船舶电力推进系统建模及分布式仿真研究(可编辑)

船舶电力推进系统建模及分布式仿真研究(可编辑) 船舶电力推进系统建模及分布式仿真研究 分类号 单位代码 船舶电力推进系统建模及分布式仿真研究 王磊 指导教师 赵红 职称 教授 学位授予单位 大连海事大学 申请学位级别 工程硕士 学科专业 电气工程 答辩日期 论文完成日期 年月 年月日 答辩委员会主席 ? ’ ? : 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明: 博/硕士学位论文 撰写成 经注明 引用的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。 本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 或未公开发表的成 果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学位论文 的规定,即:大 连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索,也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学 位论文。同意将本学位论文收录到《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》中国学术 期刊光盘版电子杂志社、《中国学位论文全文数据库》中国科学技术信息研究 所等数据库中,并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后 遵守此规定。 本学位论文属于: 保密口在??年解密后适用本授权书。 不保密请在以上方框内打。?,, 论文作者签名中文摘要 摘要 在当今各种工程技术设计领域中,建模与仿真通常被当做设计研究工作的第一步, 国外诸多文献表明,船舶电力推进系统的建模与仿真是其进行电力推进船舶研究的一个 基础,几乎所有先进技术与策略的研究都是首先以电力推进系统模型为测试平台而开展 起来的,因此本文亦将船舶电力推进系统的建模作为研究内容之一。 电力推进船舶的电力系统相对于常规动力船舶和陆地电力系统更加复杂,因此为了 更为准确地分析其动态特性,对其进行建模时需要表现的细节较多,且各子系统间相互 耦合,加之船舶推进系统工况多变,整个动态仿真过程非常繁琐,致使系统模型运行起 来非常耗时,令许多需在模型上开展的研究工作的效率和质量下降,严重时甚至无法进 行。许多学者只好以牺牲准确度,简化模型来缩短仿真运行时间。针对这些问题,本文 对分布式和并行仿真的理念进行了探索以解决模型仿真运行时间过长等诸多问题。 本文首先对船舶电力推进系统的电源部分、配电部分、用电部分等三大组成部分进 行建模研究。其中,电源部分采用双柴油发电机组,配电部分主要包括主配电板、应急 配电板等,用电部分主要包括推进电机和船舶螺旋桨。 对于电力推进船舶电力系统的分布式仿真,本文首先研究了系 统模型解耦方法和分 割原则,再对子模型接口电路进行了设计并对子模型之间数据通信做了相应的研究。然 后把分布式仿真和传统集中式仿真的结果进行了对比分析,并给出了结论。 对于主推进电机调速系统的并行仿真,本文首先研究了并行计算平台的结构和配置 过程,再探讨并行程序结构,最后结合二者的特点设计出了船舶电力推进系统并行仿真 的程序,并分析了这种仿真方法的优越性。 国内对于/环境下系统的并行计算和分布式仿真方面的研究工作较 少,国外的相关研究文献也并不太多,本文以电力推进系统模型为研究对象探索了并行 计算与分布式仿真在中的应用意义,本文的研究工作亦可以推广到其他采用 进行仿真研究的工程领域中,具有一定的学术意义和工程实际应用价值。 关键字:船舶电力推进;电力系统;分布式仿真;并行计算英文摘要 ,,,.,,.,,. ,.,,,.,,.,,,.,,,...英文摘要 : ; ; ; 目录 目 录 第章绪论??. .船舶电力推进系统简介 .课题研究的背景及意义 .分布式仿真技术 ..分布式仿真起源及发展历程?. ..分布式仿真技术. .论文研究的主要内容? 第章船舶电力推进系统建模. .电源系统建模?. ..同步发电机的动态建模. ..同步发电机励磁控制系统的动态建模 ..柴油机及其调节器的建模.船舶电力推进系统用电负荷的分析与动态建 模..推进电机的数学模型分析与建模..船.桨的数学模型分析.. . 环境下建立的完整的船舶电力推进系统仿真模型??. 第章并行计算在船舶电力推进系统仿真中的应用 .并行计算平台.. ..并行计算平台结构..并行计算平台的配置? .并行程序结构.. .. 循环??. .. 并行结构 ..通用并行程序结构..并行程序结构选择与应用.船舶主推进电机调速系统 的并行仿真设计.. ..船舶主推进电机调速系统的仿真建模 ..并行仿真程序的设计? 第章船舶电力推进系统基于计算机集群中分布式仿真的研究与实现? .模型的解耦与分割?.. ..模型解耦方法? ..模型分割原则?目录 .子系统模型接等效电路的设计?一 .子模型之间的数据传输??一 ..网络传输协议? ..应用程序与协议的接口??网络套接字..自定义模块传输数据? .船舶电力推进系统分布式仿真??. 第章船舶电力推进系统分布式仿真的运行结果与分析? .环境下船舶电力推进系统总体仿真模型. ..总体仿真模型? ..