CN113098316B - 一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法 - Google Patents

Abstract

一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，属于电力电子技术领域。解决了现有采用储能环节提供脉冲负载的脉动功率减小对柴油机轴系冲击的方法存在控制系统响应较慢，适应性差的问题。本发明的控制器用于根据脉冲负载需要的功率信号和三相PWM整流器实际输出的电压电流信号及储能单元输出电流信号控制三相PWM整流器和储能单元的输出的功率；所述控制器采用具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略，控制三相PWM整流器向脉冲负载提供平均功率，储能单元为脉冲负载提供脉动功率。本发明适用于脉冲负载供电。

Description

一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域。

背景技术

随着大功率电力电子负载的飞速发展，例如高速铁路、电镀电焊，雷达装置以及高性能微处理器等，它们都表现出了越来越显著的负载突变特性，对供电系统提出了严峻的挑战。脉动负载供电系统的典型形式是基于柴油发电机-不控整流器-直流变换器的级联系统。

常规电机传动机构的设计，是在稳态运转假设下，利用有效载荷值进行刚度与强度的设计与校核。柴油发电机组轴系由柴油机曲轴部分、大飞轮轴及发电机转子轴组成，之间通过联轴器连接。柴油发电机组轴系在非额定转速下，可能会出现共振现象，导致轴系所受应力大于许用应力造成轴系故障。而脉冲负载工况下，由于轴系转速不断变化，扭振振幅也相应改变，其最大振幅可能会大于相应的许用值，从而导致轴系发生故障。因此，若脉冲负载能量完全由柴油发电机组提供，则柴油机组轴系设计需要留有足够的余量，会大大提高系统整体的成本，造成浪费。

因此，通常在级联系统中加入储能环节，用储能环节提供脉冲负载的脉动功率，用柴油发电机提供脉冲负载所需平均功率，从而减小由于脉冲负载对柴油发电机组轴系的冲击，延长柴油发电机组轴系的寿命。另外，使用可控整流器替代不控整流器可以进一步减小脉冲负载对柴油发电机组轴系的冲击，由于脉冲负载的变化使得输出电压大范围波动，使用传统电压电流双闭环难以对其进行有效控制。

发明内容

本发明目的是为了解决现有采用储能环节提供脉冲负载的脉动功率减小对柴油机轴系冲击的方法存在控制系统响应较慢，适应性差的问题，提出了一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法。

本发明所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，该方法通过柴油发电机组输出功率控制系统实现，所述柴油发电机组输出功率控制系统包括三相PWM整流器、储能单元、DC-DC变换器和控制器；

柴油发电机组用于输出三相交流电，所述柴油发电机组的三相交流电信号输出端连接三相PWM整流器的信号输入端，所述三相PWM整流器的信号输出端连接储能单元，为储能单元充电，所述三相PWM整流器的信号输出端还连接DC-DC变换器的信号输入端，所述DC-DC变换器对输入的电流进行转换后为脉冲负载供电；

控制器用于根据脉冲负载需要的功率信号和三相PWM整流器实际输出的电压电流信号及储能单元输出电流信号控制三相PWM整流器和储能单元的输出的功率；

所述控制器采用具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略，控制三相PWM整流器向脉冲负载提供平均功率，储能单元为脉冲负载提供脉动功率。

进一步地，本发明中，控制器用于通过有功控制环路的控制和无功控制环路的控制，实现具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略。

进一步地，本发明中，具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略的数学表达式为：

式中，J为虚拟惯性系数，s为拉普拉斯算子，ω为虚拟角速度，P为柴油发电机组发出有功功率，P_ref为有功功率给定值，D为虚拟阻尼系数，ω_n为柴油发电机组额定角速度，E_m为虚拟电动势峰值，K为积分系数，Q_ref为无功功率给定值，Q为柴油发电机组发出无功功率。

进一步地，本发明中，所述控制器还用于利用无功控制环路获得虚拟电动势峰值E_m，，计算虚拟电动势，再采用SVPWM对虚拟电动势进行调制，获得三相PWM整流器的占空比控制信号。

进一步地，本发明中，有功控制环路的控制方法为：

利用电压外环获取有功功率给定值P_ref，具体为：

利用三相PWM整流器输出电压给定值V_dcref与三相PWM整流器实际输出电压V_dc作差，获得电压差值信号，所述电压差值信号经PI控制器获得有功功率给定值P_ref；

