CN113394865A - 深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，采用单母线直流电力系统结构，包括质子交换膜燃料电池发电单元、储能单元、船舶直流电力推进单元、恒功率负载单元、电阻负载单元、惯量适配单元6部分。本发明利用超级电容器能量存储特性与大范围电压变化的能量动态特性，通过对惯量适配单元中双向Buck直流功率变换器占空比的控制，实现直流母线侧等效大容量电容自适应匹配，从而改善系统的惯量特性、母线电压暂态特性以及超级电容器稳态电压特性，实现船舶氢储电力推进系统惯量自适应匹配与船舶工况平滑切换。本发明对发展氢燃料电池在电力推进船舶领域的应用及船舶新能源稳定供电技术具有重要工程应用前景。

Description

深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法
技术领域
本发明属于船舶与海洋工程领域与新能源应用领域，具体涉及深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法。
背景技术
随着船舶碳排放量对环境影响日益严重，国际对新能源船舶的需求日渐迫切，氢燃料电池以其能量转化效率高、能量密度高、零碳排放、振动噪声低、寿命长等优点成为船舶电力推进装置的最佳选择。氢燃料电池外特性软、动态特性差，故需与储能装置并联，利用储能电池平衡负荷变化引发的功率波动问题，构成船舶氢储电力推进系统，且氢燃料电池不佳的固有特性限制了其仅应用于内河、内湖和近海的游船和游艇及进出港口的散货船和客船，以实现节能减排、提升船舶舒适度、保护港口环境。而深远海的海况相对较复杂，船舶不可避免要面对各种不佳海况，船舶电力推进负载的被动改变突显其随机特性。如何保证氢储电力推进船舶在海况不佳、电力推进负载随机性变化时船舶的正常航行，是氢储电力推进船舶向深远海发展过程中需面对的挑战。
当海况不佳时，船舶螺旋桨工况的被动改变体现出典型随机特性，而氢储供电系统容量有限，使得储能装置难以承受高比例船舶电力推进负载工况的频繁变化，船舶电力系统因源-载侧功率不等势必会引起氢燃料电池输出特性的改变与母线电压的低频振荡，大时间尺度的低频稳定性问题突显，主要是由于船舶空间限制了储能装置容量，难以在短时间内发送与消纳船舶电力推进系统不平衡能量，故需考虑在有限容量储能装置条件下如何实现高比例电力推进系统工况变化时功率的平衡。
因此，针对深远海氢储直流电力推进船舶空间有限、复杂海况下电力推进负载大的随机特性带来的直流母线电压影响严重问题，采用一种有效的自适应惯量匹配方法，以削弱系统低频振荡、提高电压稳定性，是保证船舶氢储直流电力系统稳定供电的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，该方法可以实现螺旋桨工况变化时系统惯量的自动匹配，提高了船舶氢储直流电力推进系统供电的可靠性，确保了船舶在深远海恶劣海况情况下航行的稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，通过对双向Buck直流功率变换器的控制实现，包括以下步骤：
S1等效容值自适应控制：直流母线电压vbus通过一个高通滤波器GHPF(s)后获得母线电压纹波ΔVbus，将其值平方后与系统所设定的母线电压纹波限幅值ΔVbus_limit的平方值进行比较，其差值送入由比例、积分环节构成的PI控制器Gvc(s)，Gvc(s)的输出即是需接入直流母线的等效电容Cv，Cv与母线电压变化率dvbus/dt相乘后，产生等效电容电流基准icv_ref；
S2电容电压控制：超级电容电压直流分量Vdca与电压设定基准Vdca_ref进行比较，将其误差值送入电容电压调节器Gvdc(s)，Gvdc(s)的输出为双向Buck直流功率变换器流向直流母线侧的电流基准ic_ref，icv_ref与ic_ref的和即为变换器电感电流基准ia_ref；
