1.本文件涉及计算机仿真
技术领域：
：，尤其涉及一种船舶综合电力推进系统仿真方法、电子设备及存储介质。
背景技术：
：：2.目前，对船舶电力系统进行仿真分析主要利用的是陆地电力系统仿真软件，主要进行系统的短路计算、暂态仿真、拓扑分析、潮流稳态计算、保护控制仿真、故障重构、生命力分析等。陆地电力系统仿真软件经过了长时间检验，已经得到了很好的仿真效果且在各个领域广泛得到应用，因此具有较高的可信度。但是，船舶电力系统有其自身的特点，运行时相当于一个微电网结构，对于它的研究和对智能电网及微电网的研究一样，以往的陆用电力系统仿真软件已经力不从心。因此，针对船舶电力系统，陆地电力系统的仿真软件并不完全适用。3.利用计算机对舰船综合电力推进系统进行仿真分析，能够对目标系统进行全面测试，对系统的设计修改提供数据支撑，保证系统在遇到恶劣工况时都能够稳定可靠运行。然而，国内还没有一款适用于舰船综合电力推进系统的仿真平台来对船舶电力系统前期设计进行仿真分析。技术实现要素：4.本发明提供一种船舶综合电力推进系统仿真方法、电子设备及存储介质，旨在解决上述问题。5.本说明书一个或多个实施例提供了一种船舶综合电力推进系统仿真方法，包括：包括：6.对船舶综合电力推进系统进行分析，基于分析结果，通过simulink与plecs结合的方法对船舶综合电力推进系统的各个部分进行建模，构建船舶综合电力推进系统仿真模型；7.基于船舶综合电力推进系统仿真模型构建船舶综合电力推进系统数字仿真平台；8.根据船舶综合电力推进系统数字仿真平台对船舶综合电力推进系统进行仿真。9.本说明书一个或多个实施例提供了一种电子设备包括：10.处理器；以及，11.被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令在被执行时使所述处理器执行如上述船舶综合电力推进系统仿真方法的步骤。12.本说明书一个或多个实施例提供了一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时实现如上述船舶综合电力推进系统仿真方法的步骤。13.采用本发明实施例，首先在建模研究的基础上建立系统的仿真模型库；其次，分析船舶综合电力推进系统的特点，选择仿真的软件环境，针对数字仿真中存在的问题进行解决，完成系统不同构成和工况下的数字仿真，建立系统的仿真模型库；最后，完成船舶综合电力推进系统仿真平台的前端界面，实现数字仿真平台的建立。具有较好的创新意义和理论研究与工程应用价值，为后续研究工作提供了有益的参考和重要的借鉴。附图说明14.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。15.图1为本发明实施例的船舶mvdc综合电力推进系统单线图；16.图2为本发明实施例的一种船舶综合电力推进系统仿真方法的流程图；17.图3为本发明实施例的仿真软件的基本框架图；18.图4为本发明实施例的发电系统结构图；19.图5为本发明实施例的燃气轮机与控制器整体仿真模型图；20.图6为本发明实施例的仿真平台结构示意图；21.图7为本发明实施例的常阻感参数发电机vbr模型与整流器连接示意图；22.图8为本发明实施例的两级式vsi结构图；23.图9为本发明实施例的螺旋桨负载模拟系统的结构图。具体实施方式24.为了使本
技术领域：
：的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。25.船舶综合电力推进系统的组成和结构形式多种多样，随着系统研究的发展，已经出现了包括低压交流(lowvoltageac,lvac)、中压交流(mediumvoltageac,mvac)、高频交流(highfrequencyac,hfac)和中压直流(mediumvoltagedc,mvdc)等不同电压等级、不同电网结构的系统组成和电网结构。其中，采用mvdc配电的船舶综合电力推进系统具有更多潜在的优点，其中最主要优点的是能够实现原动机速度控制和发电机电压之间的解耦，还包括能够实现更高的效率和更低的噪声，并使得系统的重量减轻，提升系统整体的功率密度等。采用mvdc配电已经被世界各国确立为船舶综合电力推进系统的发展方向。尽管船舶mvdc综合电力推进系统具有如此多诱人的优点，但是由于系统本身的复杂性，目前还没有在实船中得到应用，能够完全在实船中实现这些优点需要具备强有力的分析工具从而在设计研发阶段解决面临的困难和挑战。因此，本课题以采用mvdc配电的船舶综合电力推进系统为研究对象进行研究，在进行建模与仿真研究之前，首先给出典型的mvdc综合电力推进系统的组成结构图，如图1所示。26.在如图1所示的系统构成中，包含了船舶mvdc综合电力推进系统的主要组成部分，包括燃气轮机及其调速器、同步发电机、励磁调压器、二极管整流器、整流滤波器、制动电阻、逆变滤波器、电压型pwm逆变器(voltagesourcepwminverter,pwm-vsi)、异步推进电机、船桨负载以及推进电机的转矩控制组成。27.