再利用有功功率环获得虚拟弧度值θ，具体为：

利用有功功率给定值P_ref与柴油发电机组输出有功率P做差后经过阻尼和惯性控制器得到虚拟角速度ω，对虚拟角速度ω积分得到虚拟弧度值θ。

进一步地，本发明中，无功控制环路的控制方法为：

利用柴油发电机组输出无功功率Q与无功环路给定值Q_ref作差，再将所述差值作1/K倍的积分，将积分后的值与虚拟角速度ω相乘，得到虚拟电动势峰值E_m。

进一步地，本发明中，虚拟电动势为：

其中，e_a为a相虚拟电动势，e_b为b相虚拟电动势，e_c为c相虚拟电动势。

进一步地，本发明中，还包括参数自适应调整过程，所述自适应调整过程采用公式：

实现，式中，J₁为虚拟惯性系数1，J₂为虚拟惯性系数2，D₁为虚拟阻尼系数1，D₂为虚拟阻尼系数2，Δω为虚拟角速度变化量，M为虚拟角速度变化量阈值，K₁为积分系数1，K₂为积分系数2，ΔE_m为虚拟电动势峰值变换量，N为虚拟电动势变换量阈值，ω_mean虚拟角速度的平均值，E_mmean为虚拟电动势的平均值。

进一步地，本发明中，还包括利用储能单元输出的电压电流计算脉冲负载的实际平均功率，并将脉冲负载实际平均功率加入有功功率给定值P_ref中的步骤。

进一步地，本发明中，储能单元为脉冲负载提供脉动功率时，储能单元容量表达式为：

由于有电压外环的作用，脉冲负载接入时，输出电压在三相PWM整流器输出电压给定值上下波动，设定输出电压平均值等于电压给定值，因此，Δv_C＝v_Cmax–v_Cmin，v_C≈(v_Cmax+v_Cmin)/2进而，储能单元容量表达式为：

式中，P_peak为脉冲负载峰值功率，P_mean为脉冲负载平均功率，T_p为脉冲负载周期，D_p为脉冲负载占空比，v_Cmean为脉冲负载接入时储能单元平均电压，Δv_C为脉冲负载接入时储能单元电压变化量。

本发明所述用于脉冲负载条件下减小脉冲负载对柴油发电机组轴系冲击，进而延长其寿命，该方法通过加入储能环节将脉冲负载的脉动功率由储能环节提供，而其平均功率由柴油发电机组提供，进而减小脉冲负载对柴油发电机组轴系的冲击。为了使得系统在脉冲负载接入时，由三相PWM整流器提供平均功率，需要采用具有虚拟阻尼和虚拟惯性的功率环进行控制，并在在其前级加入电压外环再经有功功率环，构成有功功率控制环，实现保持输出电压保持稳定，对无功功率与无功功率给定值的差值加入积分环节，保证了有功功率稳定的基础上，保持无功功率为0。通过储能单元输出电压电流，计算脉冲负载所需平均功率，并将其直接反馈到功率给定，加速脉冲负载工况切换的响应速度，再通过自适应调整参数，有效的提高了系统的适应性。

附图说明

图1是本发明所述脉冲负载供电系统的电气原理框图；

图2(a)为脉冲负载电流波形图，图2(b)为储能单元电压波形图；

图3为三相PWM整流器电压功率环控制环路框图；

图4(a)为脉冲负载电流波形图，图4(b)为储能单元输出电流波形图，图4(c)为经过低通滤波环节的储能电容输出电流波形图；

图5为脉冲负载工况切换时，柴油发电机组输出有功功率波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，该方法通过柴油发电机组输出功率控制系统实现，所述柴油发电机组输出功率控制系统包括三相PWM整流器、储能单元、DC-DC变换器和控制器；

柴油发电机组用于输出三相交流电，所述柴油发电机组的三相交流电信号输出端连接三相PWM整流器的信号输入端，所述三相PWM整流器的信号输出端连接储能单元，为储能单元充电，所述三相PWM整流器的信号输出端还连接DC-DC变换器的信号输入端，所述DC-DC变换器对输入的电流进行转换后为脉冲负载供电；

控制器用于根据脉冲负载需要的功率信号和三相PWM整流器实际输出的电压电流信号及储能单元输出电流信号控制三相PWM整流器和储能单元的输出的功率；

所述控制器采用具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略，控制三相PWM整流器向脉冲负载提供平均功率，储能单元为脉冲负载提供脉动功率。

