摘 要

船舶驶入大海就如一座孤立的城堡，所有需要用电设备的电能供给，都只能依靠船舶电站，加之船舶自动化程度不断提高、大容量电力负荷逐渐增加，大容量负荷对船舶电站电网电压影响很大，所以对船舶电站稳定性进行研究具有非常重要的现实意义。

论文主要研究影响船舶电站电网电压稳定性的各种负载，并针对给电站电网电压稳定性造成较大影响的大容量负载建立相应模型进行专门研究，利用Matlab/Simulink建立船舶电站整体仿真模型进行试验，并根据船电系统所需的相关稳定性要求，提出相应控制策略来保障船舶电站电网在承受大容量负荷等扰动时电压的稳定性，其主要内容概括为以下几个方面：

首先，对船舶电力系统进行概述，介绍了船舶电站基本组成及各部分功能特性，对各部分进行研究建立了数学模型；其次，被控对象由于热力、机械等原因表现出滞后特性，采用传统PID控制不能实时改变控制参数，所以在典型PID控制基础之上提出了模糊PID-Smith控制方法，并结合柴油机及电子调速器数学模型，搭建了基于模糊PID-Smith控制的调速系统，以及基于模糊PID-Smith控制的励磁调压系统，将各部分组合起来搭建了船舶电站仿真模型；最后，在Matlab/Simulink仿真平台中，分别用典型PID与模糊PID-Smith控制策略对负载突加/突减等典型工况、大容量动态负载投切以及典型故障下船舶电站电网电压稳定性进行仿真试验，并对实验结果进行对比分析。

研究结果表明，在两种控制策略下大容量负载对船舶电站电网电压稳定性影响均能满足相关规范与要求，但是采用模糊PID-Smith控制时各电力参数相比于典型PID控制超调量较小、过渡过程时间缩短，使系统在受到大容量动态负荷扰动时电网电压具有更好的稳定性，相比典型PID控制方法，此种控制策略更加具有实际应用意义。

关键词：船舶电力系统，电网电压，稳定性，大容量负载，模糊PID-Smith控制

Abstract

When the ship into the sea like an isolated castle, all on board electrical power supply needed equipment provided by the ship itself. Due to the continuous improvement of the degree of automation of ships, bulk power load gradually increased, large-capacity load will impact on the ship power stations grid voltage, so the stability of ship power station research has a very important practical significance.

In this thesis, mainly to study the impact of ship power station grid voltage stability of various loads，and for the greater impact on the marine power station voltage stability of load capacity to establish the appropriate model for specialized research. Using simulation software Matlab / Simulink build a ship power system model for simulation.And in accordance with the requirements of the stability of the ship station needs, put forward the corresponding control strategies to protect the marine power station in the grid voltage withstand large-capacity load disturbance stability. In this thesis mainly includes the following aspects:

Firstly, having a overview of the Marine Power System, describing the basic components and the part of the ship station features, and studying the mathematical model of each part; Secondly, the controlled object due to the thermal, mechanical and other reasons exhibit a hysteresis characteristic.Using the traditional PID control can not be changed in real time the control parameters, based on a typical PID control over a fuzzy PID-Smith control method, combined diesel and electronic governor mathematical model, built speed control system based on fuzzy control PID-Smith.Also established a fuzzy PID-Smith excitation regulator control system, combine to build a power plant simulation model of the various parts of the ship; Finally, in the Matlab / Simulink simulation platform, respectively, with a typical PID and fuzzy PID-Smith control strategy for a typical work load increase / decrease and so sudden dynamic load conditions and large-capacity switching and ship power station grid voltage stability under typical fault simulation test, and comparative analysis of the test results.

Research indicates, in both load control strategies mass effect on power grid voltage stability can meet the relevant specifications and requirements.However, the use of various electrical parameters of fuzzy control and PID-Smith typical PID control has a smaller overshoot and a shorter transition time,so that the system capacity by dynamic load when the grid voltage disturb-

ance has better stability.Compared to typical PID control method, this control strategy has more practical significance.