由于系统本身的复杂性，系统的研发需要耗费大量的人力和物力，以及从以往国内外进行的船舶综合电力推进系统数字仿真研究来看，一方面，由于对于交流配电系统的研究开展比较早，因此，针对交流配电系统的数字仿真研究较多，也较为成熟；另一方面，由于采用直流配电的系统兴起较晚，针对直流配电系统的仿真研究则刚刚开始，针对mvdc系统的数字仿真则更加匮乏，而且在仿真中使用的模型、仿真方法以及仿真研究的工况都较具有一定的局限性。针对以上问题，在项目首先提出数字仿真平台的构建方案:船舶mvdc综合电力推进系统的数字仿真平台主要包括系统的仿真模型库、仿真程序库和前端界面。按照数字仿真平台构建的要求，首先在建模研究的基础上建立系统的仿真模型库；其次，分析船舶综合电力推进系统的特点，选择仿真的软件环境，针对数字仿真中存在的问题进行解决，完成系统不同构成和工况下的数字仿真，建立系统的仿真模型库；最后，完成船舶综合电力推进系统仿真平台的前端界面，实现数字仿真平台的建立。下面对本发明实施例进行具体说明。28.方法实施例29.根据本发明实施例，提供了一种船舶综合电力推进系统仿真方法，图2是本发明实施例的船舶综合电力推进系统仿真方法的流程图，如图2所示，根据本发明实施例的船舶综合电力推进系统仿真方法具体包括：30.步骤s101，对船舶综合电力推进系统进行分析，基于分析结果，通过simulink与plecs结合的方法对船舶综合电力推进系统的各个部分进行建模，构建船舶综合电力推进系统仿真模型。31.步骤s101具体包括：32.1、构建船舶综合电力推进系统的仿真模型库，在matlab/simulink以及plecs环境下建立船舶综合电力推进系统的仿真模型库。仿真模型库是数字仿真平台的基础，进行仿真平台构建的第一步是在建模研究的基础上对所建立的模型进行封装、整合，成为可以供用户调用的仿真模型，船舶综合电力推进系统的仿真模型库主要实现以下功能:33.(1)实现对上述各设备模型的封装；34.(2)无缝集成在simulink的模型库中，包含了simulink和plecs的模型；35.(3)用户可以通过拖拽调用模型库中的模块；36.(4)用户可以输入自定义的模型参数；37.模型库具有扩展性，新模型完成之后，可以继续加入。38.在建模工作的基础上，构建了船舶综合电力推进系统的仿真模型库。仿真模型库首先集成在simulink模型库下，simulink下的模型主要包括燃气轮机及调速器模型，励磁电压控制器模型以及四象限螺旋桨模型和船舶运动模型；plecs中的模型包括六相同步发电机vbr模型、对称六相异步电动机模型、不对称六相异步电动机模型、十二相异步电动机模型、二极管整流器平均值模型和pwm-vsi平均值模型等。仿真软件基本框架，如图3所示。39.除此之外，在研究过程中新建立的模型可以直接添加到模型库的文件中，很方便的实现模型库的扩展。通过在仿真程序库构建过程中的使用，仿真模型库实现了预期的功能。用户可以在数字仿真平台上直接打开模型库使用。40.2、构建船舶综合电力推进系统的仿真程序库41.对于发电机和异步电机等复杂的设备，我们通过建模方法和模型实现技术的研究。在各部分的建模中，对模型较为简单的各个设备进行建模从而分析船舶mvdc综合电力推进系统的特点，从而将系统的程序库分为三部分；发电系统仿真、桨推进系统仿真和全系统多工况的仿真。42.3、对发电系统仿真43.发电系统由燃气轮机及其调速器、同步发电机、六脉冲二极管不控整流器、整流滤波器、直流母线电压控制器和等效负载组成。其结构如图4所示。44.由于使用了simuink/plecs仿真环境，其中燃气轮机及其调速器、直流电压控制器在simulink中进行仿真，其余的电气部分在plecs中进行仿真。首先进行各部分仿真模型的建立。45.燃气轮机及其控制器的模型，在simulink中建立其仿真模型，如图5所示。46.发电系统中的同步发电机可以采用三相同步发电机或六相同步发电机，其模型采用vbr模型，由于在发电系统中，同步发电机和二极管整流器是直接相连的，如果采用传统的d-q轴模型，在plecs中，需要使用受控源实现d-q轴动态模型和电力端口之间的接口，而受控源不能与二极管等非线性元器件直接相连，需要加入额外的rc缓冲回路，这样就破坏了系统原有的结构。因此，本课题在发电系统仿真中采用vbr模型来避免这一问题，同步发电机vbr模型的定子电路可以直接同二极管整流器连接，不需要额外的阻尼电路。三相同步发电机的vbr模型通过一个二极管整流器相连将交流电变换成额外的阻尼电路。三相同步发直流电，六相同步发电机的vbr模型通过两个并联的二极管整流器将交流电变换成直流电。之后分别对三相同步发电机和六相同步发电机的情况进行仿真。47.发电系统的整流器采用二极管不控整流器，为了保证仿真的准确度，整流器的仿真模型可以采用plecs软件提供的二极管整流器开关模型模型。在整流器的输出端接入电力滤波器从而滤去整流器的由于开关作用而产生的高频谐波。48.传统的船舶交流综合电力推进系统中，系统的电压母线为三相交流，通过控制发电机的励磁来控制发电机输出的三相电压从而使得交流母线保持稳定，交流母线的控制包括频率和电压两个方面，而在船舶mvdc综合电力推进系统中只需要通过控制励磁电压来控制直流母线电压的幅值。