S3调制波信号生成：电感电流ia经反馈环节Hia(s)后，获得电感电流反馈ia_back，变换器电感电流基准ia_ref与电感电流反馈ia_back的差值经电流控制器Gia(s)后，作为调制波进行脉冲宽度调制，产生的高频斩波信号控制双向Buck功率变换器中功率开关Q1、Q2的通断状态。
其中，所述步骤S1中，当系统直流母线电压纹波未超过其限幅值时，即ΔVbus≤ΔVbus_limit，双向Buck直流功率变换器中的开关管皆处于关断状态，惯量适配单元不工作。当系统直流母线电压纹波超过其限幅值时，即ΔVbus＞ΔVbus_limit，则惯量适配单元自动接入系统，母线电压纹波ΔVbus平方值与其限幅值ΔVbus_limit平方值比较后得出的误差量，经过PI环节后即得到等效电容值，以实现系统的自适应惯量匹配。
所述深远海船舶氢储直流电力推进系统，包括质子交换膜燃料电池发电单元、储能单元、船舶直流电力推进单元、恒功率负载单元、电阻负载单元和惯量适配单元，所述质子交换膜燃料电池发电单元和储能单元的输出侧均接入直流母线；所述船舶直流电力推进单元的输入侧接入直流母线；所述恒功率负载单元的输入侧接入直流母线；所述电阻负载单元接至直流母线；所述惯量适配单元包括超级电容器和双向Buck直流功率变换器，超级电容器和双向Buck直流功率变换器级联，双向Buck直流功率变换器输出侧接至直流母线。
相较于现有技术，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，可以实现螺旋桨工况变化时系统惯量的自动匹配，提高了船舶氢储直流电力推进系统供电的可靠性，确保了船舶在深远海恶劣海况情况下航行的稳定性。有效解决深远海复杂条件下船舶低惯量氢储电力推进系统中高比例螺旋桨负载被动变化频繁而易导致直流母线电压不稳定振荡问题。
(2)本发明深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，利用深远海氢储船舶超级电容器电压的大幅度变化实现电力推进负载暂态功率发送与消纳，从而在降低超级电容器容量的同时改善母线电压暂态特性，从而避免了负载变化对氢燃料发电单元的冲击，提高了氢燃料电池的供电的稳定性，同时有效的延长了氢燃料电池的使用寿命。
(3)本发明深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，针对深远海氢储直流电力推进船舶的船舶空间容量有限的特点，通过控制小容量超级电容的Buck器功率开关管的占空比达到虚拟等效大容量电容的目的，减小了超级电容器单元的设备体积和成本，从而节省了深远海船舶的存储空间，使得剩余的空间可以得到充分利用，具有良好的经济效益。
(4)本发明可用于深远海复杂海况环境下，相区别于汽车领域的加速、减速和爬坡的工况变换，深远海的海况条件更加复杂，因此采用基于超级电容存储特性的惯量匹配的很好的实现了复杂工况的平稳切换，对整个深远海氢储直流电力推进系统稳定性具有重要作用，保证了在深远海船舶航行的安全性。
(5)本发明基于超级电容存储特性采取的等效容值自适应控制策略，具有简单、高效的特性，无需手动随时接入所需变化的电容值，在系统惯量较低发生失稳时，会自动接入系统，并且调节系统所需的等效虚拟电容容值大，具备了工程上所需良好应用背景，对工程实践具有良好的指导意义。
(6)本发明针对深远海船舶中超级电容采取的电容电压控制模块，对超级电容两端电压的幅值安全裕量实现较好的限制，有效保证了电容两端电压的安全幅值，防止电容被过高的电压击穿，有利于提高超级电容自适应惯量单元的暂态和稳态特性，从而进一步提高整个储能系统的稳定性，对深远海氢储直流电力推进系统各个模块之间的协同运行起到了至关重要的作用。
(7)本发明为以深远海氢燃料电池为主要动力源的直流电力推进船舶的研制提供重要理论基础与技术保障，并可推广至海洋平台、海岛等具有大比例电机类负载与恒功率负载的海上独立直流供电系统，应用前景广阔。
附图说明
图1是深远海船舶氢储直流电力推进系统结构图；
图2是惯量适配单元电力结构图；
