CN109979292A - 一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，包括开发主机、实时控制装置、电压传感器与电流传感器、数据采集装置、双向DC/DC变换器、复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置。本发明可以进行复合储能装置能量分配算法、各储能单元配比、所有模型的验证和电力推进系统控制算法的研究与开发，大大缩短了研究和研发的时间。同时，本发明的主要能源装置和复合储能装置的组成可以根据试验模型所需进行相应修改，进而满足不同电力推进船舶研究和研发的需要，具有很强的可塑性，大大节省了研究和研发的成本。

Description

一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台

技术领域

本发明涉及船舶电力推进系统领域，更具体地说，涉及一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台。

背景技术

船舶电力推进系统与传统推进系统相比，具有操作方便、机动性好，振动小，有利于船舶控制环境污染等优点，因此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。但是，传统的混合动力电力推进系统实验平台具有以下缺点：试验平台投资巨大；推进系统定型后，无法更改以进行新系统的试验；试验过程消耗资源较大，且有一定大气污染和噪声污染；设备折旧较快，且故障较多，影响试验研究。

现有技术公开了一种多轴电力推进半实物模拟试验平台，包括开发主机、实时仿真机、电机驱动器和电机组，根据在开发主机上建立的船体、螺旋桨模型形成控制指令，下载到实时仿真机中，进而通过电机驱动器控制电机组的运行。现有技术还公开了一种电力推进船舶综合电力系统半实物半虚拟试验平台，其以电力系统为主，通过虚拟仿真机模拟系统各设备的输出电信号，对输出电信号进行外围的基本保护、电能采集和处理。现有技术还公开了一种基于LabVIEW平台的船舶综合电力推进系统实时环境测试与分析装置及方法，包括三个对数周期天线、PXI机箱和上位机，将对数周期天线测到的模拟信号由LabVIEW软件平台转换成数字信号传输进上位机，实现环境数据的实时可视化显示。上述现有技术分别从船机桨、电力系统和环境测试等角度，搭建船舶电力推进系统试验平台，没有涉及到混合电力推进系统各储能系统容量的匹配，更没有涉及到混合电力推进系统发电机组和储能装置能量的分配。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，解决了现有试验平台不涉及船舶电力推进系统中复合储能系统的容量匹配和船舶电力推进系统能量分配模型验证的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明设计一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，包括开发主机、实时控制装置、电压传感器与电流传感器、数据采集装置、双向DC/DC变换器、复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置；

所述开发主机与实时控制装置通过通讯线缆连接，所述实时控制装置与三组双向DC/DC变换器通过通讯总线连接；

三组所述双向DC/DC变换器的低压侧依次与复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置连接，其高压侧与母线连接，其控制端与实时控制装置通过通讯总线连接；

所述电压传感器与电流传感器的采集端与复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置连接，输出端与实时控制装置和数据采集装置的AD输入端连接，数据采集装置将其转换为数字信号上传到开发主机中。

在上述方案中，所述开发主机用于建立电力推进系统相关各种模型，比如主要能源模型、储能单元模型、电网模型、双向DC/DC变换器模型、负载模型，还用于搭建控制所述双向DC/DC变换器和负载模拟装置的控制算法的模型；所述开发主机根据上述模型修改成可应用在实时控制装置中的半实物模型，并运用Matlab环境转换成程序文件，下载到实时控制装置。

在上述方案中，所述实时控制装置接收电压传感器与电流传感器传送来的复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置的电压和电流信号，应用下载的程序文件里的控制算法，计算出下一时刻各组双向DC/DC变换器的电压和电流值，并通过通讯母线进行设定，进而控制各组双向DC/DC变换器的工作状态。

在上述方案中，所述双向DC/DC变换器在接收到通讯母线上的命令包后，实时改变低压端的电压电流值和高压端的电压电流值，控制主要能源装置的输出功率、复合储能装置的充放电电流和负载模拟装置的电压。

在上述方案中，所述负载模拟装置包含负载柜，通过实时控制装置控制与其连接的双向DC/DC变换器的两侧电压，实现负载模拟。

在上述方案中，所述复合储能装置的能量分配算法、各储能单元配比、所有模型的验证和电力推进系统控制算法可以根据试验结果进行修改和优化；所述主要能源装置和复合储能装置的组成可以根据试验模型所需进行相应调整。