49.电压控制器的输入为给定的直流母线电压，其反馈为滤波之后的整流器输出电压，加入低通滤波环节能够避免仿真系统中代数环的产生。在系统各部分的模型和参数确定之后，在simulink/plces环境下可以构建发电系统的仿真。50.4、对桨推进系统仿真51.通过本课题的研究对象‑‑船舶mvdc综合电力推进系统的构成图1可以看出，在桨推进系统需要实现对异步推进电机电磁转矩的控制，通常使用的控制策略有恒转差率电流控制(constantslipcurrentcontrol，csc)、直接转矩控制等，由于要对船舶综合电力推进系统的各个不同运行工况进行仿真，需要实现推进电机四象限的驱动，而csc是一种标量控制，不能实现推进电机的四象限运行，因此，本课题在推进部分采用直接转矩控制。52.异步电动机直接转矩控制(directtorquecontrol，dtc)的核心思想是直接并同时控制电动机的定子磁链和电磁转矩。在dtc中，电机的定子电流和电压的控制是间接的，在基于dtc的异步电动机驱动系统中，电动机的转矩和磁链使用闭环控制的方式，不使用电流环。在构建基于dtc的异步电动机驱动系统时，电动机的磁链和电磁转矩需要进行精确的估计，在进行估计时，唯一需要的电机参数是定子电阻，而转矩的估计则不需要其他的电机参数，因此，直接转矩控制对电机参数的敏感度较低的优点。53.构建直接转矩控制的方法主要有以下几种:开关表法(switchingtable，st)，也称为传统dtc、直接自控(directselfcontrol，dsc)等。st和dsc均为滞环比较型调节器。在传统的dtc即st法中，逆变器的开关状态通过开关表得到，由于这种方法既不需要电流控制器也不使用pwm调制，因此能够产生快速的转矩响应，尽管这种方法具有极好的转矩动态过程，其也存在一定的缺点。传统的dtc存在的主要问题在于由于使用基于滞环的dtc，逆变器的开关频率不是恒定的。当构建数字型的滞环控制器时，计算转矩和磁链时需要较高的采样频率从而得到较好的跟踪响应并使得转矩和磁销误差在指定的范围内。而逆变器的开关频率随着驱动系统的速度以及误差范围变化，与系统采样频率相比较低。此外，在使用传统dtc起动和低速运行时，dtc策略反复选择0电压矢量使得磁链降低将导致系统的响应较差。因此，本课题在推进系统中部分采用直接转矩控制。54.步骤s102，基于船舶综合电力推进系统仿真模型构建船舶综合电力推进系统数字仿真平台；55.在仿真模型库和仿真程序库的基础上，进行船舶综合电力推进系统数字仿真平台的构建，数字仿真平台针对simulink/plecs进行二次开发，主要实现以下功能：56.①用户可以根据自身的需要，使用模型库中提供的模型建立用户的仿真模型进行船舶综合电力推57.进系统的仿真；58.②用户可以选择典型的船舶综合电力推进系统的仿真程序，并根据用户提供的参数进行系统的仿真，程序包括发电系统仿真、桨推进系统仿真和全系统多个工况的仿真；59.③用户可以根据自身的情况，选择不同精度等级的模型从而满足用户对仿真速度和仿真精度的要求；60.④仿真平台能够显示和输出仿真得到的结果供用户观测和记录。61.基于以上功能需求，设计船舶综合电力推进系统数字仿真平台的架构，如图6所示。62.船舶综合电力推进系统数字仿真平台主要有两个模块，分别为系统仿真模型，系统仿真程序库。用户主要通过系统仿真模型构建船舶综合电力推进系统模型，接着根据系统模型进行发电系统数字仿真和桨推进系统数字仿真，最后得出仿真的结果。63.其中根据图1给出的研究对象的各部分进行建模，具体包括：64.选择燃气轮机作为原动机进行建模，包括了燃气轮机及其调速器；65.选择电励磁的同步电机作为发电机进行建模，包括同步发电机及调压器；66.电力变换器部分选择二极管不可控整流器和pwm-vsi分别作为整流器和逆变器，并包含了相应的电力滤波器；67.推进电机选择异步电动机，螺旋桨选择直接驱动的定距桨，并对船舶的前向运动进行建模。68.(1)燃气轮机及其调速器69.原动机是船舶综合电力推进系统电能的源泉，直接向发电机提供机械能，从而为全船供电。原动机通常有柴油机和燃气轮机两种，对于船舶综合电力推进系统这种对功率需求较大的场合，往往选用燃气轮机。由于在船舶综合电力推进系统中，采用调速器使得燃气轮机始终以相同的转速旋转，不需要像传统的直驱型船舶中的燃气轮机一样具有复杂的动态过程，因此，本发明实施例对燃气轮机的建模采用了简化的动态模型。得燃气轮机始终以相同的转速旋转，不需要像传统的直驱型船舶中的燃气轮机一样具有复杂的动态过程。70.2、整流器71.整流电路在船舶综合电力推进系统中承担将同步发电机输出的交流电变换成直流电的任务，相比于pwm整流器，二极管不控整流器具有功率密度高，可靠性更好成本更低等优点，因而在大功率电力变换，变频驱动器中的应用较为广泛，因此，本课题中系统的整流器采用二极管不控整流，另一方面，为了避免整流器的开关作用形成的高次谐波对系统的直流母线产生影响，整流器之后需要加入滤波器。72.对于电力电子设备的平均值模型是基于状态空间平均法，将设备开通与关断情况下的状态方程乘以相应的占空比进行平均得到的，这就使得其能够在忽略开关周期的情况下获得设备的特性。