进一步地，本实施方式中，控制器用于通过有功控制环路的控制和无功控制环路的控制，实现具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略。

进一步地，本实施方式中，具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略的数学表达式为：

式中，J为虚拟惯性系数，s为拉普拉斯算子，ω为虚拟角速度，P为柴油发电机组发出有功功率，P_ref为有功功率给定值，D为虚拟阻尼系数，ω_n为柴油发电机组额定角速度，E_m为虚拟电动势峰值，K为积分系数，Q_ref为无功功率给定值，Q为柴油发电机组发出无功功率。

进一步地，本实施方式中，所述控制器还用于利用无功控制环路获得虚拟电动势峰值E_m，计算虚拟电动势,同时利用有功控制环路获得虚拟弧度值θ再采用SVPWM对虚拟电动势进行调制，获得三相PWM整流器的占空比控制信号。

进一步地，结合图3说明本实施方式，本实施方式中，有功控制环路的控制方法为：

利用电压外环获取有功功率给定值P_ref，具体为：

利用三相PWM整流器输出电压给定值V_dcref与三相PWM整流器实际输出电压V_dc作差，获得电压差值信号，所述电压差值信号经PI控制器获得有功功率给定值P_ref；

再利用有功功率环获得虚拟弧度值θ，具体为：

利用有功功率给定值P_ref与柴油发电机组输出有功率P做差后经过阻尼和惯性控制器得到虚拟角速度ω，对虚拟角速度ω积分得到虚拟弧度值θ。

进一步地，本实施方式中，无功控制环路的控制方法为：

利用柴油发电机组输出无功功率Q与无功环路给定值Q_ref作差，再将所述差值作1/K倍的积分，将积分后的值与虚拟角速度ω相乘，得到虚拟电动势峰值E_m。

进一步地，本实施方式中，虚拟电动势为：

其中，e_a为a相虚拟电动势，e_b为b相虚拟电动势，e_c为c相虚拟电动势。

本实施方式中，从虚拟电动势表达式可以看出虚拟电动势e与虚拟电动势峰值E_m及虚拟弧度值θ相关，当脉冲负载接入时，由于闭环控制的作用虚拟电动势峰值E_m及虚拟弧度值θ会发生波动，如果能够减小这些波动，便能够有效减少脉冲负载对柴油发电机组轴系的冲击。

进一步地，本实施方式中，还包括参数自适应调整过程，所述自适应调整过程采用公式：

实现，式中，J₁为虚拟惯性系数1，J₂为虚拟惯性系数2，D₁为虚拟阻尼系数1，D₂为虚拟阻尼系数2，Δω为虚拟角速度变化量，M为虚拟角速度变化量阈值，K₁为积分系数1，K₂为积分系数2，ΔE_m为虚拟电动势峰值变换量，N为虚拟电动势变换量阈值，ω_mean虚拟角速度的平均值，E_mmean为虚拟电动势的平均值。

本实施方式中，为增强三相PWM整流器对多种工况的适应能力及提高其在工况切换时的动态调节速度，采用自适应参数控制，当系统处于不同工况时，若保持阻尼系数D及积分系数K的值保持不变，在新的工况条件下，可能会使得虚拟角速度变化量Δω及虚拟电动势峰值变换量ΔE_m较大，从而使得功率波动较大，进而对柴油发电机组轴系造成冲击，因此需要其参数需要自适应控制。

由于阻尼系数D主要对虚拟角速度ω的变化量有影响，因此将虚拟角速度ω的变化量与平均值的比值Δω/ω_mean与其所设定的阈值M作比较，当其超过其所设定的阈值时采用较大的阻尼系数D₂，反之，则使用较小的阻尼系数D₁，上述过程可用下述表达式表示：

当虚拟角速度ω保持不变时，积分系数K主要对虚拟电动势峰值E_m的变化量影响较大。因此将虚拟电动势峰值E_m的变化量与平均值的比值ΔE_m/E_mmean与其所设定的阈值N作比较，当其超过其所设定的阈值时采用较大的积分系数K₂，反之，则使用较小的阻尼系数K₁，上述过程可用下述表达式表示：