单机运行结果与分析? .船舶主推进电机并行仿真运行结果与分析.. ..并行仿真运行结果..并行仿真与传统串行仿真的对比分析 .船舶电力推进系统分布式仿真的运行结果与分析一 ..分布式仿真的运行研究. ..分布式仿真与集中式仿真运行结果的分析? 结论? 参考文献?.. 致射?一船舶电力推进系统分布式仿真研究 第章绪论 .船舶电力推进系统简介 船舶电力推进是以电动机带动螺旋桨推进船舶行驶的工作方式,至今己有近年 的历史。电力推进可以采用直流电动机,也可以采用交流电动机。若使用直流电机,船 舶的机动性能良好,但维护保养难度大,另一方面直流电机体积庞大,重量亦很高。虽 然交流电动机造价低、维护保养容易,体积和重量较直流电动机也小得多,但早期的交 流调速使其在船舶机动性方面表现差强人意,基于这些因素,只有少量船舶采用电力推 进。 自世纪年代以来,电力电子技术飞速发展,交流电动机的变频调速技术日渐 成熟。在其机动性、可靠性和运行效率等方面都取得了突破性的发展。船舶电力推进展 现出的广泛应用前景使得船舶电力推进技术的应用领域不断扩大。目前,世界上各大船 用设备制造商都对其十分重视,相继推出各自的电力推进控制系统。可以说,电力推进 代表了未来船舶推进系统的一个重要发展方向。 年,芬兰分公司.的吊舱推进器运用于“”号航道工 程船开创了吊舱式电力推进的先河。此后,瑞典公司和法国公司合作 开发了吊舱推进器;德国和公司研制成功? 吊舱 推进器:荷兰公司和德国电子公司开发 了吊舱推进器。这四种目前都己有实船营运经验,形成了各种功率的产品,截 止年月,仅公司就有套订单,总功率多兆瓦。据统计,新建的 客轮、渡轮与破冰船等约有%左右采用电力推进。年,日本重工集团 推出了吊舱推进器,法国和美国也都在加紧发展自己的吊舱推进 器产品。吊舱式推进系统最成功的例子是游轮公司的豪华邮轮“” 号,该船总吨位为吨。经海上航行证明,其速度、燃油消耗率和操纵性能都获得 了提高,推进效率比以前的同类型邮轮提高了个百分点,一周可以节省吨燃油, 全速回转半径减少了%,急停距离缩短。目前,吊舱式电力推进己成为新建豪华邮轮 的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 配置。绪论 在国内,年月号,广船国际为中远广州公司建造的半潜船“泰安口”号 正式交付使用。该船采用中压电力系统和两套.吊舱式电力推进系统代替传 统的大型主柴油机、巨型舵叶,轻巧的螺旋桨可度回转,使船舶能够在极小的回旋 半径和范围内灵活操纵。这是中国自己建造并投入营运的第一艘具有极高商业价值和广 阔市场前景的海洋工程大型特种船舶。目前,它的姊妹船“康盛口”号也己经投入运行。 上海爱德华船厂已把额定功率为.的推进器系统安装在由瑞典船东定购的“帕 劳斯佩拉”号化学品运输船上。由上海船舶研究设计院设计,江南重工建造的科学考察 船于年在南海运行,采用推进系统,这是中国设计的第一条采用 电力推进的船舶。电力推进系统在年月日还获得了铁 道部二艘 吨级烟大火车轮渡船的订单,该船也由上海船舶研究设计院设计,天津 新港船厂建造,己在年建成使用。年月号,浙江船厂获得了法国船东 建造艘采用公司电力推进系统平台供应船的订单。但是,国内 目前建造的电力推进船舶都是直接从国外引进成套的推进系统,还没有能力生产具有我 国自主知识产权的电力推进设备,因此,众多与船舶类相关院校、科研院所都紧跟国际 形势,相继展开了船舶电力推进方面的研究,但大都处于理论研究与实验阶段。从国外 电力推进装置的研制经验可以看出,他们的研究工作几乎都是理论研究与实验阶段。从 国外电力推进装置的研制经验可以看出,他们的研究工作几乎都是从建模仿真研究开始 的,因此,本文将电力推进船舶的整体建模作为一项研究内容。 .课题研究的背景及意义 现代的综合全电力船舶的电力系统的设计与测试工作正面临着诸多挑战。第一,需 要为新的船舶电力系统建立高保真度的模型。而模型的保真度越高建模过程中需要的投 入越多,运行仿真需要的时间也越长。第二,新设备在安装到系统中之前需要测试它和 系统的兼容性。如果直接安装硬件测试不但成本高而且风险大。因此建模与仿真在船舶 电力系统及其设备的设计、分析和测试过程中都是不可替代的。 在当今工程设计领域,建模通常作为工作的第一步,建模过程首先是存在于系统的 设计阶段,正确地指定系统组成、确定系统需求。它也会被应用于正处于使用中的系统,船舶电力推进系统分布式仿真研究 查找可能出现的问题或者检测系统变化。为了充分表现模型的细节仿真可能需要数天的 时间来运行,那些需要在较短时间内完成运行的模型则需要更加昂贵的硬件资源。然而, 如研究供电质量在大程度瞬态和稳态的性能这样的模型由于运行时间过长还无法实现。 实际的建模过程中在保真度模型细节和运行时间之间总有权衡。船舶电力系统与陆 地电力系统相比有很多的不同点。由于船舶电力系统是有限电网,其电压、频率因各种 负载扰动而带来的波动大且频繁,因而大型船舶电力系统相比陆地电力系统需要有更快 的故障诊断能力,船舶电力系统的各种动态、稳态分析需要更多的计算资源,这也产生 了更重的计算负荷。再者,为了更好掌握船舶电力系统的变化规律,通常需对其精确建 模而使系统模型更加复杂,进而需要更长的仿真运行时间。另外,当对船舶电力系统模 型应用复杂算法研究时,也需要更多的时间步长解析度和测试频率。因此,仿真运行时 间制约了对船舶电力系统进行科学研究的效率和质量。