CN105620706B - 具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及船舶电力推进领域，尤其涉及一种具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法。该系统主要由IGCT控制与驱动系统、信号采集与控制系统、复合储能系统以及安装在电动机和船舶电网之间的双向逆变整流系统组成。所述系统中的双向逆变整流系统采用双三电平二极管箝位式拓扑结构，控制方法选用SVPWM控制技术，从而实现谐波抑制和回馈制动的功能。所述系统中的复合储能系统除可用于吸收船舶制动时的能量外，还可用于平复船舶电网的波动，具有稳定船舶电网的作用。本发明对提高船舶电网的电能质量和能源的利用率具有重要的应用价值。

Description

具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制 方法

技术领域

本发明涉及船舶电力推进领域，尤其涉及一种具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法。

背景技术

船舶电力推进系统具有操作灵活、机动性能好，振动小，有利于船舶控制环境污染等优点，这些都是传统推进系统所不具有的。船舶电力推进系统已成为当今船舶行业的重点研究和发展对象，发达国家也正在大力研制将电力推进技术应用于下一代新型战舰并取得了重大的进展。

船舶电网是一个典型的独立供电系统，由于发电容量有限，对非线性负荷的抗干扰能力比较差，尤其是随着电力电子技术在船舶上的广泛应用，电能变换过程中的非线性现象加重，由此带来的谐波等电能质量问题不容忽视。相对于采用组网方式形成的大电网而言，独立小电网的系统短路容量较小，而谐波源相对容量较大，因此，谐波造成的影响就会更大。目前，船舶电网的谐波问题日益突出和严重，国内外都发生过因谐波而引发的重大船舶事故。大量谐波会使发电机效率降低，电气设备过热，产生振动和噪声，导致绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；谐波会引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；谐波还会引起船舶继电保护和自动控制装置的可靠性降低，产生误动作；此外，谐波会对通信设备和电子设备产生严重干扰，对船舶电力系统的安全、优质、经济运行构成潜在的危害。对此，船舶用电设备的谐波标准也日益提高。

电力推进船舶上产生谐波的元件很多，其中严重的是采用变频调速和串级调速的交流电动机调速系统和采用晶闸管变流的直流电动机调速系统等，都有大型的变流装置。这些采用功率半导体器件的变频装置在变流过程中，由于电力半导体器件的开关特性，在其输入和输出侧电压和电流都会出现波形畸变，产生大量的谐波。因此，电力推进系统中的大容量变流装置是产生船舶电力系统谐波的最主要因素。

目前，电力推进船舶的谐波抑制方法可分为主动型和被动型。主动型是对从谐波源本身提出的，要求谐波源本身不产生或少产生谐波，其主要方法有：①增加变流装置的相数或脉波数；②合理配置谐波源；③采用脉宽调制技术；④采用多重化技术。被动型是指在谐波产生后，从用电设备的角度考虑，解决已经存在的谐波方法，其主要方法是采用电力滤波器，包括无源电力滤波器、有源电力滤波器和混合型电力滤波器，由于有源电力滤波器对电网阻抗和谐波变化具有较好的适应能力，已成为目前滤波装置研究的重点。

在船舶制动过程中，由于船舶是一个具有很大惯量的物体，故其电动机转子、螺旋桨和船体本身具有巨大的能量，若不加以处理和利用，这部分能量将以热能的形式损失。有鉴于此，“绿色船舶”的发展迫切需要一种能将这部分能量存储及利用的系统，即回馈制动系统。

本发明的船舶电力推进系统，采用了双三电平二极管箝位式的拓扑结构，控制方法选用了SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)控制技术，其突出的优点是可以实现谐波抑制和回馈制动的功能，此外，由于系统中设计了大容量的复合储能系统，复合储能系统除可用于吸收船舶制动时的能量外，更重要的作用是可以平复船舶电网的波动，具有稳定船舶电网和提高船舶能效指标的作用。目前尚未见到有关此类船舶电力推进系统的相关报道和公开使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有电力推进船舶中存在严重的谐波污染和无法实现制动能量回馈利用的问题，提供一种具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统及控制方法，尤其适用于电力推进船舶提高船舶电网的电能质量和能源的利用率。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统，主要由IGCT控制与驱动系统，以及与IGCT控制驱动系统相连的信号采集与控制系统、复合储能系统、双向逆变整流系统组成，其中：信号采集与控制系统与船舶电网和电动机相连，用于对船舶电网和电动机的运行状态进行实时检测；双向逆变整流系统与船舶电网和电动机相连，其安装在船舶电网和电动机之间；复合储能系统与双向逆变整流系统相连，用于回收船舶制动时的能量和平复船舶负载功率的波动。

