CN107554741B - 一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法 - Google Patents

一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种运用频率法来改进混合动力船舶的能量管理方法。用满足混合动力船舶能量需求的锂电池作为可变速柴油永磁发电机组的辅助装置。锂电池模块通过升压变压器连接到直流总线，可变速的柴油发电机是通过三相整流控制器连接到直流总线上，然后直流总线上的电流通过逆变器提供给电机作为推进系统。这个推进系统能达到混合动力船舶在推进操作中的大量能量需求包括负载的能量需求和内部装置的需求。

Description

一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法
技术领域
本发明涉及混合动力船舶的能量管理领域，具体涉及一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法。
背景技术
混合动力船舶的关键技术就是其能量管理方法，目的是在满足船舶动力性能的前提下，将多种能源合理分配、协调控制，使得各部件高效的运行。国内外对混合动力船舶的能量管理方法已做了一些研究；有学者利用混合动力船舶推进系统的动态特性，提出分级优化的能量控制方法；也有国内的学者提出基于逻辑门限的能量管理方法，但还处于设计阶段；此外，有些学者还提出基于模糊逻辑控制的混合动力能量控制方法，但缺乏实际应用效果的论证。但这些控制方法未考虑到船舶负载功率的波动给柴油发电机组的带来的影响，这会影响柴油发电机组的工作性能和使用寿命；基于此，本发明提出了一种基于频率法的能量管理方法来最小化负载功率波动带给柴油发电机组的影响。
发明内容
本发明针对混合动力船舶的能量管理方法，提出了一种运用频率法来改进混合动力船舶的能量管理方案，由于混合动力船舶功率需求的波动，柴电机组需要一些辅助装置，为了提高混合动力船舶动力性能，用锂电池作为柴电机组的辅助装置并且它可以减少功率起伏对柴油发电机组的影响。能量存储系统可以在所需时间范围内减轻并且消除负载功率波动，在本项发明中，用锂电池作为储能装置，内部的能量管理采用直流总线配置，采用直流总线配置相较交流而言可以减少静态转换器的数量也可以减小控制的复杂性；这样可以使混合动力船舶的能量分配更合理。然而，国内目前还没有在混合动力船舶电力推进系统中运用该能量管理方法。
混合动力船舶的两组动力源分别为柴油发电机组和锂电池组；前者发出的交流电经过AC/DC装置后变为直流电，锂电池组产生的直流电通过DC/DC装置之后，这两种原本不同性质的两种电流就可以并到直流母盘；之后，电流通过逆变器供电给推进电机带动螺旋桨的运转；该能量管理方法主要包括以下步骤：
步骤一、将负载电流分为高低频分量
提出的能量管理方法是基于采用多项式控制策略的频率分布法，该方法通过一个低通滤波器把负载电流分成高频和低频成分；这些成分必须根据其动态性能分配给直流母线的连接源，高频分量HF分配到锂电池，低频分量LF分配到柴油发电机组；表达式为：
式中Ich表示负载电流，Ibusbatref表示负载电流的高频分量，Iredref表示负载电流的低频分量；
步骤二、控制高频部分
基于频率分布法的能量管理，使用的低通滤波器的时间常数为0.32s，参考电流可以从降/升压变换器的输入和输出之间的电力平衡中估计如下表达式所示，Ibusbatref可以从低通滤波器中获得；
Figure GDA0002131817470000022
式中Ibatref表示电池的参考电流，Vbus表示直流总线的端电压，Vbat表示电池的端电压；
为了获得无干扰情况下的最小静态误差，故选择Rbat(Z-1)，Tbat(Z-1)和Sbat(Z-1)作为降/升压变换器的多项式矫正器，表达式为：
Figure GDA0002131817470000023
电流的控制参量可以从下列表达式中人得到，Lbat表示电流的平滑电感，Te是采样周期，ωbat表示控制电流的带宽，fd表示变换器控制频率；
Figure GDA0002131817470000024
为了控制电池电流，从分析模型中获得的降-升压变换器控制规律，这些控制规律用于降压操作如(5)所示，在(6)中表示成升压模式，用这些控制规律来调整PWM信号(Q1和Q2；Q1和Q2为升压和降压的PWM信号)；
Figure GDA0002131817470000025
Figure GDA0002131817470000026
式中αbuck表示降压系数，αboost表示升压系数，VLbat表示电感两端的电压；
电流控制回路中，高频分量Ibatref从(2)中获得，如果电流控制回路在运行，可变速的柴电组就可以确保负载电流的低频分量；
步骤三、控制直流总线电压
为了控制直流总线电压，需要两个控制回路，第一个是基于滞后控制回路的电流反馈，第二个是电压控制回路，参考电流Iref在q轴从直流总线电压控制回路中获得，在d轴的参考电流Idref固定为0来得到功率因素为1，为了获得无干扰情况下的最小静态误差，下列的多项式控制器用于直流总线的电压控制；
Figure GDA0002131817470000031
从闭合回路的分析中得到这些控制器的系数如(8)所示，CT表示直流母线电压平滑电容器的电容值，Te是采样周期，ωv表示电流控制的带宽，fd是转换器的控制频率，值为2kHz；C为直流总线电容值，Cbat为电池电容值；
步骤四、控制柴油机速度