另外，惯性系数J对系统的动态特性有较大影响。当系统稳定运行时，保持惯性系数J为较大值J₁，当系统发生工况切换时，减小转动惯量为J₂，使得系统快速达到新的稳态值，当系统运行于新的稳态时，恢复转动惯量J为初始值J₁，上述过程可用下述表达式表示：

由于三相整流器后级有储能单元及DC-DC环节无法直接得知脉冲负载的峰值功率、周期及占空比等参数信息。在不与DC-DC环节通信的前提下，通过储能单元输出电流可以获得脉冲负载当前工作状态。对储能单元输出电流进行低通滤波处理从而获得脉冲负载的峰值功率、周期及占空比等参数信息。图4(a)至图4(c)所示，依次为负载电流、储能电容输出电流及其滤波后的结果。可以看出当负载电流为高时，储能电容输出电流增加，反之则减小，因此可以从中比较容易地获得脉冲负载的周期及占空比信息。由此，便可以及时判断脉冲负载工况发生变化，对于系统是否恢复稳定状态可以通过角速度的平均值变动是否处于所设定的阈值之内，若处于，则可认为系统恢复稳定状态。

本发明对系统参数进行自适应变化，使得系统在不同工况下都有较好的控制效果，以及在工况切换时有较快的响应速度。

进一步地，还包括利用储能单元输出的电压电流计算脉冲负载的实际平均功率，并将脉冲负载实际平均功率加入有功功率给定值P_ref中的步骤。

本发明针对三相PWM整流器的控制策略采用电压外环稳定输出电压，在其内环加入具有惯性及阻尼特性的功率环来抑制脉冲负载的功率脉动，并根据脉冲负载的峰值功率、周期以及占空比的变化自适应地调节系统惯性及阻尼系数使得系统可以保持稳定运行。由于脉冲负载存在多种工况，当工况发生切换时，由于惯性及阻尼的存在，系统无法及时响应会导致母线电压波动，因此加入功率前馈可以有效减小母线电压波动。

进一步地，储能单元为脉冲负载提供脉动功率时，储能单元容量表达式为：

由于电压外环的作用，脉冲负载接入时，输出电压在三相PWM整流器输出电压给定值上下波动，设定输出电压平均值等于三相PWM整流器输出电压给定值，因此，Δv_C＝v_Cmax–v_Cmin，v_C≈(v_Cmax+v_Cmin)/2，储能单元容量表达式为：

式中，P_peak为脉冲负载峰值功率，P_mean为脉冲负载平均功率，T_p为脉冲负载周期，D_p为脉冲负载占空比，v_Cmean为脉冲负载接入时储能单元平均电压，Δv_C为脉冲负载接入时储能单元电压变化量。

本实施方式中，由于系统需要由储能单元提供脉动功率，因此需要根据所允许的电压波动范围计算储能单元容量。从图2(a)和图2(b)所示，图中,v_Cmax为储能单元两端电压最大值，v_Cmin为储能单元两端电压最小值，i_Lpeak脉冲负载电流峰值，储能单元两端电压波形可以看出，当脉冲负载需要功率高时，储能单元两端电压下降，当脉冲负载需要功率低时，储能单元两端电压上升。当储能单元两端电压下降时，电容所提供的能量等于负载消耗的能量与三相PWM整流器所提供的能量之差。

本发明在脉冲负载工况发生切换时，只通过惯性系数的变化依然无法快速响应。将脉冲负载平均功率作为有功功率环前馈信号，可以有效提高系统动态响应速度。脉冲负载平均功率的计算可以通过计算储能单元电压平均值与输出电流平均值计算得出，由于脉冲负载开关频率较低，如采用传统的一阶低通滤波环节，需要较大的时间常数，当脉冲负载发生工况切换时无法及时响应，因此需要采用分段求平均值的方法计算输出电流平均值，每一段的周期采用之前所得到的脉冲负载的周期即可。

下面通过仿真结合具体实例对本发明所述的控制策略的合理性和有效性进行说明。

在PLECS环境下搭建如图1所示所示系统电路结构。该系统中柴油发电机组输出额定线电压有效值为260V，额定频率为50Hz；整流器采用三相六开关PWM整流器，输出电压额定值为550V；储能单元采用多个电解电容串并联组成，总容量为100mF；DC-DC变换器采用移向全桥结构使用单电压外环控制，其输入电压550V，输出电压为32V；脉冲负载峰值功率45kW，周期与占空比选取两种典型工况，第一种周期为11ms，占空比为10％，第二种周期为33.3ms，占空比为18％，接下来都以这两种典型工况进行说明。