所述的双向逆变整流系统，采用双三电平二极管箝位式拓扑结构，具体是由两个完全相同的三电平二极管箝位式三相逆变整流系统串联组合而成。

所述的三电平二极管箝位式三相逆变整流系统，其每相桥臂由电连接的4个集成门极换流晶闸管和2个钳位二极管组成。

所述的IGCT控制与驱动系统，由DSP控制系统及与之相连的信号处理单元和驱动与保护电路组成，其中驱动与保护电路采用了防桥臂直通硬件互锁逻辑保护电路。

所述的DSP控制系统采用3片TMS320F28035型DSP芯片组合而成，其中一片DSP芯片作为主控制器，另外2片DSP芯片作为分控制器，分别用于控制三相逆变整流系统S1和S2；所述主控制器通过其自身拥有的2个SPI通讯接口与2个分控制器相连，实现控制信息的交互，该主控制器还通过其自身拥有的SCI通讯接口与复合储能系统的主控器相连，实现对复合储能系统的控制，同时，该主控制器还通过其自身拥有的CAN通讯接口与信号采集与控制系统的主控器相连，用于主控器获取船舶电网、电动机的运行状态及人机交互控制命令。

所述的信号采集与控制系统，由以信号相连的PLC控制单元、上位机、检测单元组成。

所述的复合储能系统，其主要由DSP控制与驱动系统和复合储能单元组成，其中：所述的DSP控制与驱动系统采用TMS320F28035型DSP芯片作为控制器；所述的复合储能单元是由2个独立的双向DC/DC变换器分别与超级电容和蓄电池串联后再并联而成，超级电容采用多个参数相同的单体电容器串联后组成，蓄电池采用锂电池组。

本发明提供的上述的具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统，其控制方法是：利用SVPWM控制技术和基于负载功率前馈的协调控制策略，来实现船舶电力推进系统的谐波抑制与制动能量回馈利用；通过复合储能系统的功率调节功能，来平复船舶负载功率的波动，使得船舶处于最佳能效工作点，从而有效提高船舶电网的电能质量和能效指标。

上述方法中，所述的谐波抑制的控制是将双向逆变整流系统的整流器采用虚拟磁链直接功率SVPWM控制技术，将双向逆变整流系统的逆变器采用转子磁场定向SVPWM控制技术。

上述方法中，所述的回馈制动的控制是将双三电平PWM变频调速系统采用基于负载功率前馈的协调控制，当电动机运行于一、三象限时，能量从船舶电网侧向负载电机侧流动，当电动机运行于二、四象限时，能量从负载电机侧向船舶电网侧流动，实际上是在吸收从负载电机回馈的能量。

上述方法中，所述的复合储能的控制是将IGCT控制与驱动系统通过信号采集与控制系统对船舶电网和电动机的瞬时功率进行实时检测，利用两者的功率差，采用PID算法来控制复合储能系统的充放电功率，从而使船舶处于最佳能效工作点。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.采用主动型谐波抑制，从源头处解决谐波污染问题，提高船舶电网的电能质量。

传统的谐波抑制方法大多都是被动型，主要方法是采用电力滤波器，包括无源电力滤波器、有源电力滤波器和混合型电力滤波器。此种方法虽然在一定程度上缓解了无功和谐波造成的危害，但并没有从根本上解决实际问题，究其原因是由于常规整流(二极管不可控整流或晶闸管相控整流器)没有抑制或消除无功和谐波的作用。本发明的双向整流逆变系统是由两个中点箝位三电平变换系统组成，构成一个AC-DC-AC的变频器系统，由于整流和逆变都采用了SVPWM技术，该方法可以使整流器的电流波形接近正弦波，最大限度的来消除源头处的谐波，同时，还可以实现系统单位功率因数运行。