本发明可以进行船舶混合动力电力推进系统集成关键技术的试验研究和复合储能各储能单元性能、负载模拟、能源管理、复合储能匹配、电力推进、自动控制等方面的试验研究。具体来说，本发明能够进行以下研究方向的试验研究：

1、能够开展混合能源电力推进船舶在不同工况下各部分能量分配的试验研究；

2、能够进行不同配比复合储能单元对系统运行影响的试验研究，以找到不同电力推进系统上复合储能单元的最优配比；

3、能够验证各种系统仿真模型的真实性，并能辅助仿真模型的搭建；

4、能够模拟各种工况下的负载波动，保证试验过程中负载波动的真实性；

5、能够开展复合储能装置中各电池间、各超级电容间的电流均衡等的研究。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明可以进行复合储能装置能量分配算法、各储能单元配比、所有模型的验证和电力推进系统控制算法的研究与开发，大大缩短了研究和研发的时间。同时，本发明的主要能源装置和复合储能装置的组成可以根据试验模型所需进行相应修改，进而满足不同电力推进船舶研究和研发的需要，具有很强的可塑性，大大节省了研究和研发的成本。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台的结构框图；

图2是以燃料电池为主要能源装置的船用混合能源电力推进系统半实物试验平台的电气原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，包括开发主机、实时控制装置、电压与电流传感器、数据采集装置、双向DC/DC变换器、复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置。开发主机与实时控制装置通过通讯线缆连接，实时控制装置与三组双向DC/DC变换器通过通讯总线连接；三组双向DC/DC变换器的低压侧依次与复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置连接，其高压侧与母线连接，其控制端与实时控制装置通过通讯总线连接；电压传感器与电流传感器的采集端与复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置连接，输出端与实时控制装置和数据采集装置的AD输入端连接，数据采集装置将其转换为数字信号上传到开发主机中。

开发主机用于建立电力推进系统相关各种模型，比如主要能源模型、储能单元模型、电网模型、双向DC/DC变换器模型、负载模型等，还用于搭建控制上述双向DC/DC变换器和负载模拟装置的控制算法的模型。根据上述模型，修改成可应用在实时控制装置中的半实物模型，并运用Matlab环境转换成合适的下载文件，下载到实时控制装置。实时控制装置运行下载好的程序文件，控制各个双向DC/DC变换器的电压值和电流值，进而控制主要能源装置能量输出、复合储能装置充放电和负载模拟装置的负载值。电压与电流传感器采集复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置的电压和电流，分别传输给实时控制装置和数据采集装置；实时控制装置接收电压与电流传感器反馈来的信号，经过运算处理后改变各个双向DC/DC变换器的电压值和电流值；数据采集装置将电压与电流传感器传输来的信号转换为数字信号，上传到开发主机，以便显示、存储和后续分析。

开发主机是前期开发和后续分析改进的核心。在查找和归纳各个系统和算法的数学模型后，在开发主机上的Matlab软件上搭建试验所需的各种模型，进行仿真验证后转换为半实物试验模型，并编译成程序文件。试验进行完成后，根据记录的试验数据分析算法的控制效果和模型的真实性，修改各个系统的仿真模型和控制算法的数学模型，达到优化改进的目的。

实时控制装置是试验进行时双向DC/DC变换器、复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置的控制器，接收电压与电流传感器传送来的复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置的电压和电流信号，应用下载的程序文件里的控制算法，计算出下一时刻各个双向DC/DC变换器的电压和电流值，并通过通讯母线对它们进行设定，进而控制双向DC/DC变换器、复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置的工作状态。

双向DC/DC变换器是试验的实际执行器，在接收到通讯母线上的命令包后，实时改变其低压端的电压电流值和高压端的电压电流值，控制主要能源装置的输出功率、复合储能装置的充放电电流和负载模拟装置的电压。

下面以本发明的一个应用实例为例，并结合图2详细介绍本发明的开发和试验过程。

如图2所示，开发主机由PC电脑和安装在其主板上的dSPACE通讯板卡DS819组成；实时控制装置由dSPACE的通讯板卡DS814、控制板卡DS1005和IO板卡DS2211组成；电压与电流传感器由杭州美控自动化技术有限公司所生产的MIK-DZU-100V电压变送器和MIK-DZI-100A电流变送器组成；数据采集装置由NI的9220同步数据采集器组成；双向DC/DC变换器由深圳市清驰科技有限公司所生产的DC30DC150P3KW双向DC/DC变换器组成；复合储能装置由Maxwell公司的BMOD0165P048C01超级电容和深圳沃特玛电池有限公司的48V30AH锂电池组成；主要能源装置由众宇动力系统科技有限公司提供的T-4000氢燃料电池发电系统组成；负载模拟装置由正阳兴电子科技的可调电阻柜组成。