本课题研究就是基于此背景而开 展,通过引入并行计算和分布式仿真来解决这个现实研究中的问题。并行计算概念的引 入可以使单一模型多组数据的仿真结果同时产生,便于动态系统仿真的实时对比研究。 分布式仿真则是分别同时计算系统的几个部分,提供了一种通过多台计算机分担计算负 荷的 方法,不但减少了仿真运行时间而且可以实现相隔较远的模型之间的交互。 作为数值计算领域主流的计算工具,为用户提供了丰富的数值计算模块 和人性化的数据显示模式,便于科学计算和系统建模仿真。的电力系统模块 库 中包含了电力系统建模与仿真工作需要的大量模块,因此 通常作为工程研究人员建模工作的首选。自 之后,增加了并 行计算的功能,支持多核、多处理器和集群并行计算,搭配并行计算工具箱 ,和分布计算服务器 ,用 户可以实现基于多核平台、多处理器平台和集群平台的多种并行计算任务。本文的研究 正是看中了在并行和分布式计算领域以及建模仿真领域丰富的功能采用其作 为船舶电力推进系统分布式仿真研究的工具。 对于广义的分布式仿真,包括两种观点: 第一,采用并行计算工具箱 ,,它可以用 来运行含有大量不同输入参数集的大型仿真很多次。使用这种方法,每个处理器多次运绪论 行含有不同输入参数集的相同的全仿真,可以一次性的收集到所有参数的仿真运行结 果。 第二,把一个大型仿真做分区然后在很多处理器或计算机集群上运行。各台计算机 可以在相隔较近的局域网中,也可以相隔较远通过互联网通信。目的是通过分担计算负 荷缩短运行时间,也可以实现远程的模型交互仿真。 .分布式仿真技术 ..分布式仿真起源及发展历程 分布式仿真是近年来发展起来的一种先进的仿真技术,是一种基于计算机网络的仿 真,多用于军事领域,可以加速仿真进程,支持远程调试设备等。分布式仿真是当今仿 真技术研究的重要领域之一,其较高的工程应用价值,己引起世界各国的广泛重视。 年,美国一空军上尉..发表了一片论文“ :.”,提出了联网仿真的思想,首次系统地阐述了联网仿真技术的功能要求, 虽然当时联网仿真所需的技术还未成熟,但美国国防部接受了该思想。年, 被调到美国国防部高级研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 局:现在的。 年,指定了一项名为 的计划,希望 将各军兵种单兵使用的仿真器连接 到网络上,形成一个共享的仿真环境,进行各种复杂 任务的综合训练,这项研究计划得到了美国陆军的支持。到世纪年代末, 计划结束时,己形成了约个地面车辆仿真器和飞机仿真器以及指挥中心和数据处理 设备等的综合仿真网。的成功应用使美国军方充分认识到这一技术的潜在作 用。 到年,建成了分布于美国和德国的基地。是同构型的广 域网系统,它第一次实现了作战单元的直接对抗,并能在其所提供的虚拟作战环境中进 行营以下规模的联合兵种协同训练已经战术对抗研究,其基本技术原则被 以后的发展所继承。形成了新的分布仿真 概念:将多种仿真应用集中到同一个时空环境中。在成功的基础上,分布式仿 真技术得以发展,从仅支持基于同构网络的分布式仿真发展为基于异构网络分布式仿真船舶电力推进系统分布式仿真研究 的支持,从概念性研究到人员训练、武器研究、战术演练和空中交通管制仿真等军事和 非军事方面成功应用,分布式仿真技术已经逐步走向实用。 如今,分布式仿真技术已应用交通运输、医疗、娱乐、互联商业、制造业等其他领 域。目前,国内对采用的分布式仿真研究非常少,论文几乎看不到,国外相 关论文也不多。 年,英国国防部工程师 .首次在论文中将分布式仿真技术引入到 舰船的电力系统仿真领域。他在文中提到了模型解耦方法,子模型接口设计原则等分布 式仿真技术中的关键问题。并完成了环境下船舶电力系统建模和分布式仿真。 分布式仿真技术从此正式应用于船舶电力系统的仿真工作中。同年,密西西比大学的. 等在论文中提到环境下电力系统输电线模型解耦和分布式仿真。 ..分布式仿真技术 随着多核和集群技术的快速发展,并行程序设计和分布式仿真成为提高数值计算效 率减少仿真运行时间的主流技术。目前常用的小型并行计算平台可大致分为两类:一类 是由多核或多处理器构建的单计算机平台;另一类是由多个计算机构成的集群 系统。单个计算机上的多核 或多处理器之间可以通过共享内存进行数据交互;多个计算 机构成的集群通过网络进行数据通信。 分布式仿真的目的主要有两个,一是提高计算效率,二是提高计算机的利用率。提 高计算效率比较容易理解,某模型如果采用单个计算小时,那么采用个 进行计算可能只需要.小时就可以完成。然而在实际应用中,分布式仿真不是总能带 来令人满意的效果。在极端情况下,分布式仿真的效率反而会低于单处理单元的计算效 率。因为分布式仿真本身也需要占用系统资源。主要体现在两个方面:一是准备分布式 仿真的必要操作,比如创建线程、创建进程、创建任务、分布式仿真启动前准备数据等; 二是分布式仿真过程中各个并行任务之间的数据通信。分布式仿真之前准备引入的系统 开销是一次性的,相对容易估算,但子模型之间的数据通信需要引起特别的重视。在设 计模型分割方案的时候,应尽量做到各个子模型之间数据通信量最小化。特别是在网络 速度较慢的集群计算机平台上,任务之间的数据通信问题往往是提高速度的主要瓶颈。绪论 本文对于船舶电力推进系统的分布式仿真研究在/?环境下进行,主 要进行了两方面的研究。 在对船舶电力推进系统做建模仿真时经常会遇到这样的问题,反复的改变模型中某 个模块的参数运行仿真再对比多组参数的计算结果。