CN103457289B - 一种船用风光混合发电装置和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种船用风光混合发电装置和控制方法，所述发电装置包括漂浮于水上的船体，推进所述船体前进的船舶动力装置，为所述动力装置供电的交流电网，与所述交流电网相连的蓄电池，以及为交流电网回馈电能的风力发电机和太阳能电池板。所述控制方法，包括一种船用风光混合发电装置的并网控制方法以及一种船用风光混合发电装置的跟踪控制方法。本发明风光混合发电装置可以节约能源和保护环境。在太阳能发电装置中加入太阳能偏航装置，提高了太阳能的利用率。风光混合神经网络PID并网控制方法增强了风光混合并网系统的电压稳定性。DSP强大的运算功能提高了并网控制器的运行速度。

Description

一种船用风光混合发电装置和控制方法

技术领域

本发明涉及一种船用风光混合发电装置和控制方法，属于船舶电气设备技术领域。

背景技术

目前，石化能源作为船舶主要动力源，资源消耗迅速，环境污染严重，21世界我们即将面临新的能源和环境危机，这就迫切要求我们提高对可再生清洁能源的开发利用。而对于航行于海上的船舶，有大量的风能、太阳能等清洁能源未得到有效利用，如何将这些清洁能源有效应用于船舶行业成为亟待解决的问题。同时随着可再生能源的开发，清洁能源利用率的最大化也成为了人们不断关注的问题。

风光混合发电是解决能源危机的有效途径之一。然而，风光混合发电并网技术尚不成熟，传统的PID控制方法在风光混合发电并网过程中的缺陷日益突出，PID控制器仅仅局限于并网装置工作在线性稳态工作点，一旦偏离稳态工作点，控制效果将大大降低。神经网络PID控制方法可以通过神经网络算法对PID参数进行自动调整，可以克服传统PID控制方法的不足。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种船用风光混合发电装置和控制方法。

按照本发明提供的技术方案，一种船用风光混合发电装置，包括漂浮于水上的船体，推进所述船体前进的船舶动力装置，为所述动力装置供电的交流电网，与所述交流电网相连的蓄电池，以及为交流电网回馈电能的风力发电机和太阳能电池板。

所述船舶动力装置包括推进电机和螺旋桨，所述螺旋桨和推进电机相连，所述推进电机与交流电网相连。

所述风力发电机位于船体艉部甲板中间，其迎风面正对船体船艏，并经整流装置与风机并网器相连，所述风机并网器与交流电网相连。

所述太阳能电池板以45°角倾斜置于风力发电机两侧并与太阳能偏航装置相连，所述太阳能电池板与太阳能并网器相连，所述太阳能并网器与交流电网相连。

所述风机并网器和太阳能并网器构成风光混合并网器，风光混合并网器由逆变模块、变压模块、滤波模块以及风光混合PQ控制器依次串接构成，上述风光混合PQ控制器由功率控制模块、电流控制模块、d-q变换模块以及正弦脉冲宽度调制模块依次串接构成。

所述太阳能偏航装置包括光电传感器、单片机控制模块、驱动器、步进电机和传动机构，所述光电传感器与单片机控制模块连接，所述单片机控制模块与驱动器连接，所述驱动器与步进电机连接，所述步进电机与传动机构连接，所述传动机构与太阳能电池板连接。

所述光电传感器包括光学通路和光电元件。

所述传动机构是齿轮传动机构或链条传动机构。

一种船用风光混合发电装置的并网控制方法，所述方法如下：风力发电机产生的电压经整流装置产生的电压和太阳能电池板产生的电压，分别经逆变、变压和滤波后回馈至交流电网，再由交流电网给动力装置或蓄电池供电。

一种船用风光混合发电装置的跟踪控制方法，光电传感器测量太阳能电池板光轴和太阳入射光线间的偏差，当偏差超过设定阈值时，光电传感器将发送太阳能电池板电压信号并经模数转换给单片机控制模块，将单片机控制模块对数据进行处理后得到的控制信号给驱动器控制步进电机动作，调节太阳能电池板的角度；所述控制信号包括方向信号和角度信号。

本发明的优点在于：风光混合发电装置可以节约能源和保护环境。在太阳能发电装置中加入太阳能偏航装置，提高了太阳能的利用率。风光混合神经网络PID并网控制方法增强了风光混合并网系统的电压稳定性。DSP强大的运算功能提高了并网控制器的运行速度。

附图说明

图1为本发明的船舶动力装置配置示意图。

图2为本发明的太阳能偏航装置结构图。

图3为本发明的单片机控制模块电路图。

图4为本发明的风光混合并网器结构图。

图5为本发明的改进的PQ控制器的结构图。

图6为本发明的神经网络NNPID控制器结构图。

图7为本发明的4-6-3结构BP神经网络的结构图。

图1中：1、风力发电机，2、太阳能电池板，3、船体，4、蓄电池，50、风机并网器，51、太阳能并网器，6、推进电机，7、螺旋桨，8、光电传感器，9、单片机控制模块，10、驱动器，11、步进电机，12、传动机构，13、整流装置，14、交流电网。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种船用风光混合发电装置和控制方法，包括如下步骤：

