CN106099900A - 分散式船舶中压直流综合电力控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于船舶中压直流综合电力推进技术领域，尤其涉及一种分散式船舶中压直流综合电力控制系统。本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，包括至少一个直流发电子系统；每个该直流发电子系统包括一个直流发电单元和一个本地控制器；该本地控制器与该直流发电单元连接，用于根据预先设定的直流母线电压V_ref，生成电压控制指令；该直流发电单元用于根据该电压控制指令，调节向该直流母线输出的发电电压V，使得该发电电压V等于该预先设定的直流母线电压V_ref。本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统分别将单个直流发电单元作为控制对象，在保证系统稳定性的前提下，省去了中央控制器和通信设备，提高了船舶中压直流综合电力控制系统的可靠性。

Description

分散式船舶中压直流综合电力控制系统

技术领域

本发明属于船舶直流微网技术领域，尤其涉及一种分散式船舶中压直流综合电力控制系统。

背景技术

中压直流综合电力系统是一类新型的船舶电力系统，该系统以燃气轮机或柴油机为原动机，带动同步发电机发电，经整流单元整流后输出直流电，经直流母线为分布在船舶各处的电力负载供电。其中，电力负载包括推进电机及由电力电子变换器供电的船舶日用负载，在一定频宽范围内呈现恒功率特性，即恒功率负载。

对于这类船舶综合电力系统而言，向各直流发电单元合理分配电力负荷及克服恒功率负载负阻抗带来的系统稳定性问题是该技术领域内亟需解决的问题。

如图1所示，现有的中压直流综合电力控制系统通常采用集中式控制结构，由中央控制器根据用电负载的功率需求和各个直流发电单元的状态信息，指定各个直流发电单元的发出功率。因此，需要在中央控制器与各个直流发电单元之间设置高带宽通信设备。高带宽通信设备增加了控制系统的复杂度，降低了控制系统的可靠性。

发明内容

针对现有的集中式中压直流综合电力控制系统可靠性较低的问题，本发明提出一种分散式船舶中压直流综合电力控制系统，省去了中央控制器和通信设备，提高了船舶中压直流综合电力控制系统的可靠性。

本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，包括至少一个直流发电子系统；每个该直流发电子系统连接在直流母线上，向该直流母线提供电能；该直流母线上并联连接有至少一个用电负载；在稳态条件下，直流发电系统向该直流母线提供的发电功率之和等于用电负载从该直流母线获取的负载功率之和；每个该直流发电子系统包括直流发电单元和本地控制器；该本地控制器与该直流发电单元连接，用于根据预先设定的直流母线电压V_ref，生成电压控制指令；该直流发电单元用于根据该电压控制指令，调节向该直流母线输出的发电电压V，使得该发电电压V等于该预先设定的直流母线电压V_ref。

进一步地，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，包括第一直流发电子系统；该第一直流发电子系统包括第一直流发电单元、第一本地控制器、及滤波电路；该第一直流发电单元通过该滤波电路与该直流母线连接，该第一直流发电单元向该滤波电路输出电源电压E，向该滤波电路输出电流I；该第一本地控制器包括下垂控制器、干扰观测器和滑模控制器；该干扰观测器分别与该下垂控制器和该滑模控制器连接，用于根据获取的该发电电压V、该电源电压E及该滑模控制器生成的电压控制值u，生成该第一直流发电单元向该直流母线提供的发电功率P_L的估计值并将该估计值发送给该下垂控制器和该滑模控制器；该下垂控制器还与该滑模控制器连接，用于接收该估计值并根据该估计值该预先设定的直流母线电压V_ref、及获取的该发电电压V，生成给定电压设定值并将该给定电压设定值发送给该滑模控制器；该滑模控制器还与该第一直流发电单元连接，用于接收该估计值和该给定电压设定值并根据获取的该电流I、获取的该发电电压V、该估计值和该给定电压设定值生成电压控制值u，并将该电压控制值u发送给该第一直流发电单元和该干扰观测器；该第一直流发电单元用于根据该电压控制值u，调节输出的该电源电压E；该滤波电路用于将调节后的该电源电压E直流滤波后，向该直流母线输出该发电电压V。

进一步地，本发明提出的本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，该第一直流发电单元包括正极与负极；该滤波电路包括电感L_f、电阻R_f和电容C；该电阻R_f与该第一直流发电单元的正极连接，该电感L_f与该电阻R_f串联；该电容C与该电感L_f和该直流发电单元的负极连接；该电容C还与该直流母线连接。