与开关模型相比，平均值模型损失了一定的准确度，但是提高了计算速度，因此，平均值模型常用于进行如系统效能的研究、系统稳定性的研究等系统级的仿真和分析研究中，而开关模型常用来进行针对电力变换设备性能的研究。鉴于大多数商用仿真软件都提供了相应的开关模型，同时为了建立系统ode(常微分方程)模型打下基础，因此本文提出一种常阻感参数同步发电机vbr模型结合二极管整流器平均值模型(averagevaluemodel，avm)的非线性ode模型构建方法，其示意图7所示：73.3、pwm-vsi74.pwm-vsi逆变器将船舶综合电力推进系统的直流母线电压变换成交流电压，从而给异步推进电机供电，通过开关频率的调节实现对异步推进电机输出电磁转矩或转速的控制。75.通常情况下，传统的电压源型逆变器(voltagesourceinverter,vsi)是一种降压逆变器，这需要vsi的直流侧输入电压要大于交流侧输出电压的峰值，而可再生能源发电系统的电池输出电压通堂低干交流侧电压峰值，为在交流侧获得理想的正弦电压，采用两级式vsi结构如图8所示，前端带有升压结构的两级vsi结构如图8(a)所示，后端带有工频变压器结构的两级vsi结构如图8(b)所示。76.与二极管整流器输出端的滤波器相似，pwm-vsi的输入端也需要滤波器从而避免高频的开关产生的谐波对直流母线产生影响。本课题对逆变器建立了pwm-vsi的平均值模型，并假设所有的开关都工作在连续导通的模式，则可以使用一个连续的正弦波对正弦pwm进行平均，便于逆变器建模。77.3.4六相同步发电机vbr模型建立78.vbr模型的一个最主要的特点是实现六相同步发电机定子支路方程与转子的动态过程的分离，其中，定子通过电阻电感支路表示，定子回路的电压和电流作为转子回路的输入，vbr模型的每个定子支路中都包含一个由转子状态决定的反电动势，用来建立定子回路与转子回路之间的联系。同时，79.定子回路的电阻和电感也是磁链状态以及转子位置与转速的函数。本课题根据d-q轴模型以及交叉磁饱和模型进行六相同步发电机vbr模型的推导。80.六相同步电机与三相同步电机的不同除了包括多一套三相绕组之外，还在于其电压方程中包含了两套三相绕组之间的耦合，针对此问题，本课题一种提出采用双派克反变换对其进行处理并实现将其耦合重新转化到定子支路中的方法。通过提出的使用双派克反变换将耦合重新转化到定子支路后得到的电阻和电感表达式，从而将两套三相绕组的耦合重新融合到vbr模型的定子绕组电感中。81.3.5六相同步发电机vbr模型82.对船舶综合电力推进系统同螺旋桨负载和船舶运动之间的相互作用进行建模对于系统各工况的仿真是非常关键的。在船舶mvdc综合电力推进系统中，推进电机同螺旋桨同轴连接，具有相同的转速，一方面，机械能可以从推进系统流向螺旋桨流向船舶运动从而推进船舶航行，另一方面，也可以从船舶运动流向螺旋桨流向推进系统从而产生能量的回馈。当船舶前进或者后退时，电动机作为发电机组来说非常重要。本课题为了实现对螺旋桨负载特性的建模，研究了螺旋桨负载的四象限特性，建立的螺旋桨负载的四象限模型结构，如图9所示。螺旋桨负载模拟系统采用驱动电机-负载电机结构形式。采用机械负载电动模拟技术,推进电机采用转速闭环控制方式,负载电动机采用转矩开环控制方式,通过对负载电机的转矩控制,实现对推进电机加载的目的,为推进电机提供逼真的负载转矩。83.步骤s103，根据船舶综合电力推进系统数字仿真平台对船舶综合电力推进系统进行仿真。84.通过采用本发明实施例，具有如下有益效果：85.建立了船舶综合电力推进系统各主设备的数学模型，针对船舶综合电力推进系统中包含复杂的多相电机这一特点，提出了六相同步发电机vbr模型的建模方法，解决了其存在的磁饱和建模和两套绕组之间的耦合问题。86.针对船舶综合电力推进系统涉及领域多、自身的刚性以及各部分连接紧密的特点，提出采用simulink和plecs(电子电路仿真)相结合的离线数字仿真方法，满足系统仿真的需要，提出了系统数字仿真平台的构建方案；构建了恒开关频率dtc系统改进了传统的控制方式的缺点，实现了发电系统、桨推进系统的仿真；以仿真模型库和仿真程序库为基础，完成了船舶中压直流综合电力推进系统数字仿真平台的构建。87.装置实施例一88.本发明实施例提供一种电子设备，包括：89.处理器；以及，90.被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令在被执行时使所述处理器执行如上述方法实施例中所述的步骤。91.装置实施例二92.本发明实施例提供一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时实现如上述方法实施例中所述的步骤。93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12当前第1页12
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：，尤其涉及一种船舶综合电力推进系统仿真方法、电子设备及存储介质。