2.回馈制动，提高能量利用率。

船舶制动时，船体、电机和螺旋桨由于惯性具有巨大的机械能，因此会产生较大的制动电能，传统的方法通常采用消耗电阻来吸收这部分能量。该方法简单的将电能转化为热能释放，不仅造成了能量的浪费，并且新产生的热能会对周围电力电子器件的正常工作造成一定的影响。本发明通过双向逆变整流系统将制动时产生的电能回馈到电网中，并利用复合储能系统储存起来加以利用，从而实现了回馈制动，有利于提高船舶的能源利用率。

3.采用复合储能技术提高船舶电网的稳定性和能效指标。

传统的船舶电力推进系统没有储能系统，当船舶运行工况发生剧烈变化时，因船舶电网的输出功率不能及时的响应负载功率的变化，因而导致两者功率的不匹配，从而引起船舶电网的剧烈波动，对船舶的安全稳定运行造成巨大的威胁。

本发明采用了复合储能技术，可以平复因船舶运行工况变化导致的船舶电网波动，对提高船舶电网的稳定性具有重要的作用。尤其是当船舶电网发生故障时，复合储能系统可以提供不间断电源提供应急照明，有效的避免因为断电而造成的安全事故。此外，利用复合储能系统的功率调节功能，使得船舶电网中发电机的功率与负载功率处于最佳匹配状态，提高船舶发电机的能效指标。

附图说明

图1是具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统结构示意图。

图2是双向整流逆变系统三电平拓扑结构示意图。

图3是信号采集控制系统结构示意图。

图4是复合储能系统结构示意图。

图5是三电平SVPWM整流控制方法的控制逻辑框图。

图6是三电平SVPWM逆变控制方法的控制逻辑框图。

图7是双三电平PWM整流逆变协调控制系统的控制策略逻辑框图。

图8是复合储能系统平滑控制逻辑框图。

图9是系统谐波抑制与制动能量回馈仿真效果图。

图10是采用复合储能装置后平抑仿真效果的复合储能系统功率变化曲线图。

图11是采用复合储能装置后平抑仿真效果的复合储能系统的直流母线电压曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例以及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

实施例1.具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统

该具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统的结构如图1所示，主要由IGCT控制与驱动系统，以及与IGCT控制与驱动系统相连的信号采集与控制系统、复合储能系统、双向逆变整流系统组成，其中：信号采集与控制系统与船舶电网和电动机相连，用于对船舶电网和电动机的运行状态进行实时检测；双向逆变整流系统与船舶电网和电动机相连，其安装在船舶电网和电动机之间；复合储能系统与双向逆变整流系统相连，用于回收船舶制动时的能量和平复船舶负载功率的波动。

所述双向逆变整流系统，采用双三电平二极管箝位式拓扑结构，如图2所示，双向逆变整流系统由两个完全相同的三电平二极管箝位式三相逆变整流系统S1、S2串联组合而成，三电平二极管箝位式三相逆变整流系统的每相桥臂由4个集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristors，IGCT，带集成反向续流二极管)和2个钳位二极管组成。IGCT控制与驱动系统可以通过控制三相逆变整流系统S1、S2中每相桥臂4个开关管的开关状态(每相桥臂可以有3种开关状态，三个桥臂共有27种开关状态，这27个矢量组成了三电平的输出基本空间向量，控制每个矢量在一个工作周期内持续的不同时间及起止时间，就可改变三电平二极管箝位式三相逆变整流系统的工作状态)，就可以使S1和S2分别处于整流状态或逆变状态。当S1工作于整流状态时，S2则工作于逆变状态，此时船舶电网和复合储能系统向电动机提供能量，电动机根据设定好的转速或者速度运行；反之，当S2工作于整流状态时，S1则工作于逆变状态时，此时电动机处于再生制动能量工作状态，电动机产生的制动能量流向船舶电网和复合储能系统，实现了船舶制动能量的回馈利用功能。