柴油机转速Ωmref估计参考(9)，其中燃油表达式的多项式系数如下，d0＝0.2571d1＝-0.2167，d2＝3.8907，d3＝-7.2361，d4＝6.4012，d5＝-2.1081；
在这个方程中，Qm是燃料供应指数，是根据柴油机所要得到的功率来的，TD1是一个为了限制涡轮响应速度的时间常数，TD2是一个时间常数0.02s与扭矩变化的周期相一致，发电机的额定功率是Pn＝400KW；Tmref表示柴油机转矩，ωref表示角速度，P为极对数；Vbusref为总线电压参考值，KDm为柴油机增益，s为拉普拉斯变量；
Figure GDA0002131817470000033
选定的多项式RD(Z-1)，TD(Z-1)，和SD(Z-1)具有最小的静态误差，接近于无扰动的情况如(7)所示，从柴油机转速的闭合回路分析中获得最终系数如(10)所示，Te表示采样周期，值为100μs，ωa是速度控制的带宽，J是总的转动惯量，fv是摩擦系数。Jg为发电机的惯性矩，Jd为柴油机的惯性矩。
Figure GDA0002131817470000041
本发明具有如下效果和优点：
本发明采用频率法进行能量管理，根据混合动力船舶所需能量和锂电池的波动来分配，该方法能够减少柴电组负载功率波动带来的影响。它能根据应用需求将储能容量减少到合适位置，文中所提到的控制策略与内部多项控制器有关。负载需求之所以分为低频和高频主要原因是减少永磁发电机组的功率波动，这些波动可以影响性能和寿命。
附图说明
图1为本发明通过低频滤波器把负载电流分为低频和高频分量示意图。
图2为本发明高频分量控制示意图。
图3为本发明直流母线电压控制模式示意图。
图4为本发明柴油机速度控制示意图。
具体实施方式
步骤一、将负载电流分为高低频分量
提出的能量管理方法是基于采用多项式控制策略的频率分布法，该方法通过如图1所示的一个低通滤波器把负载电流分成高频和低频成分；这些成分必须根据其动态性能分配给直流母线的连接源；本文中，高频分量HF分配到锂电池，低频分量LF分配到柴油发电机组如(1)表达式所示：
Figure GDA0002131817470000042
式中Ich表示负载电流，Ibusbatref表示负载电流的高频分量，Iredref表示负载电流的低频分量；
步骤二、控制高频部分
基于频率分布法的能量管理，电池的参考电流估计如图1所示，使用的低通滤波器的时间常数为0.32s，参考电流可以从降/升压变换器的输入和输出之间的电力平衡中估计如(2)所示，Ibusbatref可以从图1中获得
Figure GDA0002131817470000043
式中Ibatref表示电池的参考电流，Vbus表示直流总线的端电压，Vbat表示电池的端电压；
为了获得无干扰情况下的最小静态误差，故选择Rbat(Z-1)，Tbat(Z-1)和Sbat(Z-1)作为降/升压变换器的多项式矫正器如(3)所示
Figure GDA0002131817470000051
电流的控制参量可以从(4)中估计，Lbat表示电流的平滑电感，Te是采样周期，ωbat表示控制电流的带宽，fd表示变换器控制频率。
为了控制电池电流，从分析模型中获得的降-升压变换器控制规律，这些控制规律用于降压操作如(5)所示，在(6)中表示成升压模式，用这些控制规律来调整PWM信号(Q1和Q2)。
Figure GDA0002131817470000053
Figure GDA0002131817470000054
式中αbuck表示降压系数，αboost表示升压系数，VLbat表示电感两端的电压；
电流控制回路如图2所示，高频分量Ibatref从(2)中获得，如果电流控制回路在运行，可变速的柴电组就可以确保负载电流的低频分量。
步骤三、控制直流总线电压
为了控制直流总线电压，需要两个控制回路，第一个是基于滞后控制回路的电流反馈，第二个是电压控制回路如图3所示，参考电流Iref在q轴从直流总线电压控制回路中获得，在d轴的参考电流Idref固定为0来得到功率因素为1，为了获得无干扰情况下的最小静态误差，如(7)所示的多项式控制器用于直流总线的电压控制。
从闭合回路的分析中得到这些控制器的系数如(8)所示，CT表示直流母线电压平滑电容器，Te是采样周期，ωv表示电流控制的带宽，fd是转换器的控制频率，值为2kHz。C为直流总线电容值，Cbat为电池电容值。
Figure GDA0002131817470000061
步骤四、控制柴油机速度
柴油机转速Ωmref估计参考(9)，其中燃油表达式的多项式系数如下，d0＝0.2571d1＝-0.2167，d2＝3.8907，d3＝-7.2361，d4＝6.4012，d5＝-2.1081。
在这个方程中，Qm是燃料供应指数，是根据柴油机所要得到的功率来的，TD1是一个为了限制涡轮响应速度的时间常数，TD2是一个时间常数0.02s与扭矩变化的周期相一致，发电机的额定功率是Pn＝400KW；Tmref表示柴油机转矩，ωref表示角速度，P为极对数；Vbusref为总线电压参考值，KDm为柴油机增益，s为拉普拉斯变量；
Figure GDA0002131817470000062
柴油机速度控制方法如图4所示，选定的多项式RD(Z-1)，TD(Z-1)，和SD(Z-1)具有最小的静态误差，接近于无扰动的情况如(7)所示。从柴油机转速的闭合回路分析中获得最终参数如(10)所示，Te表示采样周期，值为100μs，ωa是速度控制的带宽，J是总的转动惯量，fv是摩擦系数。Jg为发电机的惯性矩，Jd为柴油机的惯性矩。
Figure GDA0002131817470000063