进一步地，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，该下垂控制器根据第一公式生成该给定电压设定值该第一公式为：

其中R_D为下垂系数。

进一步地，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，该第一直流发电单元和该滤波电路组成发电装置，该发电装置的状态方程为第二公式，该第二公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dV}{dt}=\frac{1}{C}I-\frac{P_L}{CV}\\ \frac{dI}{dt}=-\frac{R_f}{L_f}I-\frac{1}{L_f}V+\frac{E}{L_f}\end{array}\right..$

进一步地，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，该发电装置和该第一本地控制器组成该第一直流发电子系统；该第一直流发电子系统的状态方程为第三公式和第四公式，该第三公式为：

其中u为该滑模控制器生成的该电压控制值；

该第四公式为：其中，

d(t)为负载功率P_L及干扰的综合项。

进一步地，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，该干扰观测器根据第五公式生成该第一直流发电单元向该直流母线提供的发电功率P_L的估计值该第五公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{p}=-{\lg }_2\left(x\right)p-l\[g_2\left(x\right)lx+f\left(x\right)+g_1\left(x\right)u\],\\ \hat{d}=p+lx,\end{array}\right.$

其中，为该估计值p为该干扰观测器的内部状态，l为该干扰观测器的增益。

进一步地，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，该滑模控制器根据第六公式生成该电压控制值u；

该第六公式为：

$u=-b^{-1}\left(x\right)\[a\left(x\right)+c(x_2+\hat{d})+k\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\σ}\right)\],$

其中，sgn为符号函数；k为常数；c为常数；a(x)和b^-1(x)根据该第三公式得到；σ为设计的滑模切换面。

进一步地，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，该设计的滑模切换面σ根据第七公式得到，该第七公式为：

$\mathrm{\σ}=x_1+{\mathrm{cx}}_2+\hat{d}.$

与现有技术相比，本发明提出的分散式船舶中压直流综合电力控制系统分别将单个直流发电单元作为控制对象，使得直流发电单元的发电电压稳定在预先设定的直流母线电压上，在保证系统稳定性的前提下，省去了中央控制器和通信设备，提高了船舶中压直流综合电力控制系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为集中式船舶中压直流综合电力系统的组成示意图；

图2为本发明实施例分散式船舶中压直流综合电力系统的组成示意图；

图3为本发明实施例分散式船舶中压直流综合电力系统的直流发电子系统的组成示意图；

图4为本发明实施例分散式船舶中压直流综合电力系统的一个具体组成示意图；

图5为本发明实施例分散式船舶中压直流综合电力系统的直流发电子系统的Simulink框图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

实施例

本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统，包括至少一个直流发电子系统；每个该直流发电子系统分别连接在直流母线上，向该直流母线提供发电功率；该直流母线上并联连接有至少一个用电负载；在稳态条件下，该至少一个直流发电子系统向该直流母线提供的发电功率之和等于该至少一个用电负载从该直流母线获取的负载功率之和；每个该直流发电子系统包括直流发电单元和本地控制器；该本地控制器与该直流发电单元连接，用于根据预先设定的直流母线电压V_ref，生成电压控制指令；该直流发电单元用于根据该电压控制指令，调节向该直流母线输出的发电电压V，使得该发电电压V等于该预先设定的直流母线电压V_ref。

具体应用时，如图2所示，本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统，包括n个直流发电子系统100；该n个直流发电子系统分别连接在直流母线上，向该直流母线提供发电功率；该直流母线上并联连接有m个用电负载；在稳态条件下，该n个直流发电子系统向该直流母线提供的发电功率之和等于该n个用电负载从该直流母线获取的负载功率之和；每个直流发电子系统100包括直流发电单元10和本地控制器20；本地控制器10与直流发电单元20连接，用于根据预先设定的直流母线电压V_ref，生成电压控制指令；直流发电单元20用于根据该电压控制指令，调节向直流母线输出的发电电压V，使得直流发电单元20向直流母线输出的发电电压V等于预先设定的直流母线电压V_ref。

需要说明的是，n,m为大于等于1的正整数。

本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统分别将单个直流发电单元作为控制对象，使得直流发电单元的发电电压稳定在预先设定的直流母线电压上，在保证控制系统稳定性的前提下，省去了中央控制器和通信设备，提高了船舶中压直流综合电力控制系统的可靠性。