所述的IGCT控制与驱动系统，由DSP控制系统及信号处理单元和驱动与保护电路组成，其中驱动与保护电路采用了防桥臂直通硬件互锁逻辑保护电路，DSP控制系统选用3片TMS320F28035型DSP芯片组合而成。其中一片TMS320F28035型DSP芯片作为主控制器，另外2片TMS320F28035型DSP芯片作为分控制器，分别用于控制三相逆变整流系统S1和S2。主控制器通过其自身拥有的2个SPI通讯接口与2个分控制器相连，实现控制信息的交互。此外，主控制器还通过其自身拥有的SCI通讯接口与复合储能系统的主控器相连，实现对复合储能系统的控制，同时，主控制器还通过其自身拥有的CAN通讯接口与信号采集与控制系统的主控器相连，用于主控器获取船舶电网、电动机的运行状态及人机交互控制命令。

所述信号采集与控制系统，如图3所示，由以信号相连的PLC控制单元、上位机、检测单元组成，其中：PLC控制单元选用的是西门子公司生产的SIMATIC S7-400PLC产品，其特点具有极高的处理速度，用户友好性强，操作简单。上位机的触摸屏采用威纶通科技有限公司生产的WEINVIEW TK6102i系列触摸屏，采用速度为400MHZ RISC的CPU，搭配功能强大的EB8000组态软件，包含CAN通信端口和一个USB2.0接口，功能强大，使用方便。检测单元是由电流传感器、电压传感器、角速度传感器和变换器组成，变换器的作用是将传感器测量到的信号转换为PLC可以识别的0-5V的直流信号。变换器选择北京敬业电工集团生产的电量变送器，包括电压变送器、电流变送器及频率变送器。电流互感器选择西门子公司的ALH-066II电流互感器。电压互感器选择西门子公司的ALH-066III电压互感器。角速度传感器选用西门子公司的SITRANS WS300传感器。信号采集与控制系统通过检测单元完成对船舶电网和电动机工作电压、电流以及角速度的采集，并通过CAN总线将采集的结果实时上传给IGCT控制与驱动系统进行信息处理，以实现对船舶电网和电动机运行状态的实时控制。信号采集与控制系统中的上位机触控屏用于人机交互，从而实现对船舶运行状态的实时控制。

所述的复合储能系统，其结构如图4所示，其主要由DSP控制与驱动系统和复合储能单元组成。所述的DSP控制与驱动系统采用TMS320F28035型DSP芯片作为控制器。复合储能单元是由2个独立的双向DC/DC变换器分别与超级电容和蓄电池组串联后再并联而成，超级电容采用144个参数为2.7V/600F的单体超级电容器串联后，组成参数为400V/4.5F的组合式超级电容器；蓄电池组采用参数为336V/17AH的锂电池组；2个独立的双向DC/DC变换器的参数为400V/10A。超级电容具有功率密度大，寿命长，充放电速度快，温度范围广(-40-70摄氏度)等优点，但是其能量密度很小。蓄电池虽然它的功率密度、寿命和充放电速度比不上超级电容，但它具有很高的能量密度。复合储能系统结合了超级电容和蓄电池的优势，减轻了超级电容和蓄电池的工作负荷，有利于提高储能系统能量的利用率和系统的使用寿命。

