功率产生和电力推进中密度和效率上的大幅增长。为了改善船的油耗、排放、性能和可靠性，一些造船师和终端用户越来越认同电动船的想法，这些想法强调电力系统的使用而不是非电力传输系统。它也提供了在舒适、便捷、娱乐、安全、交流、维护、支持、寿命和运行成本方面的改善。在可预见的未来，将会有越来越多的电力推进技术应用到现代海上和海中交通工具中去，尤其是军用舰船。因此，电力科技被期望在未来的主要海洋工程技术中取得进步。

电力和能源技术将在全电动船（e-ships）的发展中扮演重要角色。通常来说，未来的船舶电力和电力推进技术应当包括以下部分：

• 电机控制器有着很低的谐波
• 高电能密度和高性能的固态变流器和元件
• 为了能量和驱动，系统和元件的电力替代品如今依赖于流体运输。比如，电动执行器、电磁发射器和热电冷却器
• 电动机和发电机有着非常低的噪声和磁场特性，包括潜行在高压海底的运行情况
• 电动机和发电机上的新技术，比如超导磁铁、低温冷却器、集电器、高磁场永磁体、液体冷却和有源噪声控制

在全电动船中，应用到半导体转换设备中的调速驱动（ASDs）技术已经在减少不同过程和不同功率范围下的能耗上作为一个重要概念。它把电子和控制独特地整合到一个电力推动机上，从而执行特殊的电机控制功能。目前，为了持续性的速度和交直流电机的转矩控制，一些种类的ASDs存在于海洋交通工具中。它们是根据指定电机的电压和功率额定值来归类的。然而，这些ASDs是非线性负载，能够产生非正弦畸变电流，然后这些电流能够沿着电力网络传播扩散，从而使母线电压畸变。当大负载通过功率转化模块被控制时，效果会更加明显。这些大负载正如电力推进系统，操作有着不同目的的任务。谐波电压畸变对于全电动船有着很大的影响。它们主要会造成保护开关假跳闸、设备对于谐波的敏感度降低、激发共振从而产生过电压或过电流、对敏感电子设备的电磁干扰（EMI）、机械振动、谐波转矩波动引发的机械应力和噪声。

根据衡量电压质量的应用标准，一些方式被推荐用于抑制谐波，比如有源和无源滤波器。在提供的不同负载下，补偿电流是由滤波器有源还是无源来决定的；从而，电流质量能够可控。电压质量是通过电路阻抗上的压降来维持的。

在这篇文章，一项在全电力船推进系统中改善谐波的新概念被推荐，因为它能有效抑制由船只电力推进系统产生的谐波畸变。根据船只航行特性，整合到针对船只电力推进系统的调速驱动中的速度控制模型得到了发展。在例如推进机启动、加速、减速等情况下的电流畸变是被推荐控制模型所控制和调节的，从而强烈依附于畸变电流的电压质量得到维持。通过对一个实际全电动船电力系统的仿真，推荐模型的性能得到证实。

船只电力推进系统控制模型

电动船上的电压谐波能够通过一个针对电力推进系统的合适控制模型得到抑制。为了维持整个系统的电能质量，电力推进系统能够根据不同的速度范围被控制。在这篇文章，一种被用于高速推进系统的控制模型可被用于电力推进速度控制。在这个模型中，有三种针对换流器触发的控制信号，它们是脉冲宽度调制（PWM）、准六阶和六阶，并分别被用于0～Hz，～Hz和～Hz。速度能够根据之前定义好的相匹配的频率设定值得到控制，然后由电力推进系统产生的谐波电压畸变能够通过用于ASDs的合适的触发角来得到抑制。推进模型的细节如下详述。

PWM变流（0～Hz）

对于船只电力推进应用来说，它被要求用于控制交直流变流器的输出电压。为了应对输入直流电压上的变化、变流器的电压调节和恒定电压/频率控制，变流器的输出电压基本上被控制了。出于这个目的而使用最流行的技术是PWM。对于PWM技术，不同的变量是可能的，这使得变流器转换到不同应用情况下得到更优的控制。在这篇文章，一种电流控制的PWM被应用，因为它在电压控制上有一些优势，比如在输出阶段的短路保护、简单控制电路和高效等等。它们能够被应用到中等功率到大型功率的设备中去，比如推进电机、泵、风扇和电动船上电力负载中的压缩机等转矩通常要求是变化的场所。在这种类型，固态转换设备为每一相构建了一个六阶电流波而非一个电压波。通过换流器输入端的大电感，当电压变动着去满足推进电机的要求时，电流是被控制的。通常，迟滞控制能够被用于这些设备中从而获得更好的控制性能。工作在低速和常转矩模式下的推进机会有一个小的反电动机力，并且转矩要求也是较小的。此时，如果换流器是被PWM控制，电机便能够更流畅地加速。这是因为PWM控制方式能够有更少的谐波畸变；因此，它导致更小的转矩变化和更流畅的加速过程。由于有限的空间，电流控制PWM换流器的数学模型可以在细节中被发现。