具体应用时，如图3所示，本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统，包括第一直流发电子系统100；第一直流发电子系统100包括第一直流发电单元21、第一本地控制器、及滤波电路30；第一直流发电单元21通过滤波电路30与直流母线连接；第一直流发电单元21向滤波电路30输出电源电压E，及输出电流I；第一本地控制器包括下垂控制器11、干扰观测器13和滑模控制器12；干扰观测器13分别与下垂控制器11和滑模控制器12连接，用于根据获取的发电电压V、电源电压E及滑模控制器12生成的电压控制值u，生成第一直流发电单元21向直流母线提供的发电功率P_L的估计值并将估计值发送给下垂控制器11和滑模控制器12；下垂控制器11还与滑模控制器12连接，用于接收该估计值并根据该估计值该预先设定的直流母线电压V_ref、及获取的该发电电压V，生成给定电压设定值并将该给定电压设定值发送给滑模控制器12；滑模控制器12还与第一直流发电单元21连接，用于接收该估计值和该给定电压设定值并根据获取的该电流I、获取的该发电电压V、该估计值和该给定电压设定值生成电压控制值u，并将该电压控制值u发送给第一直流发电单元21和干扰观测器13；第一直流发电单元21用于根据电压控制值u，调节向滤波电路30输出的电源电压E；滤波电路30用于将调节后的所述电源电压E直流滤波后，向直流母线输出发电电压V。

具体应用时，如图4所示，本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统的每个直流发电单元包括正极与负极；每个滤波电路包括电感L_f，电阻R_f，电容C；电阻R_f与直流发电单元的正极连接，电感L_f与电阻R_f串联；该电容C与该电感L_f和该直流发电单元的负极连接；该电容C还与该直流母线连接。

需要说明的是，上述电感、电阻和电容分别为等效电感、等效电阻和等效电容，在具体实施时，可以是一个或多个具体的电感元件、电阻元件和电容元件。

如图4所示，在中压直流综合电力系统设计时，根据直流发电单元的装机容量和船舶负载的功率等因素，船舶中压直流综合电力系统的布局可能包括：多个直流发电单元共同为一个较大的用电负载提供电能，和某一个直流发电单元为多个较小的用电负载提供电能这两种形式。不管实际布局如何，多个直流发电单元与多个用电负载均连接在直流母线上。

因为分散式船舶中压直流综合电力控制系统中包含多个组成和功能完全相似的直流发电子系统，以下以其中一个直流发电子系统为例，对直流发电子系统的组成和功能进行说明。

列出本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统中由直流发电单元和滤波电路组成的发电装置的状态方程，如下式：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dV}{dt}=\frac{1}{C}I-\frac{P_L}{CV}\\ \frac{dI}{dt}=-\frac{R_f}{L_f}{I}_1-\frac{1}{L_f}V+\frac{E}{L_f}\end{array}\right.$

进一步，可以列出本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统中由发电装置和本地控制器组成的直流发电子系统的状态方程，如下式：

其中，u为滑模控制器生成的电压控制值。其中，为下垂控制器产生的给定信号，该信号作为滑模控制的给定输入，指的是输出电压的稳态值。而指的是系统电流的稳态值。需要说明的是，在进一步处理中需要应用小信号理论，在小信号处理过程中会被约去。

$\stackrel{\·}{x}=a\left(x\right)+b\left(x\right)u;\stackrel{\·}{x}=AX+BU$

上式可以进一步地整理为标准的y＝c(x)+d(x)u；及y＝CX+DU的形式，这里不再赘述。

进一步地，考虑未建模误差和外部干扰，可以列出本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统中由发电装置和本地控制器组成的直流发电子系统的包括外部干扰的状态方程，如下式：

其中，

其中，d(t)为负载功率P_L及干扰的综合项，u为滑模控制器生成的所述电压控制值。

应当理解为，当g₂(x)仅是一个常数时，可以简化写为g₂。

具体应用时，如图5所示，本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统的干扰观测器根据下式生成直流发电单元向直流母线提供的发电功率P_L的估计值

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{p}=-{\lg }_2\left(x\right)p-l\[g_2\left(x\right)lx+f\left(x\right)+g_1\left(x\right)u\],\\ \hat{d}=p+lx,\end{array}\right.$