Claims (1)

1.一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法，所述混合动力船舶的两组动力源分别为柴油发电机组和锂电池组；柴油发电机组的交流电流经过AC/DC装置转换成直流电到直流母盘，与通过DC/DC装置的电池组的直流电流合并到直流母盘，通过逆变器供电给推进电机带动螺旋桨的运转；其特征在于所述基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法包括以下步骤：
步骤一、将负载电流分为高低频分量
通过一个低通滤波器把负载电流分成高频和低频成分；高频和低频成分根据其动态性能分配给直流母线的连接源，高频分量HF分配到锂电池，低频分量LF分配到柴油发电机组；表达式为：
Figure FDA0002131817460000011
式中Ich表示负载电流，Ibusbatref表示负载电流的高频分量，Iredref表示负载电流的低频分量；
步骤二、控制高频部分
低通滤波器的时间常数为0.32s，参考电流从降/升压变换器的输入和输出之间的电力平衡中估计如下表达式所示，Ibusbatref从低通滤波器中获得；
Figure FDA0002131817460000012
式中Ibatref表示电池的参考电流，Vbus表示直流总线的端电压，Vbat表示电池的端电压；
为了获得无干扰情况下的最小静态误差，选择Rbat(Z-1)，Tbat(Z-1)和Sbat(Z-1)作为降/升压变换器的多项式矫正器，表达式为：
Figure FDA0002131817460000013
电流的控制参量从下列表达式中估计得到，Lbat表示电流的平滑电感，Te是采样周期，ωbat表示控制电流的带宽，fd表示变换器控制频率；
Figure FDA0002131817460000014
降压操作如(5)所示，在(6)中表示成升压模式，用来调PWM信号，即Q1和Q2，Q1和Q2为升压和降压的PWM信号；
Figure FDA0002131817460000021
Figure FDA0002131817460000022
式中αbuck表示降压系数，αboost表示升压系数，VLbat表示电感两端的电压；
电流控制回路中，高频分量Ibatref从(2)中获得，如果电流控制回路在运行，可变速的柴电组就可以确保负载电流的低频分量；
步骤三、控制直流总线电压
为了控制直流总线电压，需要两个控制回路，第一个是基于滞后控制回路的电流反馈，第二个是电压控制回路，参考电流Iqref在q轴从直流总线电压控制回路中获得，在d轴的参考电流Idref固定为0来得到功率因素为1，为了获得无干扰情况下的最小静态误差，下列的多项式控制器用于直流总线的电压控制；
Figure FDA0002131817460000023
从闭合回路的分析中得到这些控制器的系数如(8)所示，CT表示直流母线电压平滑电容器的电容值，Te是采样周期，ωv表示电流控制的带宽，fd是转换器的控制频率，值为2kHz；C为直流总线电容值，Cbat为电池电容值；
Figure FDA0002131817460000024
步骤四、控制柴油机速度
柴油机转速Ωmref估计参考(9)，其中燃油表达式多项式系数如下，d0＝0.2571 d1＝-0.2167，d2＝3.8907，d3＝-7.2361，d4＝6.4012，d5＝-2.1081；
在这个方程中，Qm是燃料供应指数，是根据柴油机所要得到的功率来的，TD1是一个为了限制涡轮响应速度的时间常数，TD2是一个时间常数0.02s与扭矩变化的周期相一致，发电机的额定功率是Pn＝400KW；Tmref表示柴油机转矩，ωref表示角速度，P为极对数；Vbusref为总线电压参考值，KDm为柴油机增益，s为拉普拉斯变量；
Figure FDA0002131817460000031
选定的多项式RD(Z-1)，TD(Z-1)，和SD(Z-1)具有最小的静态误差，接近于无扰动的情况如(7)所示，从柴油机转速的闭合回路分析中获得最终参数如(10)所示，Te表示采样周期，值为100μs，ωa是速度控制的带宽，J是总的转动惯量，fv是摩擦系数；Jg为发电机的惯性矩，Jd为柴油机的惯性矩；
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