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：：2.目前，对船舶电力系统进行仿真分析主要利用的是陆地电力系统仿真软件，主要进行系统的短路计算、暂态仿真、拓扑分析、潮流稳态计算、保护控制仿真、故障重构、生命力分析等。陆地电力系统仿真软件经过了长时间检验，已经得到了很好的仿真效果且在各个领域广泛得到应用，因此具有较高的可信度。但是，船舶电力系统有其自身的特点，运行时相当于一个微电网结构，对于它的研究和对智能电网及微电网的研究一样，以往的陆用电力系统仿真软件已经力不从心。因此，针对船舶电力系统，陆地电力系统的仿真软件并不完全适用。3.利用计算机对舰船综合电力推进系统进行仿真分析，能够对目标系统进行全面测试，对系统的设计修改提供数据支撑，保证系统在遇到恶劣工况时都能够稳定可靠运行。然而，国内还没有一款适用于舰船综合电力推进系统的仿真平台来对船舶电力系统前期设计进行仿真分析。技术实现要素：4.本发明提供一种船舶综合电力推进系统仿真方法、电子设备及存储介质，旨在解决上述问题。5.本说明书一个或多个实施例提供了一种船舶综合电力推进系统仿真方法，包括：包括：6.对船舶综合电力推进系统进行分析，基于分析结果，通过simulink与plecs结合的方法对船舶综合电力推进系统的各个部分进行建模，构建船舶综合电力推进系统仿真模型；7.基于船舶综合电力推进系统仿真模型构建船舶综合电力推进系统数字仿真平台；8.根据船舶综合电力推进系统数字仿真平台对船舶综合电力推进系统进行仿真。9.本说明书一个或多个实施例提供了一种电子设备包括：10.处理器；以及，11.被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令在被执行时使所述处理器执行如上述船舶综合电力推进系统仿真方法的步骤。12.本说明书一个或多个实施例提供了一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时实现如上述船舶综合电力推进系统仿真方法的步骤。13.采用本发明实施例，首先在建模研究的基础上建立系统的仿真模型库；其次，分析船舶综合电力推进系统的特点，选择仿真的软件环境，针对数字仿真中存在的问题进行解决，完成系统不同构成和工况下的数字仿真，建立系统的仿真模型库；最后，完成船舶综合电力推进系统仿真平台的前端界面，实现数字仿真平台的建立。具有较好的创新意义和理论研究与工程应用价值，为后续研究工作提供了有益的参考和重要的借鉴。附图说明14.为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。15.图1为本发明实施例的船舶mvdc综合电力推进系统单线图；16.图2为本发明实施例的一种船舶综合电力推进系统仿真方法的流程图；17.图3为本发明实施例的仿真软件的基本框架图；18.图4为本发明实施例的发电系统结构图；19.图5为本发明实施例的燃气轮机与控制器整体仿真模型图；20.图6为本发明实施例的仿真平台结构示意图；21.图7为本发明实施例的常阻感参数发电机vbr模型与整流器连接示意图；22.图8为本发明实施例的两级式vsi结构图；23.图9为本发明实施例的螺旋桨负载模拟系统的结构图。具体实施方式24.为了使本
技术领域：
：的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。25.船舶综合电力推进系统的组成和结构形式多种多样，随着系统研究的发展，已经出现了包括低压交流(lowvoltageac,lvac)、中压交流(mediumvoltageac,mvac)、高频交流(highfrequencyac,hfac)和中压直流(mediumvoltagedc,mvdc)等不同电压等级、不同电网结构的系统组成和电网结构。其中，采用mvdc配电的船舶综合电力推进系统具有更多潜在的优点，其中最主要优点的是能够实现原动机速度控制和发电机电压之间的解耦，还包括能够实现更高的效率和更低的噪声，并使得系统的重量减轻，提升系统整体的功率密度等。采用mvdc配电已经被世界各国确立为船舶综合电力推进系统的发展方向。尽管船舶mvdc综合电力推进系统具有如此多诱人的优点，但是由于系统本身的复杂性，目前还没有在实船中得到应用，能够完全在实船中实现这些优点需要具备强有力的分析工具从而在设计研发阶段解决面临的困难和挑战。因此，本课题以采用mvdc配电的船舶综合电力推进系统为研究对象进行研究，在进行建模与仿真研究之前，首先给出典型的mvdc综合电力推进系统的组成结构图，如图1所示。26.在如图1所示的系统构成中，包含了船舶mvdc综合电力推进系统的主要组成部分，包括燃气轮机及其调速器、同步发电机、励磁调压器、二极管整流器、整流滤波器、制动电阻、逆变滤波器、电压型pwm逆变器(voltagesourcepwminverter,pwm-vsi)、异步推进电机、船桨负载以及推进电机的转矩控制组成。27.