电力电子技术、信息控制技术和电机控制技术的日益成熟,在很大程度上促进了直流电力推进技术的发展。随着工业规模的不断扩大,能源危机和环境问题日益严重,船舶行业作为耗能大户,对船舶的节能环保性能也提出了更高的要求。相较于传统恒速柴油发电机组,变速柴油发电机组具有油耗低、噪声小、污染排放少、维护费用低等优点,因此直流电力推进系统的电站大都采用变速柴油发电机组。变速柴油发电机组的转速随负荷变化而变化,其运行转速与运行工况不同于推进机组或恒速发电机组。为了充分发挥变速柴油发电机组的节油优势,本文以变速柴油发电机组为研究对象,开展了变速柴油发电机组的转速控制策略和性能优化研究。分析了变速柴油发电机组的运行原理,分别建立了柴油机和异步发电机的计算模型。建立了柴油机进排气、燃烧、传热和增压器的计算模型;建立了异步发电机在dq轴坐标下的计算模型,提出了异步发电机励磁和转矩的控制方法,为变速柴油发电机组仿真模型的搭建提供理论基础。分析变速柴油发电机组的万有特性试验数据,通过拟合方法建立了变速柴油发电机组的动力数学模型。采用数学模型寻优和试验数据寻优两种方法开展了变速柴油发电机组的最佳运行转速研究,并进行了油耗试验验证。结果显示按最佳运行转速运行的变速柴油发电机组的燃油消耗率低于恒速模式,且试验数据寻优选取的最佳运行转速节油效果更优。选取复兴船务拖轮为研究对象,根据其运行工况,分别设计了变速柴油发电机组的无级调速控制策略、有级调速控制策略和“有级+无级”调速控制策略,并设计了相应的安保控制策略,试验结果显示变速柴油发电机组能够按照设计的控制策略运行。建立了变速柴油发电机组的仿真模型,开展了变速柴油发电机组的性能优化研究,为常规发电柴油机应用于变速发电机组的改造提供了指导方向。研究结果显示通过减小涡轮截面积和调整喷油提前角大小,可以提高柴油机性能,降低燃油消耗率,使其更适用于变速发电机组。