比如要模拟船舶在进出港、通过狭 窄水道等多种工况下系统的响应。对于这样的问题,若使用传统的仿真方法,需要反复 调整参数反复运行仿真。本文研究的并行仿真就是在前文所述的/ 环境中建立并行计算平台、搭配合适的并行程序结构同时运行含有多组参数的模型,在 只运行一次的情况下得到多组参数的计算结果。操作简单、便于对比分析。 当系统模型过于复杂时使用单一计算机运行仿真往往需要很长的时间,这对于系统 仿真的结果分析是非常不利的。分布式仿真的思想旨在通过将一个复杂模型分块把对于 单独模型的计算量分担到多台计算机上,并由多台 计算机协同计算完成对复杂模型的加 速仿真过程。这种仿真方法的关键点在于模型分割点的选择和计算机之间数据传输问题 的处理。 在另一方面,通过为多个模型设计合适的接口电路可以实现互联网中多个模型的交 互仿真。这种仿真技术除了利用计算机集群分担计算负荷外还可以实现远程交互仿真。 .论文研究的主要内容 本文主要对船舶电力推进系统的分布式仿真做了研究。如前文所述,分布式仿真主 要包括两种观点:第一种是单一模型多组数据的并行仿真,第二种是分割一个完整模型 并把分割后的子模型驻留在计算机集群上的分布式仿真。主要研究内容概括如下: 船舶电力推进系统建模研究。 船舶主推进电机控制系统并行仿真研究。 船舶电力推进系统分布式仿真研究。 对于并行以及分布式仿真成果分析和总结。船舶电力推进系统分布式仿真研究 第章船舶电力推进系统建模 船舶电力推进系统主要由三部分组成:电源系统、配电系统及用电系统。其中,以 多组原动机一发电机组组成电源系统,以主配电板、应急配电板以及分配电板等组成配 电系统,发电机所产生的电能通过电网送到船上的各个用电设备,用电系统以推进电机 为主并配以各种负载组成。本章进行的建模工作也是根据上述电力系统的组成部分分别 进行。 .电源系统建模 新一代舰船的电源系统大多是采用柴油机.发电机组或燃气轮机.发电机组的单 一电源模式,但亦有很多学者在尝试以柴油机组或燃气机组为主电源,以燃料电池 或锂电池等为辅助电源的混合模式,这种混合电力系统将两种或两种以上类型的电源组 合在一起并进行优化配置,以最优化舰船整个电力系统的运行性能‘】【】。燃料电池 ,具有能量转换效率高、低排放等优点,将其视为未来电力战舰混合电力系统 的一个重要组成部分进行了建模分析。文献中搭建了一个基于/ 环境下由锂离子电池组与燃气轮机.发电机组共同构成的一个概念上的船舶混合电力系 统模型以探讨实 际系统的运行特性及约束条件等。考虑到电力战舰的作战能力,尤其是 当其装备有射程.公里的高发射率电磁轨道炮等高功率电力武器通常所需数十 的脉冲功率时,能量存储系统 就成为电力舰船中不 可或缺的了,构成的主要是飞轮,电容,电池以及超导磁感应 等。限于篇幅,本论文对电源系统的建模研究主要是针对主电源系统??原动机柴油机 发电机组。 单组主电源系统的基本结构如图.所示,主要由原动机、调速装置、发电机及励 磁系统构成。为保证船舶电力系统可靠运行,电源电压和电网频率保持恒定是非常必要 的,故发电系统包含两个闭环控制系统用以分别控制电网电压和频率。其中,励磁系统 根据检测到的发电机端电压和输出电流信号实时调整加到同步发电机的励磁电压,力争 保持发电机端电压为恒定值;原动机的调速装置通过检测原动机和同步发电机间同轴转 子转速,实时调整原动机的油门,从而控制原动机的转子转速;而电网频率是由各在网船舶电力推进系统建模 的原动机一发电机组的转子转速决定的,因此,控制原动机转子转速恒定即可保证电网 频率为恒定。 电压,电流 图.主电源系统 .. ..同步发电机的动态建模 本文在对同步发电机进行建模时,采用了工程实践中的常规做法一一忽略了一些次 要因素,使同步发电机满足这些条件:电机铁心不饱和;定子三相绕组结构对 称;定子、 转子各绕组电流在气隙中产生的磁势和磁感应强度都是按正弦规律分布;定、转子表面 光滑等。为了分析方便,阻尼绕组用两个相互正交的短接绕组等效,因此,同步电机共 有个磁耦合的绕组,分别为:定子三相,,绕组,转子励磁绕组,及转子 轴阻尼绕组.和轴阻尼绕组.。取转子二轴线为轴,按转子旋转方向,轴 超前轴。, 绕组的轴线与轴重合, .绕组的轴线与轴重合。 ... ..坐标下的电压方程和磁链方程 其电磁特性可用各绕组的磁链方程和个相应回路的回路方程来描述。 、电压方程 三相定子回路的电压方程为:船舶电力推进系统分布式仿真研究 即阱豳 泡,臣?纠 泣, 其中。%,%,畋,,‘,之,虬,%,虬分别为三相定子绕组的端电压、绕组电流及磁链,足 为定子绕组电阻;%,%,,如,岛,;,厂,。,%分别为转子励磁绕组、轴阻尼绕组和 轴阻尼绕组的端电压、绕组电流及磁链,由于阻尼绕组为短接绕组,故%%,吩 为励磁绕组电阻,%为轴阻尼绕组电阻,&为轴阻尼绕组电阻,为微分算子。 隧磊鬟攀硅芬荔麓娶 躺,陷.篷磊荔翻 ;麓警朝川 阳朋厶 三.’帆【.以心朋。” 巳%岛业岛 其中,乞,厶,,,乙,%分别为个绕组的自感,具有不同下标的分别表示 个绕组中每两个绕组间的互感,如曲表示定子、相绕组间的互感,。表示定 子 组?垂直,所以应‰。然而,对于凸极同步电机来说,无论是定子各绕组... 一坐标下的磁链方程和电压方程 、磁链方程 定义变换矩阵为: 一。。 尸?口一?。一。 ....于是可得定子电压、电流和磁链的坐标变换式为: 。缸;‘如;由尸少。。 .其中, ‰。甜,‰,%施。甜。“。;。: 。,艺缸: ‰。