其中，为直流发电单元向直流母线提供的发电功率的估计值p为干扰观测器的内部状态变量，l为干扰观测器的增益。

本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统设置有干扰观测器，利用该干扰观测器，可根据各直流发电单元的局部状态量估计当前各直流发电单元向直流母线提供的发电负荷大小，以便于进行中压直流综合电力控制系统控制律的设计。

船舶中压直流综合电力控制系统包含有多个功率等级不同的直流发电单元，为了保证控制系统可以在没有通信的条件下进行电力负荷的合理分配，本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统采用下垂控制方法，将直流发电单元向直流母线提供的发电电压V与输出电流相关联。

具体应用时，本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统的下垂控制器根据下式生成给定电压设定值

其中R_D为虚拟输出阻抗。

虚拟输出阻又称下垂系数，是一个经过直流发电单元额定功率及允许电压偏差计算得到的常量，不同装机容量的直流发电单元所对应的下垂系数不同。

“下垂”指的直流发电单元提供的发电电压V随着向直流母线电压输出的输出电流的增大而下降，所以称其为“下垂”控制。对于并联的直流发电单元来说，直流母线上的功率流向总是由高电压流向低电压的。因此，当某一直流发电单元向直流母线提供的发电电压V变小时，其输出的发电功率P_L也会变小。利用下垂控制策略，当直流发电子单元提供的负载电流变大时，多个直流发电子单元提供的发电功率出现不成比例的现象，下垂控制便会调节对应的直流发点子单元给定电压设定值令该直流发电单元向直流母线提供的发电电压V减小，进而使得该直流发电单元输出的发电功率下降。通过这个动态调节过程，最终实现各直流发电单元向直流母线提供的发电电压V相同，各直流发电单元向直流母线提供的发电功率P_L与该直流发电单元的虚拟输出电阻成比例。

本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统通过设置下垂控制器，实现在各直流发电单元之间分配负载电力负荷，实现了多个直流发电单元间的负载均衡。

在处理好负载均衡问题后，接下来解决恒功率负载带来的负阻抗问题。本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统采用改进的滑模控制律，利用干扰观测器输出的估计值更新滑模切换面以及开关控制律。

具体应用时，如图5所示，本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统的滑模控制器根据下式生成电压控制值u：

$u=-b^{-1}\left(x\right)\[a\left(x\right)+c(x_2+\hat{d})+k\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\σ}\right)\],$

其中，sgn为符号函数；k为常数；c为常数；b^-1(x)为b(x)的逆函数，b(x),a(x)的意义在上文已有定义，σ为设计的滑模切换面。

上式实现了由开关函数和连续函数的线性叠加后形成的复合开关函数控制律。其中，滑模切换面为下式：

$\mathrm{\σ}=x_1+{\mathrm{cx}}_2+\hat{d}.$

本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统通过设定直流发电单元向直流母线电压的发电电压的期望值V_ref，通过设置传感器反馈发电电压V，并根据反馈的直流发电单元向滤波电路输出的电源电压E、电流I、及干扰观测器生成的发电功率估计值和由下垂控制器生成的给定电压设定值生成电压控制值u，设计滑模切换面，并采用复合开关函数替代单一的开关函数，从而减小了滑模抖震现象，使得直流发电单元的发电电压V能够快速稳定在预先设定的直流母线电压V_ref上，使得本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统的动态调整过程稳定、快速，很好地解决了恒功率负载带来的负阻抗问题。

本实施例分散式船舶中压直流综合电力控制系统分别将单个直流发电单元作为控制对象，采用干扰观测器估计技术利用局部状态测量值估计电力负荷；采用下垂控制律，向各直流发电单元分配电力负荷，实现了多个直流发电单元间的负载平衡；采用滑模控制律，使得直流发电单元的发电电压稳定在预先设定的直流母线电压上，在保证控制系统稳定性的前提下，省去了中央控制器和通信设备，提高了船舶中压直流综合电力控制系统的可靠性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，包括至少一个直流发电子系统；