Key Words：Marine power system, Network voltage, Stability,

Big capacity load, Fuzzy PID-Smith controller

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 相关问题的国内外研究现状 2

1.2.1 船舶电力系统建模及大容量负载研究现状 2

1.2.2 船舶电力系统电压稳定性研究现状 4

1.3 论文研究目标与研究内容 5

1.4 论文的主要章节 7

第2章 船舶电力系统概述 8

2.1 船舶电站基本组成与结构 8

2.2 船舶电力系统稳定性概述 10

2.2.1 船舶电力系统稳定性分类简介 10

2.2.2 影响电网电压稳定性的各种负载概述 12

2.3 船舶电力系统的基本参数 14

2.3.1 电制及相关规范要求 14

2.3.2 额定电压等级及额定频率 15

2.3.3 CCS关于调速与调压相关规范与要求 16

2.4 本章小结 17

第3章 调速及调压控制系统建模 18

3.1 柴油原动机及其速度控制系统建模 18

3.1.1 调速器简化数学模型 18

3.1.2 原动机简化数学模型 21

3.1.3 原动机及其调速系统仿真模型 22

3.2 26

3.2.1 26

3.2.2 发电机相复励无刷交流励磁调压系统及其简化数学模型 29

3.2.3 31

3.3 本章小结 34

第4章 船舶电站电网电压稳定性仿真试验 35

4.1 船舶电站仿真模型 35

4.1.1 同步发电机仿真模型以及负载仿真模型 35

4.1.2 船舶电力系统仿真模型 37

4.2 船舶电站电网电压稳定性仿真试验 39

4.2.1 原动机启动特性试验 39

4.2.2 典型工况下电站电网电压稳定性仿真试验 41

4.2.3 大容量负载对电网电压稳定性影响仿真试验 45

4.2.4 典型故障仿真试验 50

4.3 本章小结 51

第5章 总结与展望 52

参考文献 54

致 谢 56

第1章 绪论

本章主要介绍了论文研究的目的及意义、研究的基本内容、研究的基本目标、及拟采用的技术方案，并通过相关控制策略和研究方法拟解决的问题，及通过查阅相关资料，介绍了海内外科研近况和本选题研究的发展趋向，并且基于相关研究，提出了本论文大致技术路线。

1.1 研究的目的及意义

随着世界经济的发展，国际间贸易往来频繁、国与国之间朝着命运共同体方向发展，以及海上运输成本相对低廉，船舶运输成为了国际间主要运输方式，因此要求船舶往大型化、自动化方向发展。船舶电力系统为全船提供动力，而船舶电站是船舶电力系统的核心，所以船舶电站稳定可靠运行对船舶经济效益和全船人生财产安全起着至关重要的作用。

船舶电站稳定性包括电网电压稳定性、频率稳定性等。电网电压和频率通常用来衡量无功功率和有功功率是否满足负荷要求，其中电网电压是整个电力系统最容易波动的量，要使系统有较高的电压稳定运行水平，就要求控制系统能满足较高电压水平的无功平衡需求。由于船舶自动化程度、电力系统复杂程度增加，导致船上越来越多的设备需要电能来维持运转，从而对电力系统性能要求愈发严格，需要在各种工况下电网电压等电力参数都能够维持在稳定状态，从而保证电气设备正常运行。

相比陆上，船舶电站容量是有限的，当各种大容量负载投入或切除时都会对电网造成冲击而使电网电压不稳定。随着工业现代化发展，船上大容量负荷亦不断增加，特别是在电力推进船舶、一些大型工程船舶、以及战斗舰艇上尤为明显，电力推进装置与工程船上铰刀、泥泵以及舰船上武器装备等机械电机容量大都占船舶电站容量的60%以上，是电力系统中主要的大容量负载。由于电力推进系统和工程机械的工作状态都是随时变化的，电力系统负荷波动频繁，所以，当大容量负载运行时寻求良好的控制策略来保证船舶电站电网电压的稳定变得非常重要。另外，随着电子技术与计算机科学技术在船舶上的运用，以及为了减轻轮机人员的工作负担，越来越多船舶实行无人机舱，很多电气设备多数情况是无人看管状态，这就要求电力系统能够承受一定的冲击影响，并且在电网电压受到冲击后能够在允许的时间范围内自行快速地恢复到稳定状态。