// ,。,沙。如:砂。。虬 矩阵是非奇异矩阵,其逆矩阵‘为: ?~ 一。一一。 .口。一。 于是可得由旋转一坐标等效变换为静止..坐标上的变换式为: 够出尸~‰;‘尸;‰ 由.令锄 。岛,%砂/杪。%,式.和.分别简写为: 。 乞上艘如 .脚‘。% .其中,为定子绕组电感矩阵,为转子绕组电感矩阵,为定转子间 的互感矩阵。 将式.和.等式两边同时左乘矩阵,并考虑式.,可得: ‰‰尸。%锄 .脚‖锄锄 根据和一的定义对式.中的系数进行运算后得到同步电机在坐标下船舶电力推进系统分布式仿真研究 的磁链方程:. % 忆 % 毛 ..~,%???????; ,?.,幻 ??????,? 矿韭 矿”皿 ?厂 矿 . ?妒 奶 衍 ‘珥 乞 .。 .,. ???,???? ...切 且 ..........,,.。......。 % 不儿 ????,??? ???,,??? ................。.... 其中,乙乞为同步电机纵轴同步电抗,等于漏感三盯和纵轴电枢反映电感 卅 之和,。三凹为同步电机横轴同步电抗,等于漏感三,和横轴电枢反映电感厶。 之和, 励磁绕组与纵轴阻尼绕组间的互感用,来表示,由式,、,可以看出,坐标 变换后的各电感系数均为常数,而且等效定子、绕组与转子励磁、阻尼绕组 间的互 感不可逆。 、电压方程 将式.简写为: .】 “。矿。,乇缸 令式.左乘矩阵,并考虑式.和.可得: 甜由.由】尸么 . 研】钿 由,由‰ 经棍州一川一。跚考虑到国,于是可得变换后旋转坐标下的定子电压方程为: 叫 . 少 国 砌如加 ...%???????, ??????, ??????,? 厂 ????????? 。...................... 不 韭 ?....。..............船舶电力推进系统建模 ..同步发电机励磁控制系统的动态建模 如图.所示的同步发电机励磁调节系统是电力推进系统中的重要组成部分, 其主要任务是向同步发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流电压,以满足发电 欠磁控制 过磁控制 五五丽 ?? 丁瓜计斗刑 电力系统稳定 器 图.同步发电机励磁系统.. 机正常发电需要。当大感性负载如推进电机投切入电网运行的时候,负载电流的变 化会使发电机的端电压发生变化,于是励磁系统根据发电机负载的变化做相应调整,以 维持发电机端电压或电网中某一点电压在给定水平上。此外,当多台发电机并联运行时, 通过励磁系统可以控制发电机组间无功功率的合理分配,提高同步发电机并列运行的稳 定性,以满足电力系统安全运行的需要。 励磁系统的种类主要有三种,直流励磁系统,交流励磁系统和静止励磁系统。直流 励磁系统采用直流发电机提供励磁电流,其中,交流电通过整流进行变换为直流电且励 磁电流需通过同步发电机的滑环和炭刷向励磁绕组提供,因此,给维护保养和保证安全 运行方面都带来了很多问题,故船用发电机励磁系统多采用无刷交流励磁系统和静止励 磁系统。本文亦主要对此进行建模分析。 无刷交流励磁控制系统的结构示意图如图.所示。在该系统中,励磁机采用“旋转 电枢式”交流发电机,其电枢转子绕组的交流电经旋转整流器变为同步发电机的直 流励磁电压。由于从励磁机转子绕组到同步发电机励磁绕组均与发电机同轴旋转,船舶电力推进系统分布式仿真研究 威磁 ,广 调节器 ?‘。 叫补偿器 ? . :气 :‖ 同步发电机 转千 交流励磁机 图.无刷交流励磁控制系统结构框图 .. 莎 可以直接连接,取消了碳刷与滑环,使系统可靠性提高,维护保养工作量大大减少。这 里分别对图.中各组成部分逐一建模。 、电压传感器和电流负载补偿器的建模 屹 ?图.推荐的电压传感器和负载补偿器的仿真模型结构图 ., 可这里对电压传感器和负载补偿器的建模是采用文献中推荐的模型,如图 .所示。根据文献【】中的建议将其简化为一个具有相同时间常数乃的惯性环节,且 对大多数系统而言较小.。 、励磁调节器的建模 通过借鉴文献【】中模型结构,本文设计励磁调节器的模型结构图如图. 所示的。其中,恐和死是励磁调节器的放大倍数和时间常数,死和瓦是用来反映调节 器本身固有的等效时间常数,通常 较小可以设置为:厨和乃是引入的船舶电力推进系统建模 图.励磁调节器的仿真模型结构图..励磁电流负反馈通路的放大倍数和时间常数;形?,是发电机的励磁参考电压,圪是来自 电力系统稳定器 的电压信号,它根据有功偏差?和转 速偏差的大小向励磁调节系统引入一个附加控制信号,增加功率阻尼系数,从而有 效地抑制电力系统的低频振荡,稳态时该量为。 、交流励磁机的建模 交流励磁机的数学模型可以用下式来表示: ’’ ‰,碱‘可瓦矗而’ 其中,%和圪埘分别是励磁机的输入和输出电压,和分别是励磁机的放大系数 和时间常数,圳】是反映励磁机饱和特性的磁饱和函数。 、旋转整流器的建模 将交流励磁机的输出电压作为旋转整流器的交流电源,由于该交流电源的内阻抗具 有强感性,受此感性阻抗的影响,当整流器的负载电流增大时整流器的平均输出电压非 线性地减小。其输入.输出对应的数学模型为: . 一圪巴 其中,圪和以分别是交流励磁机和整个励磁系统的输出电压;为了方便建模, 将非线 性函数疋。用式.的分段函数表示‘】:船舶电力推进系统分布式仿真研究 兄?.。 /。.疋厨删,。. .巴.一,。 矿.。 。移, 式.