由于系统本身的复杂性，系统的研发需要耗费大量的人力和物力，以及从以往国内外进行的船舶综合电力推进系统数字仿真研究来看，一方面，由于对于交流配电系统的研究开展比较早，因此，针对交流配电系统的数字仿真研究较多，也较为成熟；另一方面，由于采用直流配电的系统兴起较晚，针对直流配电系统的仿真研究则刚刚开始，针对mvdc系统的数字仿真则更加匮乏，而且在仿真中使用的模型、仿真方法以及仿真研究的工况都较具有一定的局限性。针对以上问题，在项目首先提出数字仿真平台的构建方案:船舶mvdc综合电力推进系统的数字仿真平台主要包括系统的仿真模型库、仿真程序库和前端界面。按照数字仿真平台构建的要求，首先在建模研究的基础上建立系统的仿真模型库；其次，分析船舶综合电力推进系统的特点，选择仿真的软件环境，针对数字仿真中存在的问题进行解决，完成系统不同构成和工况下的数字仿真，建立系统的仿真模型库；最后，完成船舶综合电力推进系统仿真平台的前端界面，实现数字仿真平台的建立。下面对本发明实施例进行具体说明。28.方法实施例29.根据本发明实施例，提供了一种船舶综合电力推进系统仿真方法，图2是本发明实施例的船舶综合电力推进系统仿真方法的流程图，如图2所示，根据本发明实施例的船舶综合电力推进系统仿真方法具体包括：30.步骤s101，对船舶综合电力推进系统进行分析，基于分析结果，通过simulink与plecs结合的方法对船舶综合电力推进系统的各个部分进行建模，构建船舶综合电力推进系统仿真模型。31.步骤s101具体包括：32.1、构建船舶综合电力推进系统的仿真模型库，在matlab/simulink以及plecs环境下建立船舶综合电力推进系统的仿真模型库。仿真模型库是数字仿真平台的基础，进行仿真平台构建的第一步是在建模研究的基础上对所建立的模型进行封装、整合，成为可以供用户调用的仿真模型，船舶综合电力推进系统的仿真模型库主要实现以下功能:33.(1)实现对上述各设备模型的封装；34.(2)无缝集成在simulink的模型库中，包含了simulink和plecs的模型；35.(3)用户可以通过拖拽调用模型库中的模块；36.(4)用户可以输入自定义的模型参数；37.模型库具有扩展性，新模型完成之后，可以继续加入。38.在建模工作的基础上，构建了船舶综合电力推进系统的仿真模型库。仿真模型库首先集成在simulink模型库下，simulink下的模型主要包括燃气轮机及调速器模型，励磁电压控制器模型以及四象限螺旋桨模型和船舶运动模型；plecs中的模型包括六相同步发电机vbr模型、对称六相异步电动机模型、不对称六相异步电动机模型、十二相异步电动机模型、二极管整流器平均值模型和pwm-vsi平均值模型等。仿真软件基本框架，如图3所示。39.除此之外，在研究过程中新建立的模型可以直接添加到模型库的文件中，很方便的实现模型库的扩展。通过在仿真程序库构建过程中的使用，仿真模型库实现了预期的功能。用户可以在数字仿真平台上直接打开模型库使用。40.2、构建船舶综合电力推进系统的仿真程序库41.对于发电机和异步电机等复杂的设备，我们通过建模方法和模型实现技术的研究。在各部分的建模中，对模型较为简单的各个设备进行建模从而分析船舶mvdc综合电力推进系统的特点，从而将系统的程序库分为三部分；发电系统仿真、桨推进系统仿真和全系统多工况的仿真。42.3、对发电系统仿真43.发电系统由燃气轮机及其调速器、同步发电机、六脉冲二极管不控整流器、整流滤波器、直流母线电压控制器和等效负载组成。其结构如图4所示。44.由于使用了simuink/plecs仿真环境，其中燃气轮机及其调速器、直流电压控制器在simulink中进行仿真，其余的电气部分在plecs中进行仿真。首先进行各部分仿真模型的建立。45.燃气轮机及其控制器的模型，在simulink中建立其仿真模型，如图5所示。46.发电系统中的同步发电机可以采用三相同步发电机或六相同步发电机，其模型采用vbr模型，由于在发电系统中，同步发电机和二极管整流器是直接相连的，如果采用传统的d-q轴模型，在plecs中，需要使用受控源实现d-q轴动态模型和电力端口之间的接口，而受控源不能与二极管等非线性元器件直接相连，需要加入额外的rc缓冲回路，这样就破坏了系统原有的结构。因此，本课题在发电系统仿真中采用vbr模型来避免这一问题，同步发电机vbr模型的定子电路可以直接同二极管整流器连接，不需要额外的阻尼电路。三相同步发电机的vbr模型通过一个二极管整流器相连将交流电变换成额外的阻尼电路。三相同步发直流电，六相同步发电机的vbr模型通过两个并联的二极管整流器将交流电变换成直流电。之后分别对三相同步发电机和六相同步发电机的情况进行仿真。47.发电系统的整流器采用二极管不控整流器，为了保证仿真的准确度，整流器的仿真模型可以采用plecs软件提供的二极管整流器开关模型模型。在整流器的输出端接入电力滤波器从而滤去整流器的由于开关作用而产生的高频谐波。48.传统的船舶交流综合电力推进系统中，系统的电压母线为三相交流，通过控制发电机的励磁来控制发电机输出的三相电压从而使得交流母线保持稳定，交流母线的控制包括频率和电压两个方面，而在船舶mvdc综合电力推进系统中只需要通过控制励磁电压来控制直流母线电压的幅值。