准六阶换流器（～Hz）

准六阶环流器运作起来和六阶变化电压换流器很相像，除了合适设计的相移角被用于消除n阶谐波。准六阶控制模型典型相移角的设计是如下描述的。

对于船舶电力网络中给定总线上的电压，它的傅里叶级数可以简单如下表示：

（1）

式中能够如下计算：

（2）

在（2）中，和是相移角，它们被设计用于消除特定阶数的谐波。比如，如果3阶和5阶谐波是要消除的，那么通过迭代数字计算，分别可以求出和的角度是和。

六阶换流器（～Hz）

六阶控制换流器通常是被用于在电力船舶上的中低功率设备，这些设备能够有效地工作在15%-200%的电机运行速度范围。在这种控制结构中，直流功率的获得来于像直流斩波器这样的变化电压源，电压和频率根据电机要求来调整的。它在一个分离的部分控制电压，这个部分来源于频率产生输出。它应用六个组合了六个二极管的固态转换设备。这些固态转换器被控制用于为每相产生六阶电压波。六个转换器中每个的传导时间是变化的，这导致了输出电压频率上的变化。

尽管六阶换流器的运作是简单经济的，但是它可能具有最糟糕的输出波形。此外，伴随速度和负载的上升，功率因数会下降。再加之相较于其他换流器，它通常要求更大的滤波器。因此，为了得到高功率因数，它运作在一个特殊的速度范围。因为六阶换流器仅一个周期转换两次，转换损耗可能减少但是输出谐波相对增加；因此，它会对电机转矩造成打击。幸运地，此时电机是高速运行状态且惯性较大；因此，电机对于相对小的转矩打击是免疫的。

之前提及的针对电动船中电力推进系统中的这三种换流器模式是被整合到一个可变电压可变频率（VVVF）模型中，它被用于ASDs。在这种整合的控制方案中，根据速度指令和实际速度间的差异，转矩指令根据一个带有PID控制器的速度控制模块来下达。此外，为了根据不同的推进机速度/频率范围来挑选和运行不同的换流器模式，波形发生器也是得到了发展。

仿真结果及讨论

为了确保推荐模型的性能，一个电动船系统被用于研究。这里有四个额定容量是2145KVA和640KVA的柴油发电机，两个额定容量是2200KW的主要推进机，三个额定容量是350KW的船首推进器马达。主母线的系统电压是交流690V，它直接满足船首推进器马达，但是要转换到交流3300V去满足主推进电机。船只的系统频率是50Hz。

包括航海加速、低速航行和向船尾紧急减速等在内的不同航行情况都被考虑到了。来于推荐模型的控制结果也和传统控制（直接启动）和PWM控制方式相比较。在控制模型中，之前提及的，和分别被设定为30Hz，40Hz和50Hz。推荐模式下的PWM换流器、准六阶换流器和六阶换流器的输出分别展示在图1（a）、图1（b）和图1（c）中。图2（a）、图2(b)和图2（c）分别展示了直接启动控制、PWM控制和推荐控制方式下的推进机启动电流。从这些图表中能够看出，直接控制方式下推进机启动电流是2600A，约为额定电流的六倍，而PWM控制下是二至三倍，推荐方式下启动电流约是1000A。结果也表明相较于推荐模型，直接启动控制和PWM控制下的电流波形略有畸变。图3展示了推荐模型下主母线的电压波形。从中能够看出由于推进机的谐波电流得到合适的控制，电压波形是纯正弦的；因此，电压质量也得到了维持。

总结

对于发展全电动船来说，抑制谐波畸变是一项重要且必要的课题，它能够被引入系统早期设计。全电动船中电力推进系统的新型控制模型已经被推荐了。通过使用一个实际的电动船电力系统，推荐模型的性能在不同航海情况下得到保证。测试结果已显示在推荐模型下，电流畸变由于推进机运作而能有效地被改善，系统的电压质量也得到了维持。测试结果能够在工程师设计相似系统时为维持系统运行效率和安全提供帮助。

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