中的,,是同步发电机的励磁电流,厶是励磁机负载电流,且 彘圪/,砭是整流器的负载因子,与整流电抗成戤匕 、无刷交流励磁系统的动态仿真模型 综合上述无刷交流励磁系统各组成环节的数学模型,并借鉴文献【】给出的 型励磁系统结构,设计的无刷交流励磁系统的总体仿真模型结构图如图.所示。 图.无刷交流励磁系统的仿真模型结构图 .. ..柴油机及其调节器的建模 目前电力船舶的原动机主要为柴油机和燃气轮机。以柴油机为原动机的技术较为成 熟,故其在各类电力船舶中均有广泛的应用。以燃气轮机作为原动机的电力推进系统在 豪华邮轮及战舰等船舶上得到许多具体应用,尤其是在豪华邮轮上。本文主要研究以柴 油机为原动机的建模过程。 早在上世纪七十年代,..等人就对船用增压柴油机的动态建模作了大量的船舶电力推进系统建模 研究工作,发展至今,关于增压柴油机动态建模方法基本有三类:?基于“准稳态法 ?”先行模型,?基于“容积法”的动态模型,?多阶非线性准稳态模型。 由于本文对柴油机研究的侧重点在于其外部转速特性,故对柴油机的建模思想是基于第 一类建模方法,建模结构图如图.所示。 图.柴油机及其调节器模型结构图 .. 争 模型中将柴油机执行器机构的模型用一个一阶传递函数表示,该一阶传递函 数的时 间常数取决于燃油温度,柴油机本身用一个带有比例增益及死区时间为而的滞后 环节来表示,文献【中而与柴油机转速刀的函数关系表示为: . 瓦:堕 ‘ , 式.中的系数厨和尬都是柴油机性质的常数,文献‘中给出的数值分别是:局 .,.。 由于柴油机模型中带有的纯滞后环节使整个系统成为非最小相位系统,令分析与设 计都比较麻烦,许多文献都将其用一个一阶惯性环节来近似。本文采用的是文献中的 处理方法,用一个二阶多项式分式来近似代替,如式.所示: 一%????? ‘ . 另外,在图.所示模型的前向通道添加了一个系数为的反馈用以表示原动机的 下垂性质;控制器可以采用普通的或控制器、带有超前.滞后调节功能的控 制器或具有自适应调节功能的控制器。为了简化建模过程,本文采用比例积 分控制器比 例与积分系数分别用和表示;控制器的输出,为执行机构的控制电流,柴油机船舶电力推进系统分布式仿真研究 的输入?是燃油流速,输出瓦。。是其机械转矩;若忽略转速传感器对系统动态性能的影 响,可将其传递函数设为。图.中模型所包含的各个参数的值均取决于电力舰船所 实际采用的柴油机及其调节器,文献【】中给出了一种根据现场中得到的实际柴油机数 据来确定各个参数并调整参数的方法,本文进行仿真时采用了文献中的部分参数值, 如表.所示。 表.图.中用的部分参数值 .. .. 参数 昂 殇 值 ...一. .. ,~. .船舶电力推进系统用电负荷的分析与动态建模 船舶电力推进系统中用电负荷主要有两大类,分别是主推进电机负荷、船舶日用负 荷。由于主推进负荷是船舶电力系统中的“用电大户”,大约%~%有的船舶甚至 可达%的电站能量被其消耗,故该负荷的动态特性对整个电力系统的动态特性影响 很大。而作为主推进电机负载的螺旋桨,其动态特性如推进转矩等是整个船体运行 特性如航速等的函数,即是时变的,若采用许多文献如】】【】】等中的处 理方法,仅将主推进电机的负载用一个恒转矩负载来代替,必将会使整个船舶电力系统 仿真模型的准确度大打折扣,故本文对推进电机与船.桨系统分别进行动态建模以期得 到与实际电力船舶更接近的仿真模型。至于船舶各日用负荷,由于其与推进负荷相比较 容量小且变化不大,故将其用恒定的综合负载模型来表示以简化模型。 ..推进电机的数学模型分析与建模 目前用作推进电机的大多是感应电动机和永磁同步电动机如的有许 多推进电机采用的是感应电动机,西门子的大多采用的是永磁同步电动机。本文 以异步电动机作为推进电机进行仿真建模研究。 由于实际中的异步电动机的电压和电流各量均是在静止的坐标系统中测量得到,那 么在静止坐标系中来分析感应电动机的数 学模型是十分有利的。 、异步电动机在静止两相,卢坐标系中的电压方程剐】【】:船舶电力推进系统建模 口豁见三妒 巾 一三。国 ?三,缈 三妒 三矿 一、以定子电流和定子磁链为状态变量的状态方程: 肌。 一生一国 国一生 ?。 一. 、电磁转矩方程: 国篆鞋 ?“ 三, 妊以, .瓦詈玎卢。。一。,卢 ?、运动方程: ?丢等 七, 式中,是微分算子,,”。,,,妙一,沙妒分别为定子电压、电流、磁 链在绞、轴上的分量。“,‰,,‘‘声,,,//多分别为转子电压、电流、磁链 在口、轴上的分量。足、,,、上,分别为定、转子绕组的电阻和电感,/,, 为转子绕组的时间常数。厶。,仃为定、转子绕组之间的互感及漏感系数,且 仃一厶/厶,和嘞为异步电机的转动惯量与极对数。缈为转子角速度,乏是来 自螺旋桨的负载转矩。依据异步电动机的数学模型式.~.,可建立相应 的仿真模型。 ..船一桨的数学模型分析 施加于主推进电.机的负载转矩主要来自于螺旋桨,而螺旋桨的转矩不仅与自身的旋 如妇如匆 。妒栅儿 。:曲 ?叶 ???? 甜材?。....。。....... ???????????????? 。一叱。船舶电力推进系统分布式仿真研究 转速度有关还与船舶航行时的船速有关,而且船速和桨速同样是引起螺旋桨推力变化进 而带来船速变化的两个主要因素,因此进行仿真建模时应将船和桨的动态特性同时考虑 目前电力舰船的推进装置几乎都采用可回转的吊舱式推进器。 推进器主要由支架、装有推进电机的吊舱以及螺旋桨等部件构成,悬挂在船底,由于 集推进与操舵功能于一体,故省去了通常船舶所使用的推进器轴系与舵装置。