49.电压控制器的输入为给定的直流母线电压，其反馈为滤波之后的整流器输出电压，加入低通滤波环节能够避免仿真系统中代数环的产生。在系统各部分的模型和参数确定之后，在simulink/plces环境下可以构建发电系统的仿真。50.4、对桨推进系统仿真51.通过本课题的研究对象‑‑船舶mvdc综合电力推进系统的构成图1可以看出，在桨推进系统需要实现对异步推进电机电磁转矩的控制，通常使用的控制策略有恒转差率电流控制(constantslipcurrentcontrol，csc)、直接转矩控制等，由于要对船舶综合电力推进系统的各个不同运行工况进行仿真，需要实现推进电机四象限的驱动，而csc是一种标量控制，不能实现推进电机的四象限运行，因此，本课题在推进部分采用直接转矩控制。52.异步电动机直接转矩控制(directtorquecontrol，dtc)的核心思想是直接并同时控制电动机的定子磁链和电磁转矩。在dtc中，电机的定子电流和电压的控制是间接的，在基于dtc的异步电动机驱动系统中，电动机的转矩和磁链使用闭环控制的方式，不使用电流环。在构建基于dtc的异步电动机驱动系统时，电动机的磁链和电磁转矩需要进行精确的估计，在进行估计时，唯一需要的电机参数是定子电阻，而转矩的估计则不需要其他的电机参数，因此，直接转矩控制对电机参数的敏感度较低的优点。53.构建直接转矩控制的方法主要有以下几种:开关表法(switchingtable，st)，也称为传统dtc、直接自控(directselfcontrol，dsc)等。st和dsc均为滞环比较型调节器。在传统的dtc即st法中，逆变器的开关状态通过开关表得到，由于这种方法既不需要电流控制器也不使用pwm调制，因此能够产生快速的转矩响应，尽管这种方法具有极好的转矩动态过程，其也存在一定的缺点。传统的dtc存在的主要问题在于由于使用基于滞环的dtc，逆变器的开关频率不是恒定的。当构建数字型的滞环控制器时，计算转矩和磁链时需要较高的采样频率从而得到较好的跟踪响应并使得转矩和磁销误差在指定的范围内。而逆变器的开关频率随着驱动系统的速度以及误差范围变化，与系统采样频率相比较低。此外，在使用传统dtc起动和低速运行时，dtc策略反复选择0电压矢量使得磁链降低将导致系统的响应较差。因此，本课题在推进系统中部分采用直接转矩控制。54.步骤s102，基于船舶综合电力推进系统仿真模型构建船舶综合电力推进系统数字仿真平台；55.在仿真模型库和仿真程序库的基础上，进行船舶综合电力推进系统数字仿真平台的构建，数字仿真平台针对simulink/plecs进行二次开发，主要实现以下功能：56.①用户可以根据自身的需要，使用模型库中提供的模型建立用户的仿真模型进行船舶综合电力推57.进系统的仿真；58.②用户可以选择典型的船舶综合电力推进系统的仿真程序，并根据用户提供的参数进行系统的仿真，程序包括发电系统仿真、桨推进系统仿真和全系统多个工况的仿真；59.③用户可以根据自身的情况，选择不同精度等级的模型从而满足用户对仿真速度和仿真精度的要求；60.④仿真平台能够显示和输出仿真得到的结果供用户观测和记录。61.基于以上功能需求，设计船舶综合电力推进系统数字仿真平台的架构，如图6所示。62.船舶综合电力推进系统数字仿真平台主要有两个模块，分别为系统仿真模型，系统仿真程序库。用户主要通过系统仿真模型构建船舶综合电力推进系统模型，接着根据系统模型进行发电系统数字仿真和桨推进系统数字仿真，最后得出仿真的结果。63.其中根据图1给出的研究对象的各部分进行建模，具体包括：64.选择燃气轮机作为原动机进行建模，包括了燃气轮机及其调速器；65.选择电励磁的同步电机作为发电机进行建模，包括同步发电机及调压器；66.电力变换器部分选择二极管不可控整流器和pwm-vsi分别作为整流器和逆变器，并包含了相应的电力滤波器；67.推进电机选择异步电动机，螺旋桨选择直接驱动的定距桨，并对船舶的前向运动进行建模。68.(1)燃气轮机及其调速器69.原动机是船舶综合电力推进系统电能的源泉，直接向发电机提供机械能，从而为全船供电。原动机通常有柴油机和燃气轮机两种，对于船舶综合电力推进系统这种对功率需求较大的场合，往往选用燃气轮机。由于在船舶综合电力推进系统中，采用调速器使得燃气轮机始终以相同的转速旋转，不需要像传统的直驱型船舶中的燃气轮机一样具有复杂的动态过程，因此，本发明实施例对燃气轮机的建模采用了简化的动态模型。得燃气轮机始终以相同的转速旋转，不需要像传统的直驱型船舶中的燃气轮机一样具有复杂的动态过程。70.2、整流器71.整流电路在船舶综合电力推进系统中承担将同步发电机输出的交流电变换成直流电的任务，相比于pwm整流器，二极管不控整流器具有功率密度高，可靠性更好成本更低等优点，因而在大功率电力变换，变频驱动器中的应用较为广泛，因此，本课题中系统的整流器采用二极管不控整流，另一方面，为了避免整流器的开关作用形成的高次谐波对系统的直流母线产生影响，整流器之后需要加入滤波器。72.