（a）、搭建风光混合发电及并网控制的装置结构，如图1所示，混合发电装置主要包括，漂浮于水上的船体3，推进船体3前进的船舶动力装置，为所述动力装置供电的交流电网，与所述交流电网相连的蓄电池4，以及为交流电网回馈电能的风力发电机1和太阳能电池板2。船舶动力装置包括推进电机6和螺旋桨7，螺旋桨7和推进电机6相连，推进电机6与交流电网相连。风力发电机1置于船体艉部甲板中间并将迎风面正对船艏，并经整流装置13与风机并网器相连，太阳能电池板2以45°角倾斜置于风力发电机两侧并与太阳能偏航装置相连，上述太阳能电池板2与太阳能并网器51相连，太阳能并网器51与交流电网14相连。

如图2所示，太阳能偏航装置包括光电传感器8、单片机控制模块9、驱动器10、步进电机11、传动机构12。光电传感器8与单片机控制模块9连接，单片机控制模块9与驱动器10连接，驱动器10与步进电机11连接，步进电机11与传动机构12连接，传动机构12与太阳能电池板2连接。

单片机控制模块电路如图3所示，上述光电传感器8输出的电压信号经差分放大器进行放大，电压放大信号经模数转换电路传送到单片机，由单片机对数字信号数据进行采集和计算，输出角度偏差值。

光电传感器8测量光轴和太阳入射光线间的偏差，当偏差超过设定阈值时，光电传感器将发送电压信号并经模数转换给单片机控制模块9，由单片机对数据进行处理，单片机控制模块9产生相应的控制信号给驱动器10，驱动器10驱动步进电机11动作，步进电机11根据控制信号驱动传动机构12动作，传动机构12同时带动太阳能电池板2转动。光电传感器8不断检测入射太阳光线在太阳能电池板上的信号偏差并输入到单片机控制模块9，重复上述过程一直减小偏差直到使太阳光线与系统光轴夹角小于设定阈值，实现对太阳方位角的偏航，提高太阳能利用率。传动方式可以是齿轮传动或链条传动。

（b）、描述了一种基于NNPID的风光混合发电并网控制方法：设计一种风光混合PQ控制器，利用神经网络PID调节电压稳定输出。风机和太阳能电池板产生的电压分别经风光混合并网器回馈至交流电网，再由交流电网给蓄电池或船舶动力装置供电。

风光混合并网器的结构如图4所示，它们都包括逆变模块、变压模块、滤波模块以及风光混合PQ控制器，所述逆变模块的开关信号由风光混合PQ控制器产生。风机并网器50和太阳能并网器51通过TI的F2812DSP实现，主要完成风光混合PQ控制器产生逆变模块开关信号、电压交直变换、大小变换以及电压滤波等功能。风机1产生的电压经整流装置和太阳能电池板2产生的电压经DSP逆变、变压和滤波后回馈至交流电网，再由交流电网给动力装置或蓄电池4供电。

上述风光混合PQ控制器结构如图5所示，风光混合PQ控制器由TI的F2812DSP实现，采用SPWM作为风光混合PQ控制策略的调制方式，通过采用NNPID改进的风光混合PQ控制器对风光混合发电装置进行并网控制。它包括功率因数控制、电流控制、dq2/3变换以及正弦脉冲宽度调制等环节。输出信号作为逆变模块开关信号。

风光混合PQ控制中的有功功率参考值P_ref由MPPT提供，再通过Q_ref/P_ref＝tanθ，得到无功功率参考值Q_ref，因为U_q=0，可以算出母线d-q轴电流参考值I_dref和I_qref，将其作为电流控制的输入。

将参考电流与逆变器输出d-q轴电流I_d和I_q进行比较，其差值经过NNPID控制器输出V_dPID和V_qPID；通过引入电流状态反馈来实现dq解耦控制，q轴电流经过Z_f得到V_d，d轴电流经过Z_f得到V_q，其中，Z_f＝ωL_f，ω为角频率，L_f为逆变输出电压与交流电网间的等效电感；经电网电压U_d和U_q前馈补偿后的输出为e_d和e_q，e_d和e_q经过dq2/3变换后，得到调制信号U_ref。最后经正弦脉冲宽度调制产生逆变模块开关输入信号。

其中，上述NNPID控制器结构如图6所示，输入为功率控制模块输出的d轴电流参考值I_dref，控制器输出为V_dPID。本实施例用到两个相同4-6-3结构的神经网络。采用带有平滑因子的负梯度算法对权值进行调整，网络输出得到比例、积分、微分系数。将逆变器输出d轴电流I_d与母线d轴电流参考值I_dref进行比较，其差值再经NNPID控制器得到输出V_dPID。括号中q轴相应的变量与前面所述过程类似。