然而, 作为一种新型的船舶推进器,对推进器的水动力性能主要是推进特性和空泡性 的研究工作还有待深入开展,尽管文献【】等中采用升力面理论 和面元法 等对推进器水动力性能进行了理论计算,但这些理论方 法还不完善,尚未能进入实用阶段。目前无论是推进器设计还是研究推进器 的推进特性都是采用 试验的方法??也是研究螺旋桨特性的常用方法。 .。.敞水螺旋桨的推力和转矩 螺旋桨单独地在均匀水流中工作是的流体动力特性??推力和转矩特性通常被称 为敞水螺旋桨特性。一定几何形状的螺旋桨或模型在敞水中运转时产生的推力和 转矩可以用下面公式来表示: 丁: .。 .式中”为螺旋桨转速/,为海水的密度/,。为螺旋桨直径,,为 推力系数;%为扭矩系数,它们是无量纲量??进速比、雷诺数。和傅汝德数的 函数,通常表示为:,矗,,。,,尼,,。,。根据相似理论,几何相似的 螺旋桨模型,必然有相同形式的矗和矗。若螺旋桨与其试验模型的厶及尼函数中的,、 和的值相同,那么几何相似的螺旋桨与其试验模型就成为动力相似‘?,它们的推 力系数巧及扭矩系数%将相等。函数,是影响螺旋桨性能的一个重要参数,其表达式 恕几每参,表达式帕呢是螺旋桨的进速,啪是螺旋桨的进程。船舶电力推进系统建模 进速比在螺距和转速刀一定的情况下,若不考虑诱导速度,进速比越小,螺旋桨的 推力和扭矩越大。当进速比时,这时进速为零,即螺旋桨只旋转不前进,螺旋桨的 推力和扭矩都达到最大值。随着进速的增加,进速比,增加,推力和扭矩随之减小。 一 雷诺数的表达式为::鉴,其中是海水运动粘性系数,雷诺数反映的是海 水对螺旋桨的粘性力。因此在进行螺旋桨敞水试验时通常只满足进速比相等的条件,要 求雷诺数超过临界雷诺数。。这样,螺旋桨的动力特性可以简化为:五, 尼,。而且螺旋桨模型与实际螺旋桨间因雷诺数没有同时超过临界值而引起两者 流体动力性能差异并不大,因此本文在进行仿真研究时将其影响忽略以简化建模过程。 ... 推进装置的推力分解 可全方位回转的推进装置通过控制其方位角可同时实现船舶的直线运动 和回转运动,将的方位角仍按习惯称为舵角。通过控制舵角的大小,主要实现以 下几种船舶运动方式: ?匀速或加速的直线航行:舵角为。,正常回转:舵角为士~士,紧急回转:舵角的绝对值超过,实际操纵时一般在, ?紧急停船:实际操纵时,通常将双推进装置中的左的舵角设为, 右的舵角设为。。 推进装置在上述不同工况下的水动力特性分析非常复杂,鉴于电力舰船运动姿 态方面的研究不是本文的重点,故这里对此做了一些简化处理,如图.所示。船舶电力推进系统分布式仿真研究 疋:.?\\。 疋邕一 图. 推进装置的推力分解 .. 图.中,瓦和靠分别是位于左右舷推进装置发出的推力,和分别是 左右舷推进装置的方位角舵角,分别将和砭在船首轴向和纵向进行分解, 可以得到船舶总轴向推力乃和总回转推力弓,即 乃瓦疋矿瓦疋只 弓瓦瓦瓦 瓦..环境下建立的完整的船舶电力推进系统仿真模型 根据上述分析,本文在环境下建立了一个完整的船舶电力推进系统的仿 真,如图.所示,主要包括:由两组柴油机/发电机 组构成的主电源系统,由两台异 步电动机作为推进电机驱动双螺旋桨,异步电动机分别由两台交.直.交变频器控制调速 以及一台直流电动机等其他辅助负载。船舶电力推进系统建模 图.基于的船舶电力推进系统建模..建模完成后主要研究了整个系统在启动、推进电机空载运行、满载运行以及系统中 发生故障等工况下的动态响应。船舶电力推进系统分布式仿真研究 第章并行计算在船舶电力推进系统仿真中的应用 本章主要研究在/环境下对已经搭建的船舶电力推进系统的仿 真模型执行并行仿真的操作方式,实现并行运行含有多组参数的模型并同时得到多组参 数的仿真计算结果以便于对比分析。研究内容主要包括:搭建并行计算平台,选取并行 程序结构,编写并行程序等。 .并行计算平台 平台是并行计算的载体,也是并行计算技术选择的最主要的依据。作为数值计算 领域的主流工具,提供了大量高效的数值计算模块和丰富的数据显示模式以 便于用户进行快速算法研究和科学建模仿真。在之后,推出了 并行计算工具箱和并行计算服务 ,通过 和用户可以实现基于多核平台、多处理器平台和集群平台的多种并行计算任务。 利用和,用户无需关心多核、多处理器以及集群之间的底层数据通信,而是 更多地将主要精力专注于并行算法的设计,同时可以充分利用提供的数值计 算模块和数据显示功能,高效便捷地完成并行计算任务。利用设计并行程序 会用到几个基本概念,即,,,,. 即并行计算待完成的任务。一般由一组组成,组成的一 组作业共同完成特定的任务。 为并行计算的基本单元,分配到 执行。 负责管理客户端提交的,负责为的各个分配工作单元,并向 客户端返回执行结果。用户可以选择第三方或者提供的 ,提供的有两种。一种是运行在客户端管理本 地工作单元的 ,一种是管理集群工作单元的 。既可 以配置在 单独集群节点上,也可以和工作单元共用一个集群节点。其中 可并行计算在船舶 电力推进系统仿真中的应用 以支持多个并行计算节点的。 是并行计算工具箱支 持的,可以在单个计算机上运行的,最多支持个并行计算单元的。第三方、 、 包括 、 就可以 等。如果没有特殊需求,则采用提供的 和 满足用户完成并行计算工作的需要。 在 端,用户可以编辑代码,定义和,输入各种命令,提交 .,查看并行计算任务的执行结果等。 或 或统称为工作单元,其中为一类特殊的,即执行在上的 可以进行数据通信。或负责根据的指令执行.的作业。