本发明提供的具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统，适用于电力推进船舶提高船舶电网的电能质量和能源的利用率，其工作过程是：当操作员通过信号采集与控制系统中的上位机触控屏发出启动船舶运行的指令后，信号采集与控制系统将启动命令通过CAN总线传递给IGCT控制与驱动系统，IGCT控制与驱动系统接收到启动船舶运行的指令后，立即向发电机发出增加输出功率的指令，向三相逆变整流系统S1发出SPVWM整流脉冲控制信号，使得S1处于整流状态，向三相逆变整流系统S2发出SPVWM脉冲控制信号，使得S2处于逆变状态，同时，IGCT控制与驱动系统向信号采集与控制系统发出启动信号采集的指令，信号采集与控制系统启动采集后，实时将船舶电网和电动机的运行状态通过CAN通讯接口上传给IGCT控制与驱动系统进行信息处理，IGCT控制与驱动系统根据操作员设置的船舶运行参数与船舶的实时运行状态进行PID运算后，向发电机和复合储能系统发出功率调整的指令，同时调整S1和S2的工作状态，形成一个动态闭环控制系统，从而使得船舶的运行状态达到操作员设定的工作状态；当船舶处于正常运行状态后，IGCT控制与驱动系统通过信号采集与控制系统，实时采集船舶电网和电动机的功率变化情况，IGCT控制与驱动系统根据两者的差值，利用PID算法，向复合储能系统发出功率调节指令，用于平复船舶运行过程中的功率波动，稳定船舶电网；当操作员通过信号采集与控制系统中的上位机触控屏发出停止船舶运行的指令后，信号采集与控制系统将停止船舶运行的指令通过CAN总线传递给IGCT控制与驱动系统，IGCT控制与驱动系统收到停止船舶运行的指令后，立即向发电机发出减小输出功率的指令，将三相逆变整流系统S2的状态由逆变状态转换为整流状态，将三相逆变整流系统S1的状态由整流状态转换为逆变状态，同时，IGCT控制与驱动系统通过CAN通讯接口读取信号采集与控制系统实时采集到的船舶电网和电动机的运行状态，IGCT控制与驱动系统根据操作员设置的船舶运行参数与船舶的实时运行状态进行PID运算后，向复合储能系统发出功率调整的指令，用于吸收船舶制动时电动机产生的电能，实现了船舶制动能量的回收利用。

实施例2.具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统的控制方法

该船舶电力推进系统的控制方法包括以下控制方法及策略：

1.船舶电力推进系统谐波抑制的控制方法：

该船舶电力推进系统的谐波抑制控制方法，是一种主动型谐波抑制方法。船舶电力推进系统产生谐波的源头主要是整流环节和逆变环节，为了从源头上进行谐波抑制，本发明提出在整流环节采用基于虚拟磁链定向三电平SVPWM整流控制方法，在逆变环节采用基于转子磁场定向三电平SVPWM逆变控制方法。

虚拟磁链定向三电平SVPWM整流控制方法的控制逻辑框图如图5所示。其具体控制过程是：相电流传感器实时测量电网的电流信号(i_a、i_b)、电压传感器实时测量直流母线电压值(U_dc)、电流测量、虚拟磁链和瞬时功率估算单元根据测量得到的电流信号值、母线电压值、桥臂的矢量开关控制信号(s_a、s_b、s_c)就可以估算出虚拟磁链的α、β分量，从而可获得虚拟磁链矢量位置角θ，利用估算出的虚拟磁链就可以进一步估算出瞬时功率的有功功率p和无功功率q。将瞬时有功、无功功率参考值与它们的估算值进行比较，从而可以获得两者的差值Δp、Δq，将Δp和Δq输入到功率前馈解耦控制器进行解耦和PI调节后，可以获得在同步旋转坐标系中的分量V_d和V_q，然后通过park逆变换从而得到两相αβ静止坐标系下的分量V_α和V_β,利用V_α和V_β就可以采用固定开关频率调制的SVPWM算法获取整流器的开关控制信号(s_a、s_b、s_c)，最终实现定向三电平SVPWM整流控制。采用上述SVPWM整流控制技术可以有效抑制整流时谐波的产生，实现电网注入给整流器的电流是正弦波。