按试验方案，所举例的以燃料电池为主要能源装置的船用混合能源电力推进系统半实物试验平台进行试验的具体步骤如下：

步骤一、在开发主机的PC电脑上，根据需验证的控制算法的数学模型和船用燃料电池混合动力电力推进系统各组成部分的数学模型，在Matlab/Simulink环境下搭建对应的仿真模型，并在作为开发主机的PC电脑上进行仿真验证；

步骤二、在作为开发主机的PC电脑上的Matlab/Simulink环境中，将搭建好的仿真模型中与半实物试验平台上的超级电容、锂电池、燃料电池和负载柜等对应的子系统替换成dSPACE对应的接口模块或通讯模块，将仿真模型与试验平台的硬件实物联系起来，并转化为实时控制装置中dSPACE控制板DS1005可运行的程序文件，然后通过安装在PC电脑上的通讯板卡DS819和安装在dSPACE主机箱的通讯板卡DS814之间的光纤下载到DS1005上；

步骤三、将连接实时控制装置和各个双向DC/DC变换器的485通讯总线和设置于超级电容、锂电池和燃料电池的电压与电流传感器的采集线和输出线连接好后，依次启动燃料电池，控制燃料电池、超级电容、锂电池和负载柜的各个双向DC/DC变换器，电压和电流传感器的电源，还有数据采集装置的电源；

步骤四、在开发主机中打开作为数据记录软件的Labview软件，启动对应的VI文件，记录并存储试验过程中的各种数据；

步骤五、分析采集到的数据，修改步骤一中搭建的模型，重复上述过程，以达到验证控制算法有效性和系统模型真实性的目的。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，其特征在于，包括开发主机、实时控制装置、电压传感器与电流传感器、数据采集装置、双向DC/DC变换器、复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置；

所述开发主机与实时控制装置通过通讯线缆连接，所述实时控制装置与三组双向DC/DC变换器通过通讯总线连接；

三组所述双向DC/DC变换器的低压侧依次与复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置连接，其高压侧与母线连接，其控制端与实时控制装置通过通讯总线连接；

所述电压传感器与电流传感器的采集端与复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置连接，输出端与实时控制装置和数据采集装置的AD输入端连接，数据采集装置将其转换为数字信号上传到开发主机中。

2.根据权利要求1所述的一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，其特征在于，所述开发主机用于建立电力推进系统相关各种模型，包括但不限于主要能源模型、储能单元模型、电网模型、双向DC/DC变换器模型、负载模型，还用于搭建控制所述双向DC/DC变换器和负载模拟装置的控制算法的模型；所述开发主机根据上述模型修改成可应用在实时控制装置中的半实物模型，并运用Matlab环境转换成程序文件，下载到实时控制装置。

3.根据权利要求2所述的一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，其特征在于，所述实时控制装置接收电压传感器与电流传感器传送来的复合储能装置、主要能源装置和负载模拟装置的电压和电流信号，应用下载的程序文件里的控制算法，计算出下一时刻各组双向DC/DC变换器的电压和电流值，并通过通讯母线进行设定，进而控制各组双向DC/DC变换器的工作状态。

4.根据权利要求3所述的一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，其特征在于，所述双向DC/DC变换器在接收到通讯母线上的命令包后，实时改变低压端的电压电流值和高压端的电压电流值，控制主要能源装置的输出功率、复合储能装置的充放电电流和负载模拟装置的电压。

5.根据权利要求4所述的一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，其特征在于，所述负载模拟装置包含负载柜，通过实时控制装置控制与其连接的双向DC/DC变换器的两侧电压，实现负载模拟。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种船用混合能源电力推进系统半实物试验平台，其特征在于，所述复合储能装置的能量分配算法、各储能单元配比、所有模型的验证和电力推进系统控制算法可以根据试验结果进行修改和优化；所述主要能源装置和复合储能装置的组成可以根据试验模型所需进行相应调整。