,分布式计算服务器 如果在依靠网络通信的分布式计算节点上并行执行程序,则网络中各计 算机上必须运行服务。 在 端,用户可以通过各种对象访问、 、、 和的信息,分别成这些对象为对象、对象、对象等。以为 例,如果用户在 端创建一个,则 或会在数据 目录中保存此的信息,用户在客户端通过对应的.对象对其进行访问。 ..并行计算平台结构 图.给出了一个可用于并行计算的典型架构。从图中可以看出 之间的关系。实际上 、 和 、 和 反应的是计算平台之间的关系,可以把它们想象成虚拟的计算机。 其中 相当于计算机的界面,几乎所有的用户交互操作都是在 上完成; 负责 的管理和分配,每个包含若 匕执行; 干,每个都要经由 分配到 负责执行由 分配的,并将执行结果返回。 、 船舶电力推进系统分布式仿真研究 和既可以运行在网络中的多台计算机上,也可以运行在同一台计算机 上。 图,典型的并行计算架构 .. 利用和对待完成的并行计算任务进行描述,任务由一个或多个组成, 是并行计算的基本单元。和的创建与划分与用户待执行的并行 处理程序密切有关,是由用户决定的。 完成并行计算集群系统的架构既可以非常简单,也可以非常复杂。其中: 最复杂的情况下, 和可以有多个,也可以有多个; 最简单的情况下,、 、只有一个,当然此时并行和串行执行程序 没什么差别条件是如果不考虑数据通信时间开销的话。并行计算在船舶电力推进系统仿真中的应用 \/ / 飞 \ . \. , 气 、 、 \/ , 飞 尝 \ 图. 并行计算流程 .. 典型的并行计算流程如图.所示。并行计算的流程为:在每 台参与计算的计算机中启动分布式计算引擎 服务,该服务能启动参与计算的和管理各台计算机的 。 对进行管理,给分配计算任务,接收 计算后的结果。是工程师,它把工作分解为多个任务并把各任务提供给 。 就会根据的多少和空闲情况,适当地把任务分配给各 去做。各完成任务后,会把结果返回给 。当所有都 完成后,便可以从 里取回结果。 ..并行计算平台的配置 搭建并行计算平台时要创建上述的 ,,在可视化管理中心?? 中进行,其界面如图.所示。并行计算平台的配置过程如下:船舶电力推进系统分布式仿真研究 ?赫?蛔 一再拄呻.. ?啪‘啊眦 鬟雌 :‘ ?。.? :矗 已 。..。 ?:“ ?..? ?? :‘ ?.】 ..?‘耐 ?:岛。甜’“。?????????一 耐 】 “犟如“.王弄三三.争】 :“.答 图.司视化管理中心 .. 如图.所示。首先是添加主机,中会显示主机的计算机名,运 行情况以及在主机上建立的 名称和所属的数量。主机添加完成后 创建 ,其相关信息也会显示在中。最后创建,图中 的当前状态是,当有任务运行时的状态会变为。 创建 、成功后需要测试其连通性,如图.所示。图中所使用的 调度为 ,点击右下角的按钮 测试以下四个阶段的可行性。 :这里的指之前创建的、 、等 对象。测试通过则表示创建成功。 :一种分布式任务类型,各个任务相互独立不需要信息交互,测试通 过表示该 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 建立成功。可以借助特定的并行程序结构完成 。 :一种并行任务类型,各个共同完成一个任务,有信息交互,测 试通过表示该机制建立成功,可以借助特定的并行程序结构完成 。:并行计算池,在使用并行程序之间需要用命令打 开,测试通过表示并行计算池可用。并行计算在船舶电力推进系统仿真中的应用 ?致湖鳓黼黼矗瞒爵“‘。。。“? 承 妇 一暖瞳????????一 垮幢 ?矗 :。 : ? 岱 翟翼圈 警攀鹫孺《鞫 ?霭于 ??一 囊 图.连通性钡试 .. .并行程序结构 并行计算平台是并行程序运算的基础。在平台搭建完毕后,选取合适的平行程序结 构运 行仿真。本文在设计并行程序时主要研究了主要有以下几种结构: 循环,结构和通用并行程序结构。 .. 循环 由关键字表示的循环可以通过关键字进行并行。执行代码时,如 果遇到关键字表示循环,则采用串行方式执行;如果遇到关键字表示的循环, 则采用并行方式执行。执行时将循环分解为独立的部分,然后各个部分并行执行, 提高程序的执行效率。 并行执行循环时,采用和模式。其中编写和启动 并行代码的端,并行运行代码的端。可以将软件理解为一 个进程,在同一台计算机或者网络上的多个计算上可以运行多个进程,每个 进程之间可以通过某种方式进行数据传输。首先在端编写并行代码,然后船舶电力推进系统分布式仿真研究 在端的窗口中启动运行编写的并行代码。端在运行代码的 过程中,如果发现某个代码需要并行执行, 端根据并行代码的关键字及类 型将并行代码分配到本机或者网络上其他进程执行,那些最终执行并行代码的 进程即为。 和均为逻辑概念,它们可以运行在 任何安装的计算机上。 关键字并行执行循环时,会将循环划分为若干部分,每个部分交由不 同的执行。假设 的数量为,循环次数为,则/如果能整除 的话,则循环将会被均匀划分;如果不能整除的话,则循环会被非均匀划分,其中某些 会执行较多的循环次数。应用的一个基本前提是循环可以被分解为 互不相关的分段。各个分段执行时,执行顺序的变化不会影响最终结果。另外,利用 并行时会占用计算机资源进行必要的数据通信,因此并行效率与循环的长度、需传输的 数据量大小等因素密切相关。默认情况下,启动时只有一个进程,因此默认情况 下执行关键字标志的循环时是串行执行的。并行执行循环 之前需要打开并行计算池。并行计算池打开后,其中包含