【正文】 le 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 parison and analysis, e to the conclusion that time can prove that the controller in the system disturbance when the system restore stability. Keyword： marine electric power system。 back stepping。對航海的船舶而言，擁有一個保證其安全行駛的穩(wěn)定的電力系統(tǒng)是基礎(chǔ)。 因此船舶電力系統(tǒng)與陸地電力系統(tǒng)相比在容量，輸配電等方面都存在很大差異。船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在受到外界較大擾動（如短路故障、負(fù)荷突變、切除了大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器等）后，系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)依舊可以保持同步運(yùn)行以及電壓和頻率依舊保持穩(wěn)定的能力 [1]。船上濕度大，電氣配置會出現(xiàn)絕緣變潮、分層、形變等惡劣后果，導(dǎo)致配置絕緣能力下降。船舶航行，若遇惡劣天氣，沖擊、晃動明顯時，船用電氣設(shè)備被破壞、誤動的可能性就會加大。這些都是船舶航行時的安全隱患。因此船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是船舶經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行以及船員人生安全的重要基礎(chǔ)。船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性對船舶的意義非比尋常 [2]。他們對船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，暫態(tài)過程分析等一些方面進(jìn)行了研究。西方在船舶電力系統(tǒng)方面的研究側(cè)重于 : ⑴ 集成技術(shù)的研究。如荷蘭的 Imtech 公司，法國的施耐德公司，他們都可以提供很強(qiáng)大的集成 技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計 [3]。把原本為一個整體的電力系統(tǒng)分割成一個個獨(dú)立的小模塊來設(shè)計、制造。 ⑶ 加強(qiáng)發(fā)電模塊的研究。燃汽輪機(jī)作為主動力不僅可以提高供電密度，還可以節(jié)約船舶空間。 ⑷ 注重配電模塊的研究。隨著船舶供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，還產(chǎn)生了中壓船舶環(huán)網(wǎng)柜。 ⑸ 向智能管理系統(tǒng)方向研究，智能管理系統(tǒng)的未來發(fā)展目標(biāo)是很智能，很強(qiáng)大。在未來電力諧波處理也將被放入智能管理系統(tǒng)中。解放初 生產(chǎn)的船舶 總噸位很小 ， 如今可以生產(chǎn)出技術(shù)復(fù)雜的并配備相應(yīng)電力系統(tǒng)的大噸位船舶 [5]。船舶電力系統(tǒng)的靜態(tài)性能指標(biāo)、動態(tài)性能指標(biāo)及承受負(fù)荷的能力都有了提高，還出現(xiàn)了船舶高 參數(shù)電力系統(tǒng)。 ⑷ 不斷汲取新技術(shù)。 我國在工業(yè)基礎(chǔ)方面還是有一定的基礎(chǔ)和優(yōu)勢的，如船舶原動機(jī)、船舶發(fā)電機(jī)以及船舶配電、船舶的變頻調(diào)速等關(guān)鍵性技術(shù)。目前，我國 與發(fā)達(dá)國家的差距主要存在于船舶使用大功率電機(jī)以及船用高壓大容量電力電子器件等一些船用電氣設(shè)備，以及裝船率較低 [6]。本文的結(jié)構(gòu)如下 ： 第一章 為 緒論。 第二章 主要 介紹 船舶 電力系統(tǒng) 穩(wěn)定性 理論 。在對船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點有了一 定 了解的 基礎(chǔ)上，介紹了船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的概念和船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定的分類。 第三章的主要內(nèi)容是建模 。 第四章的主要內(nèi)容 是 利用 反推法設(shè)計自適應(yīng)控制器。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第五章是系統(tǒng)仿真。