如图7所示，本文神经网络结构为4-6-3，其中，l＝1,2,3。

输入层神经元输入为：

$\left\{\begin{array}{c}{x^1}_1=u(k-1)\\ {x^1}_2=e\left(k\right)-e(k-1)\\ {x^1}_3=e\left(k\right)\\ {x^1}_4=e\left(k\right)-2e(k-1)+e(k-2)\\ e\left(k\right)=I_{\mathrm{dref}}-I_d\mathrm{ore}\left(k\right)=I_{\mathrm{qref}}-I_q\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，x¹ ₁x¹ ₂x¹ ₃x¹ ₄为神经网络的输入，e(k)为d轴电流参考值I_dref和逆变器输出d轴电流I_d之间的误差，或q轴电流参考值I_qref和逆变器输出q轴电流I_q之间的误差。

$\left\{\begin{array}{c}{y_j}^1=f^1\left({{\mathrm{net}}^1}_j\right)\\ {y_i}^2=f^2\left({{\mathrm{net}}^2}_i\right)\\ {y_l}^3=f^3\left({{\mathrm{net}}^3}_l\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)中，各式分别为输入层输出、隐含层输出、输出层输出，j=1,2,3,4，i=1,2,…,6;l=1,2,3。f为激活函数。net_i ²和net_l ³分别为隐含层和输出层神经元输入和。

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1^3=K_P\\ y_2^3=K_I\\ y_3^3=K_D\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，神经网络输出层输出为PID控制器的三个参数K_P、K_I、K_D。系统性能指标定义为：

J＝1/2[V_dPID-V_dPIDr]²   (4)

其中,V_dPID为神经网络实际输出，V_dPIDr为神经网络期望输出。通过带有平滑因子的负梯度算法对反向传播过程的权值进行调整。

（c）、将上述风光混合PQ控制器在一片TI的F2812DSP上实现。包括MPPT模块、功率因数控制模块、功率控制模块、电流控制模块、d-q转换模块、SPWM模块。DSP芯片的输入为逆变器输出d轴电流I_d、逆变器输出q轴电流I_q、母线d轴电压U_d、母线q轴电压U_q，芯片输出为逆变模块的六个开关信号。

Claims (3)

1.一种船用风光混合发电装置，其特征是，包括漂浮于水上的船体(3)，推进所述船体(3)前进的船舶动力装置，为所述动力装置供电的交流电网(14)，与所述交流电网相连的蓄电池(4)，为交流电网(14)回馈电能的风力发电机(1)和太阳能电池板(2)，以及帮助风力发电机和太阳能发电机并网的风机并网器(50)和太阳能并网器(51)，两者共同构成风光混合并网器；

所述船舶动力装置包括推进电机(6)和螺旋桨(7)，所述螺旋桨(7)和推进电机(6)相连，所述推进电机(6)与交流电网(14)相连；

所述风力发电机(1)位于船体(3)艉部甲板中间，其迎风面正对船体(3)船艏，并经整流装置(13)与风机并网器(50)相连，所述风机并网器(50)与交流电网(14)相连；

所述太阳能电池板(2)以45°角倾斜置于风力发电机(1)两侧并与太阳能偏航装置相连，所述太阳能电池板(2)与太阳能并网器(51)相连，所述太阳能并网器(51)与交流电网(14)相连；

所述风光混合并网器包括逆变模块、变压模块、滤波模块以及风光混合PQ控制器，其中，逆变模块、变压模块、滤波模块依次串接，风光混合PQ控制器与逆变模块连接；所述风光混合PQ控制器由功率控制模块、电流控制模块、d-q变换模块以及正弦脉冲宽度调制模块依次串接构成；

所述太阳能偏航装置包括光电传感器(8)、单片机控制模块(9)、驱动器(10)、步进电机(11)和传动机构(12)，所述光电传感器(8) 与单片机控制模块(9)连接，所述单片机控制模块(9)与驱动器(10)连接，所述驱动器(10)与步进电机(11)连接，所述步进电机(11)与传动机构(12)连接，所述传动机构(12)与太阳能电池板(2)连接；

所述光电传感器(8)包括光学通路和光电元件；

所述传动机构(12)是齿轮传动机构或链条传动机构。

2.一种如权利要求1所述的船用风光混合发电装置的并网控制方法，其特征是所述方法如下：风力发电机(1)产生的电压经整流装置(13)产生的电压和太阳能电池板(2)产生的电压分别经逆变、变压和滤波后回馈至交流电网(14)，再由交流电网(14)给动力装置或蓄电池(4)供电。

3.一种如权利要求1所述的船用风光混合发电装置的跟踪控制方法，其特征是：光电传感器(8)测量太阳能电池板(2)光轴和太阳入射光线间的偏差，当偏差超过设定阈值时，光电传感器(8)将发送太阳能电池板(2)电压信号并经模数转换给单片机控制模块(9)，将单片机控制模块(9)对数据进行处理后得到的控制信号给驱动器(10)控制步进电机(11)动作，调节太阳能电池板(2)的角度；所述控制信号包括方向信号和角度信号。