每个所述直流发电子系统分别连接在直流母线上，向所述直流母线提供发电功率；

所述直流母线上并联连接有至少一个用电负载；

在稳态条件下，所述至少一个直流发电子系统向所述直流母线提供的发电功率之和等于所述至少一个用电负载从所述直流母线获取的负载功率之和；

每个所述直流发电子系统包括直流发电单元和本地控制器；

所述本地控制器与所述直流发电单元连接，用于根据预先设定的直流母线电压V_ref，生成电压控制指令；

所述直流发电单元用于根据所述电压控制指令，调节向所述直流母线输出的发电电压V，使得所述发电电压V等于所述预先设定的直流母线电压V_ref。

2.根据权利要求1所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，包括第一直流发电子系统；

所述第一直流发电子系统包括第一直流发电单元、第一本地控制器、及滤波电路；

所述第一直流发电单元通过所述滤波电路与所述直流母线连接，所述第一直流发电单元向所述滤波电路输出电源电压E，向所述滤波电路输出电流I；

所述第一本地控制器包括下垂控制器、干扰观测器和滑模控制器；

所述干扰观测器分别与所述下垂控制器和所述滑模控制器连接，用于根据获取的所述发电电压V、所述电源电压E、及滑模控制器的控制输出u，生成所述第一直流发电单元向所述直流母线提供的发电功率P_L的估计值并将所述估计值发送给所述下垂控制器和所述滑模控制器；

所述下垂控制器还与所述滑模控制器连接，用于接收所述估计值并根据所述估计值所述预先设定的直流母线电压V_ref、及获取的所述发电电压V，生成给定电压设定值并将所述给定电压设定值发送给所述滑模控制器；

所述滑模控制器还与所述第一直流发电单元连接，用于接收所述估计值及所述给定电压设定值并根据获取的所述电流I、获取的所述发电电压V、所述估计值和所述给定电压设定值生成电压控制值u，并将所述电压控制值u发送给所述第一直流发电单元和所述干扰观测器；

所述第一直流发电单元用于根据所述电压控制值u，调节输出的所述电源电压E；

所述滤波电路用于将调节后的所述电源电压E直流滤波后，向所述直流母线输出所述发电电压V。

3.根据权利要求2所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，所述第一直流发电单元包括正极与负极；

所述滤波电路包括电感L_f、电阻R_f和电容C；

所述电阻R_f与所述第一直流发电单元的正极连接，所述电感L_f与所述电阻R_f串联；

所述电容C与所述电感L_f和所述直流发电单元的负极连接；

所述电容C还与所述直流母线连接。

4.根据权利要求2所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，所述下垂控制器根据第一公式生成所述给定电压设定值

所述第一公式为：

其中R_D为虚拟输出电阻。

5.根据权利要求3所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，所述第一直流发电单元和所述滤波电路组成发电装置，所述发电装置的状态方程为第二公式，所述第二公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dV}{dt}=\frac{1}{C}I-\frac{P_L}{CV}\\ \frac{dI}{dt}=-\frac{R_f}{L_f}I-\frac{1}{L_f}V+\frac{E}{L_f}\end{array}\right..$

6.根据权利要求5所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，所述发电装置和所述第一本地控制器组成所述第一直流发电子系统；所述第一直流发电子系统的状态方程为第三公式和第四公式，所述第三公式为：

其中u为所述滑模控制器生成的所述电压控制值；

所述第四公式为：其中，

d(t)为负载功率P_L及干扰的综合项。

7.根据权利要求6所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，所述干扰观测器根据第五公式生成所述第一直流发电单元向所述直流母线提供的发电功率P_L的估计值所述第五公式为：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{p}=-{\lg }_2\left(x\right)p-l\[g_2\left(x\right)lx+f\left(x\right)+g_1\left(x\right)u\],\\ \hat{d}=p+lx,\end{array}\right.$

其中，为所述估计值p为所述干扰观测器的内部状态，l为所述干扰观测器的增益。

8.根据权利要求7所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，所述滑模控制器根据第六公式生成所述电压控制值u,所述第六公式为：

$u=-b^{-1}\left(x\right)\[a\left(x\right)+c(x_2+\hat{d})+k\mathrm{sgn}\left(\mathrm{\σ}\right)\],$

其中，sgn为符号函数；k为常数；c为常数；a(x)和b^-1(x)根据所述第三公式得到；σ为设计的滑模切换面。

9.根据权利要求8所述的分散式船舶中压直流综合电力控制系统，其特征在于，所述设计的滑模切换面σ根据第七公式得到，所述第七公式为：

$\mathrm{\σ}=x_1+{\mathrm{cx}}_2+\hat{d}.$