通過對比前后兩次仿真的功角 ? 、功角速度 ? 的波形圖，證明了加入所設(shè)計的控制器后，系統(tǒng)可以在外界擾動下恢復(fù)穩(wěn)定。發(fā)電裝置與用電設(shè)備之間的 距離 有限。船舶電力系統(tǒng)的工程實施難度比較大，因為船舶的總裝機(jī)功率都比較高，所以必須采用嚴(yán)格的工程措施來防止設(shè)備之間出現(xiàn)短路現(xiàn)象。船舶電力系統(tǒng)設(shè)計運(yùn)行的最基本要求是安全，不發(fā)生人生事故；系統(tǒng)的設(shè)計要求可靠，可以對設(shè)備提供連續(xù)供電； 電能 優(yōu)質(zhì)，滿足電氣設(shè)備等 一些 配置對電壓和頻率的要求；經(jīng)濟(jì)，節(jié) 省 電能 [7]。船舶電力系統(tǒng)包括電能的產(chǎn)生、輸送、分派以及消耗等全部裝置以及它們所形成的網(wǎng)絡(luò) [8]。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 21 船舶電力系統(tǒng)原理圖 ⑴ 發(fā)電單元：電源 能夠?qū)C(jī)械能或者化學(xué)能等一些其他形式的能轉(zhuǎn)換為電能的裝置稱為電源。供船舶使用的發(fā)電機(jī)組可以是交流的也可以是直流的。如果船舶主機(jī)為汽輪機(jī)，則其發(fā)電機(jī)的原動機(jī)一般也采用汽輪機(jī)。配電裝置包括各種轉(zhuǎn)換和控制開關(guān)、互感器、連接線路、保護(hù)設(shè)備、自動化裝置等一些附屬設(shè)備。 ⑶ 輸電單元：電力網(wǎng) 電力網(wǎng)是整個船 舶電力體系輸電電纜和電線的總稱。電力網(wǎng)通常由動力電網(wǎng)、照明電網(wǎng)、應(yīng)急電網(wǎng)還有低壓電網(wǎng)和弱電電網(wǎng)等組成。它是可以將電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪芰垦b配。動力負(fù)載約占總用電量的 70%。 表 21 電 氣設(shè)備 船用條件 序號 工作條件 要求 序號 工作條件 要求 1 周圍溫度 25176。 +45176。（應(yīng)急設(shè)備 176。 4 鹽霧 有 8 振動 有 5 油霧 有 9 沖擊 有 6 霉菌 有 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 船舶電力系統(tǒng)的運(yùn)行 工況及 特點 對船舶的航行進(jìn)行分析，首先要了解船舶的 經(jīng)典 工況，比如海洋遠(yuǎn)航、靠離岸邊、裝卸物品與進(jìn)港停泊等。海上的氣候變化大，而且沒有規(guī)律，船舶電力系統(tǒng)在同一種工作狀態(tài)下，不同的天氣（風(fēng)平浪靜的晴天或大風(fēng)大浪的惡劣天氣）電力系統(tǒng)運(yùn)行起來的情況就不同，因此，船舶電力系統(tǒng)隨時都有可能引發(fā)故障，故障的隨機(jī)性非常強(qiáng)。船舶電力系統(tǒng)的負(fù)荷運(yùn)行可以分為船舶主推進(jìn)電動機(jī)變負(fù)荷運(yùn)行、平穩(wěn)運(yùn)行和不運(yùn)行這三種情況，這是依據(jù)船舶在海洋上航行的所需條件和船舶電力系統(tǒng)所需的大負(fù)荷運(yùn)行設(shè)備來分的。 對于傳統(tǒng)的由柴油機(jī)直接帶動螺旋槳的非電力推進(jìn)船舶，船舶擾動主要來自船上的空調(diào)、貨倉的風(fēng)機(jī)運(yùn)行、船舶甲板大型機(jī)械設(shè)備的移動，機(jī)艙中一些電氣設(shè)備的啟動或者停機(jī)，如服務(wù)泵等。在極端天氣下，比如冬季，天氣寒冷，水溫低，海洋航行環(huán)境不可預(yù)測，水動力負(fù)荷的變化大，且毫無規(guī)律可言，這時船舶的 一些工況會 導(dǎo)致推進(jìn)電動機(jī)的負(fù)荷大幅度變化，這 就 會造成船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性 受到 極大影響。依靠自身發(fā)電來驅(qū)動船舶的電力推進(jìn)船舶，它的電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況很復(fù)雜，穩(wěn)定性問題較難解決。 電力推進(jìn)船舶一般都是中壓或者高壓電力系統(tǒng)，因為電力系統(tǒng)的容量較大。推進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)一般不安裝短路保護(hù)裝置，并且也不可以采用常規(guī)的過載繼電保護(hù)，因為要保證船舶推進(jìn)主動力永遠(yuǎn)存在，不可以隨便消失。