基于转子磁场定向的三电平SVPWM逆变控制方法的控制逻辑框图如图6所示。其具体控制过程是：相电流传感器实时测量电动机的定子电流(i_a、i_b)，采用磁场定向将定子电流(i_a、i_b)进行CLARK变换和PARK变换，得到在MT坐标系下的励磁电流i_sm和转矩电流i_st，速度传感器实时检测电机转速信号ω，转子磁链观测器根据励磁电流i_sm、转矩电流i_st和电机转速信号ω计算出转子磁链信号ψ_γ，ψ_γ与给定磁链做差值，其偏差信号送入磁链调节器A_ψR，得到励磁电流给定值由转速调节器ASR将给定转速ω^*与实测电动机转速ω做比较得到转矩参考值根据和ψ_γ，利用转矩方程来计算T轴转矩电流给定值将与反馈的定子电流信号i_sm、i_st做比较后得到的差值，经过PI运算得到定子电压信号v_sm和v_st。将MT坐标系下的电压信号经坐标变换得到αβ坐标系下的电压v_α和v_β，将v_α和v_β作为SVPWM控制的输入量，来实时控制逆变器的输出，进而控制异步电动机。采用上述SVPWM逆变控制技术可以有效减少逆变输出的谐波，有效抑制了逆变时谐波的产生。

采用上述谐波抑制控制方法后系统网侧(A相)的电压和电流的仿真波形如图9所示，由图可知，在正常的整流逆变环节，系统网侧的电压和电流波形基本均为正弦波，且电压和电流波形同相，该仿真结果表明本发明提出的谐波抑制控制方法具有很好的谐波抑制效果。

2.船舶电力推进系统的制动能量回馈利用协调控制策略：

为实现船舶电力推进系统回馈制动的功能，本发明采用了基于负载功率前馈的双三电平PWM整流逆变协调控制系统，其控制策略逻辑框图如图7所示。具体控制过程是：由转速调节器ASR将给定转速ω^*与实测电动机转速ω做比较得到转矩参考值根据转矩参考值来估算逆变器侧有功功率值p_m，将该有功功率值p_m直接反馈到整流器直接功率控制系统中，作为整流器有功功率参考值p^*。整流器对有功功率参考值p^*进行功率前馈解耦，获得在同步旋转坐标系中的分量V_d和V_q，然后通过park逆变换从而得到两相αβ静止坐标系下的分量V_α和V_β,利用V_α和V_β就可以采用固定开关频率调制的SVPWM算法获取整流器的开关控制信号(s_a、s_b、s_c)来调整与电网间的能量传输状态。当给定转速ω^*由正变为零时，整流器有功功率参考值p^*为负值，T轴转矩电流给定值为负值，此时整流逆变器S1的工作状态由整流状态转换为逆变状态，整流逆变器S2的工作状态由逆变状态转换为整流状态，系统处于制动状态，制动时电动机产生的能量由整流逆变器S1馈送到电网，从而实现了制动能量的回馈利用。

采用上述制动能量回馈利用协调控制策略后系统网侧(A相)的电压和电流的仿真波形如图9所示，由图可知，在制动馈能环节，系统网侧的电压和电流波形基本均为正弦波，且电压和电流波形正好反相，该仿真结果表明本发明提出的制动能量回馈利用协调控制策略具有很好的制动能量回收利用效果。制动能量的回收利用可以有效提高船舶能源的综合利用率指标。

3.船舶电力推进系统的复合储能能量管理方法：

为充分发挥复合储能系统的优势(蓄电池和超级电容器)，优化复合储能能量状态，延长蓄电池的使用寿命，本发明采用了基于平滑控制技术的复合储能能量管理方法，其管理方法逻辑框图如图8所示。具体控制过程是：IGCT控制驱动系统通过信号采集控制系统对船舶电网的瞬时功率(P_GRID)和电动机的瞬时功率(P_LOAD)进行检测，根据两者的功率差，利用PID算法获得复合储能系统输出功率P_w，如P_w小于零，则复合储能系统处于充电状态，如P_w大于零，则复合储能系统处于放电状态。根据复合储能系统的输出功率P_w，利用平滑控制算法，获得蓄电池与超级电容修正前的输出功率参考值P_{bat_buf}、P_{sc_buf}；为防止超级电容与蓄电池过充或过放，需要根据蓄电池的荷电状态S_{soc_buf}和超级电容的端电压U_sc对蓄电池和超级电容的输出功率进行调整，基于蓄电池荷电状态S_{soc_buf}的功率调整方法如表1所示，基于超级电容端电压U_sc的功率调整方法如表2所示。ΔP_bat、ΔP_sc分别为蓄电池和超级电容的功率调整值(ΔP_bat与ΔP_sc满足ΔP_bat＝-ΔP_sc的关系)，将蓄电池与超级电容修正前的输出功率参考值P_{bat_buf}、P_{sc_buf}分别与其修正值ΔP_bat、ΔP_sc相叠加后获得蓄电池与超级电容最终的输出功率参考值P_{bat_ref}、P_{sc_ref}。将P_{bat_ref}、P_{sc_ref}作为蓄电池与超级电容的充放电功率指令，分别控制其充放电状态，完成对复合储能系统的能量管理。