对于电力电子设备的平均值模型是基于状态空间平均法，将设备开通与关断情况下的状态方程乘以相应的占空比进行平均得到的，这就使得其能够在忽略开关周期的情况下获得设备的特性。与开关模型相比，平均值模型损失了一定的准确度，但是提高了计算速度，因此，平均值模型常用于进行如系统效能的研究、系统稳定性的研究等系统级的仿真和分析研究中，而开关模型常用来进行针对电力变换设备性能的研究。鉴于大多数商用仿真软件都提供了相应的开关模型，同时为了建立系统ode(常微分方程)模型打下基础，因此本文提出一种常阻感参数同步发电机vbr模型结合二极管整流器平均值模型(averagevaluemodel，avm)的非线性ode模型构建方法，其示意图7所示：73.3、pwm-vsi74.pwm-vsi逆变器将船舶综合电力推进系统的直流母线电压变换成交流电压，从而给异步推进电机供电，通过开关频率的调节实现对异步推进电机输出电磁转矩或转速的控制。75.通常情况下，传统的电压源型逆变器(voltagesourceinverter,vsi)是一种降压逆变器，这需要vsi的直流侧输入电压要大于交流侧输出电压的峰值，而可再生能源发电系统的电池输出电压通堂低干交流侧电压峰值，为在交流侧获得理想的正弦电压，采用两级式vsi结构如图8所示，前端带有升压结构的两级vsi结构如图8(a)所示，后端带有工频变压器结构的两级vsi结构如图8(b)所示。76.与二极管整流器输出端的滤波器相似，pwm-vsi的输入端也需要滤波器从而避免高频的开关产生的谐波对直流母线产生影响。本课题对逆变器建立了pwm-vsi的平均值模型，并假设所有的开关都工作在连续导通的模式，则可以使用一个连续的正弦波对正弦pwm进行平均，便于逆变器建模。77.3.4六相同步发电机vbr模型建立78.vbr模型的一个最主要的特点是实现六相同步发电机定子支路方程与转子的动态过程的分离，其中，定子通过电阻电感支路表示，定子回路的电压和电流作为转子回路的输入，vbr模型的每个定子支路中都包含一个由转子状态决定的反电动势，用来建立定子回路与转子回路之间的联系。同时，79.定子回路的电阻和电感也是磁链状态以及转子位置与转速的函数。本课题根据d-q轴模型以及交叉磁饱和模型进行六相同步发电机vbr模型的推导。80.六相同步电机与三相同步电机的不同除了包括多一套三相绕组之外，还在于其电压方程中包含了两套三相绕组之间的耦合，针对此问题，本课题一种提出采用双派克反变换对其进行处理并实现将其耦合重新转化到定子支路中的方法。通过提出的使用双派克反变换将耦合重新转化到定子支路后得到的电阻和电感表达式，从而将两套三相绕组的耦合重新融合到vbr模型的定子绕组电感中。81.3.5六相同步发电机vbr模型82.对船舶综合电力推进系统同螺旋桨负载和船舶运动之间的相互作用进行建模对于系统各工况的仿真是非常关键的。在船舶mvdc综合电力推进系统中，推进电机同螺旋桨同轴连接，具有相同的转速，一方面，机械能可以从推进系统流向螺旋桨流向船舶运动从而推进船舶航行，另一方面，也可以从船舶运动流向螺旋桨流向推进系统从而产生能量的回馈。当船舶前进或者后退时，电动机作为发电机组来说非常重要。本课题为了实现对螺旋桨负载特性的建模，研究了螺旋桨负载的四象限特性，建立的螺旋桨负载的四象限模型结构，如图9所示。螺旋桨负载模拟系统采用驱动电机-负载电机结构形式。采用机械负载电动模拟技术,推进电机采用转速闭环控制方式,负载电动机采用转矩开环控制方式,通过对负载电机的转矩控制,实现对推进电机加载的目的,为推进电机提供逼真的负载转矩。83.步骤s103，根据船舶综合电力推进系统数字仿真平台对船舶综合电力推进系统进行仿真。84.通过采用本发明实施例，具有如下有益效果：85.建立了船舶综合电力推进系统各主设备的数学模型，针对船舶综合电力推进系统中包含复杂的多相电机这一特点，提出了六相同步发电机vbr模型的建模方法，解决了其存在的磁饱和建模和两套绕组之间的耦合问题。86.针对船舶综合电力推进系统涉及领域多、自身的刚性以及各部分连接紧密的特点，提出采用simulink和plecs(电子电路仿真)相结合的离线数字仿真方法，满足系统仿真的需要，提出了系统数字仿真平台的构建方案；构建了恒开关频率dtc系统改进了传统的控制方式的缺点，实现了发电系统、桨推进系统的仿真；以仿真模型库和仿真程序库为基础，完成了船舶中压直流综合电力推进系统数字仿真平台的构建。87.装置实施例一88.本发明实施例提供一种电子设备，包括：89.处理器；以及，90.被安排成存储计算机可执行指令的存储器，所述计算机可执行指令在被执行时使所述处理器执行如上述方法实施例中所述的步骤。91.装置实施例二92.本发明实施例提供一种存储介质，用于存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时实现如上述方法实施例中所述的步骤。93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12当前第1页12
再多了解一些
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