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定概念 首先可以這樣理解船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，給它下一個定義：系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件都具備的情況下，可以達(dá)到工作的平衡狀態(tài)，在受到外界擾動后能夠自動恢復(fù)穩(wěn)定，返回到允許的平衡狀態(tài)。我們要了解一個系統(tǒng)同步運(yùn)行的程度，就要看它的同步穩(wěn)定。除了這一點還有很 多原因都會影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，如同步發(fā)電機(jī)向電動機(jī)負(fù)荷供電時，負(fù)荷電壓崩潰會使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 對電力系統(tǒng)好壞的評價主要是看系統(tǒng)受到各種擾動后系統(tǒng)的動態(tài)性能能否控制在穩(wěn)定范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)面對一些特別嚴(yán)重的擾動時，如電網(wǎng)突然短路，失去一臺發(fā)電機(jī)時，系統(tǒng)也要能保持運(yùn)行。此外還有電壓的變化，轉(zhuǎn)速的變化，負(fù)荷的變化，頻率的變化，都會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度的影響 [11]。當(dāng)一些因素造成了系統(tǒng)電壓漸進(jìn)或不可控的降落時，如負(fù)荷的增加等，那么系統(tǒng)就出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定。 判斷 電壓穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是：在正常的運(yùn)行條件下，當(dāng)電力系統(tǒng)母線電壓的幅值隨著母線中無功功率的增加而增加時，則電壓穩(wěn)定；當(dāng)母線電壓幅值隨著母線中無功功率的增加而降低時，則電壓為不穩(wěn)定 [12]。電動機(jī)起動時力矩不夠就會延長起動時間，假如電動機(jī)不轉(zhuǎn)動，電流則會變大，導(dǎo)致電動機(jī)發(fā)熱，若保護(hù)裝置拒動就會燒壞電動機(jī)。電壓崩潰伴隨著電壓不穩(wěn)定而致使整個系統(tǒng)低電壓，最終使船舶電網(wǎng)失去全船性的電壓。因此，轉(zhuǎn)子角的穩(wěn)定與同步發(fā)電機(jī)及其控制的特性密切相關(guān)。船舶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速對船舶電網(wǎng)頻率有著直接的影響，因此，要使頻率穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速也得穩(wěn)定。 一般情況下頻率穩(wěn)定就是指系統(tǒng)在規(guī)定的額定運(yùn)行條件下運(yùn)行時或系統(tǒng)受到擾動后，系統(tǒng)中所有母線都長時間的保持可承受的頻率變化的能力，與專制角穩(wěn)定也有關(guān)系。造成不穩(wěn)定的主要因江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 素是系統(tǒng)不能滿足有功功率控制的要求。對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行合理適當(dāng)?shù)姆诸愂怯斜匾模@樣才能更方便細(xì)致的對船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定 性進(jìn)行分析和研究，才能更準(zhǔn)確的對造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素進(jìn)行識別，從而找到改善系統(tǒng)的方法，使系統(tǒng)穩(wěn)定。比如圖中小信號穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定概念的邊界就存在一定的重疊；短期穩(wěn)定、長期穩(wěn)定與電壓穩(wěn)定概念的邊界也存在一定的重疊。 電力系統(tǒng)穩(wěn)定 轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定 頻率穩(wěn)定 電壓穩(wěn)定 小信號擾動 角度穩(wěn)定 大擾動 電壓穩(wěn)定 小擾動 電壓穩(wěn)定 短期 短期 短期 短期 長期 暫態(tài)穩(wěn)定 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性控制 技術(shù) 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法 傳統(tǒng)的穩(wěn)定性控制方法是用電力系統(tǒng)穩(wěn)定器進(jìn)行控制。