采用上述复合储能能量管理方法后，系统在正常运行中突加、突甩负载时复合储能系统的功率变化曲线和系统母线直流电压仿真结果如图10和图11所示，由两图可知，突加负载时，原有的船舶电网功率平衡被打破，此时复合储能系统发出功率，弥补船舶电网功率的缺额；突甩负载时，船舶电网发出的功率大于负载所需功率，复合储能系统吸收多余的电能。仿真结果表明，采用本发明提出的复合储能系统能量管理方法，可以有效平抑因负载功率波动引起的船舶电网功率不匹配，从而导致直流母线电压波动的问题。该方法对提高船舶电网的稳定性，实现船舶电网发电机与负载功率的动态匹配具有重要意义。

本发明经过上述步骤和控制方法，可以实现对船舶电力推进系统的谐波抑制和回馈制动功能，从而提高船舶电网的电能质量和能源的利用率。此外，本发明所述的控制方法还可用于平复船舶电网的波动，具有稳定船舶电网的作用。

表1基于蓄电池荷电状态S_{soc_buf}的功率调整方法

表2基于超级电容端电压U_sc的功率调整方法

Claims (4)

1.一种具有谐波抑制和回馈制动功能的船舶电力推进系统，其特征是该船舶电力推进系统的组成及连接关系为：IGCT控制与驱动系统直接与IGCT组即双向逆变整流系统相连，此外还通过CAN通讯接口与信号采集与控制系统的主控器直接相连、通过SCI通讯接口分别与复合储能系统和发电机的主控器直接相连；信号采集与控制系统通过含有电压传感器、电流传感器、角速度传感器和变送器模块的检测单元分别直接与船舶电网和电动机相连；双向逆变整流系统是由两个完全相同的三电平二极管箝位式三相逆变整流系统串联组合而成，其一端与船舶电网相连，另一端与电动机相连，且还直接与复合储能系统相连；复合储能系统是由2个独立的双向DC/DC变换器分别与超级电容模组和蓄电池模组串联后再并联而成。

2.根据权利要求1所述的船舶电力推进系统，其特征在于所述的IGCT控制与驱动系统，由DSP控制系统及与之相连的信号处理单元和驱动与保护电路组成，其中驱动与保护电路采用了防桥臂直通硬件互锁逻辑保护电路；DSP控制系统采用3片TMS320F28035型DSP芯片组合而成，其中一片DSP芯片作为主控制器，另外2片DSP芯片作为分控制器，分别用于控制三相逆变整流系统S1和S2。

3.一种如权利要求1至2中任一权利要求所述船舶电力推进系统的控制方法，其特征是同时采用基于虚拟磁链直接功率SVPWM的整流控制技术和基于转子磁场定向SVPWM的逆变控制技术来进行谐波抑制，采用基于负载功率前馈的协调控制策略进行制动能量的回馈利用以及利用复合储能系统的功率调节作用平复船舶负载功率的波动，使得船舶处于最佳能效工作点，从而有效提高船舶电网的电能质量和能效指标。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征是：在平复船舶负载功率的波动的过程中，先利用信号采集与控制系统实时检测船舶电网和电动机上所带负载的瞬时功率，计算出两者的功率差，再采用PID算法和基于平滑控制算法的复合储能能量管理方法来控制复合储能系统的充放电功率；此外，为优化复合储能能量状态，防止超级电容与蓄电池出现过充或过放，提出了基于蓄电池荷电状态S_{soc_buf}和超级电容的端电压U_sc的充放电控制策略。