在t＝1.8s之前脉冲负载工作于工况1，在t＝1.8s时，脉冲负载切换为工况2，整流器采用本发明所提到的电压功率环控制。柴油发电机组输出有功功率仿真图如图5所示。可以看出，柴油发电机组在不同脉冲负载工况下输出有功功率波动较小。并且在脉冲负载工况发生变动时，系统有较快的动态响应速度。并且通过该仿真图可以看出柴油发电机组输出脉冲负载平均功率，其轴系不会受到脉冲负载冲击，可以延长其使用寿命。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，该方法通过柴油发电机组输出功率控制系统实现，所述柴油发电机组输出功率控制系统包括三相PWM整流器、储能单元、DC-DC变换器和控制器；

柴油发电机组用于输出三相交流电，所述柴油发电机组的三相交流电信号输出端连接三相PWM整流器的信号输入端，所述三相PWM整流器的信号输出端连接储能单元，为储能单元充电，所述三相PWM整流器的信号输出端还连接DC-DC变换器的信号输入端，所述DC-DC变换器对输入的电流进行转换后为脉冲负载供电；

控制器用于根据脉冲负载需要的功率信号和三相PWM整流器实际输出的电压电流信号及储能单元输出电流信号控制三相PWM整流器和储能单元的输出的功率；

其特征在于，

所述控制器采用具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略，控制三相PWM整流器向脉冲负载提供平均功率，储能单元为脉冲负载提供脉动功率；

其中，具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略的数学表达式为：

式中，J为虚拟惯性系数，s为拉普拉斯算子，ω为虚拟角速度，P为柴油发电机组发出有功功率，P_ref为有功功率给定值，D为虚拟阻尼系数，ω_n为柴油发电机组额定角速度，E_m为虚拟电动势峰值，K为积分系数，Q_ref为无功功率给定值，Q为柴油发电机组发出无功功率。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，其特征在于，控制器用于通过有功控制环路的控制和无功控制环路的控制，实现具有惯性和阻尼的电压功率环控制策略。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，其特征在于，所述控制器还用于利用无功控制环路获得虚拟电动势峰值E_m，计算虚拟电动势,采用SVPWM对虚拟电动势进行调制，获得三相PWM整流器的占空比控制信号。

4.根据权利要求2所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，其特征在于，有功控制环路的控制方法为：

利用电压外环获取有功功率给定值P_ref，具体为：

利用三相PWM整流器输出电压给定值V_dcref与三相PWM整流器实际输出电压V_dc作差，获得电压差值信号，所述电压差值信号经PI控制器获得有功功率给定值P_ref；

再利用有功功率环获得虚拟弧度值θ，具体为：

利用有功功率给定值P_ref与柴油发电机组输出有功功率P做差后经过阻尼和惯性控制器得到虚拟角速度ω，对虚拟角速度ω积分得到虚拟弧度值θ。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，其特征在于，无功控制环路的控制方法为：

利用柴油发电机组输出无功功率Q与无功功率给定值Q_ref作差，再将所述差值作-1/K倍的积分，将积分后的值与虚拟角速度ω相乘，得到虚拟电动势峰值E_m。

6.根据权利要求4所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，其特征在于，虚拟电动势为：

其中，e_a为a相虚拟电动势，e_b为b相虚拟电动势，e_c为c相虚拟电动势。

7.根据权利要求6所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，其特征在于，还包括参数自适应调整过程，所述自适应调整过程采用公式：

实现，式中，J₁为虚拟惯性系数1，J₂为虚拟惯性系数2，D₁为虚拟阻尼系数1，D₂为虚拟阻尼系数2，Δω为虚拟角速度变化量，M为虚拟角速度变化量阈值，K₁为积分系数1，K₂为积分系数2，ΔE_m为虚拟电动势峰值变化 量，N为虚拟电动势变化 量阈值，ω_mean为虚拟角速度的平均值，E_mmean为虚拟电动势的平均值。

8.根据权利要求1或2所述的一种脉冲负载下柴油发电机组输出功率控制方法，其特征在于，还包括利用储能单元输出的电压电流计算脉冲负载的实际平均功率，并将脉冲负载实际平均功率加入有功功率给定值P_ref中的步骤。

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