古典控制針對系統(tǒng)的不同角度采用不同的方法進(jìn)行分析。最后根據(jù)期望的性能指標(biāo)加入設(shè)計的控制器，調(diào)整模型參數(shù)，校正系統(tǒng)。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以在勵磁電壓調(diào)節(jié)器中引入一個超出軸速度的另外的信號，即附加信號， 那么就會產(chǎn)生一個為正值的阻尼轉(zhuǎn)矩，也就是正阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)，這個為正的阻尼轉(zhuǎn)矩可以用來克服原本勵磁電壓調(diào)節(jié)器中產(chǎn)生的為負(fù)值 的 阻尼轉(zhuǎn)矩。電力系統(tǒng)穩(wěn)定器可以選取和低頻振蕩有關(guān)的信號，比如發(fā)電機(jī)的有功功率、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率等等一些信號，在原信號基礎(chǔ)上加以改進(jìn)作為附加信號，送到勵磁調(diào)節(jié)器中去，產(chǎn)生阻尼低頻振蕩的附加力矩。 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，由于古典控制電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的局限性，很多問題已經(jīng)沒有辦法解決，這就催生了現(xiàn)代控制理論。突出了系統(tǒng)內(nèi)部的變量關(guān)系。狀態(tài)方程和輸出方程結(jié)合起來構(gòu)成狀態(tài)空間表達(dá)式 ，即 現(xiàn)代控制理論的數(shù)學(xué)模型。面對更加復(fù)雜的電能變換控制可以清晰的通過方程分析出來。在不增加甚至還可以減少傳感器數(shù)量的情況下，可以對系統(tǒng)變量實施更加全面的測量控制。 本章小結(jié) 本章首先對船舶電力系統(tǒng)的組成、特點以及一般的運(yùn)行工況做了介紹，對船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點有了一個大致的了解。 然后分別介紹了傳統(tǒng)穩(wěn)定性控制方法和 現(xiàn)代穩(wěn)定性控制方法。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 第 三 章 船舶電力系統(tǒng)兩機(jī)并聯(lián)型非線性數(shù)學(xué)模型 船舶電力系統(tǒng)建模 一般情況下，對船舶電力系統(tǒng)進(jìn)行建模時，我們假設(shè)系統(tǒng)是理想電機(jī)系統(tǒng)：電機(jī)磁鐵部分的磁導(dǎo)率，不考慮其磁滯，但可以考慮一定的磁飽和，并且不考慮渦流與磁滯效應(yīng)，將其看為常數(shù)。定子有三個繞組，結(jié)構(gòu)相同，空間位置互差 120176。定子、轉(zhuǎn)子的電感不受其他 影響 [17]。通常情況，我們用不同階數(shù)的數(shù)學(xué)模型來描述同步發(fā)電機(jī)的電氣部分。在繞組中通入直流電形成磁場。 N 極磁場的中心交直軸，我們也稱 d 軸 。在有發(fā)電機(jī)助推系統(tǒng)的船舶中，當(dāng)電能的輸入或輸出存在逆轉(zhuǎn)時，船舶的推進(jìn)電動機(jī)就是同步電機(jī)。圖 31 給出了定子和轉(zhuǎn)子的繞組電路圖。假設(shè)阻尼繞組中的電流在一個磁鏈與 d 軸磁場同軸的閉合回路和一個磁鏈與 q 軸磁場同軸的閉合回路中流通。 θ是 a 相滯后 d 軸的角度 [18]。轉(zhuǎn)子電感不會在定子槽的影響下隨轉(zhuǎn)子位置改變。 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 圖 31 同步發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組的電路圖 ic ia ib ψ b ψ a ψ c ea eb ec 定子 圖 θ 旋轉(zhuǎn)方向 r? 電角速度（ rad/s） d 相軸 a 相軸 q 相軸 ikd ikq ifd efd 轉(zhuǎn)子圖 江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 船舶電力系統(tǒng) 兩 機(jī)并聯(lián)型非線性數(shù)學(xué)模型的建立 電能是不能被大量存儲的，船舶電力系統(tǒng)生產(chǎn)出來的電能只能消耗掉，不可存