图3是惯量适配单元中双向Buck直流功率变换器电路图；
图4是深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细的说明。
如图1所示，深远海船舶氢储直流电力推进系统，采用单母线直流供电结构，包括质子交换膜燃料电池PEMFC发电单元1、储能单元2、船舶直流电力推进单元3、恒功率负载单元4、电阻负载单元5和惯量适配单元6，所述PEMFC发电单元1由PEMFC电池11与单向直流功率变换器12级联构成，单向直流功率变换器12输出侧接入直流母线7；所述储能单元2由锂电池21与双向直流功率变换器22级联构成，双向直流功率变换器22输出侧接入直流母线7；所述船舶直流电力推进单元3包括双向逆变器32、永磁同步电机PMSG31和螺旋桨33，所述双向逆变器32与永磁同步电机PMSG31级联、永磁同步电机的机械转轴与螺旋桨33的转轴直接相连，双向逆变器32输入侧接入直流母线7；所述恒功率负载单元4由两种形式构成：第一种形式是由直流功率变换器41与直流负载42级联构成，第二种形式是由逆变器43与交流负载44级联构成，直流功率变换器41和逆变器43的输入侧均接入直流母线7；所述电阻负载单元5直接接至直流母线7作为电阻类负载；所述惯量适配单元6由超级电容器61与双向Buck直流功率变换器62级联构成，双向Buck直流功率变换器62输出侧接至直流母线7。
所述惯量适配单元6电力结构如图2所示，其中双向Buck直流功率变换器中的电感电流ia即为惯量适配单元输出侧的端口电流。等效容值原理为：惯量适配单元6端口电压特性与母线电压特性保持一致，若通过控制惯量适配单元内部开关管的通断，进而控制其端口电流ia，使得惯量适配单元端口电流特性满足dvbus/dt变化特性，由端口电流公式可知：
Figure BDA0003197343500000061
此时即可使其对外呈现一个电容的特性。通过控制惯量适配单元端口电流值，即可改变惯量适配单元对外等效电容Cv。
惯量适配单元电力结构如图3所示，设惯量适配单元输入侧所接超级电容器的容值为Ca，直流母线侧等效电容为Cv，根据功率变换器输入与输出侧能量守恒原则，双向Buck直流功率变换器输入与输出侧能量变化相同，即
Figure BDA0003197343500000062
其中ΔVbus为输出侧直流母线电压纹波；ΔVdca为输入侧超级电容器两端直流电压纹波。
由式(2)可知，直流母线侧等效电容值Cv可表示为
Figure BDA0003197343500000063
由式(3)可知，在保持超级电容器电容量不变的情况下，一方面通过双向Buck直流功率变换器提高超级电容器两端直流电压；另一方面根据直流母线电压纹波ΔVbus，通过控制双向Buck直流功率变换器开关管的占空比，即可改变超级电容器两端直流电压纹波ΔVdca，从而在直流母线侧获得等效大电容特性。同时，在保证直流母线电压供电质量不变条件下，通过控制双向Buck直流功率变换器的占空比及输入侧电压的大幅度变化，即可实现输出侧等效电容大范围的变化。
惯量适配单元中双向Buck直流功率变换电路如图3所示，当Q1关断、Q2开通时，电感La直接并接在直流母线侧，电压即为直流母线电压，电感电流线性增加；当Q1开通、Q2关断时，电感La两端电压为惯量适配单元输入侧与输出侧电压差，电感电流ia线性减小。
如图4所示，本发明深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，通过对双向Buck直流功率变换器的控制实现，包括以下步骤：
S1等效容值自适应控制：直流母线电压vbus通过一个高通滤波器GHPF(s)后获得母线电压纹波ΔVbus，将其值平方后与系统所设定的母线电压纹波限幅值ΔVbus_limit的平方值进行比较，其误差送入由比例、积分环节构成的PI控制器Gvc(s)，Gvc(s)的输出即是需接入直流母线的等效电容Cv，Cv与母线电压变化率dvbus/dt相乘后，产生等效电容电流基准icv_ref；
S2电容电压控制：超级电容电压直流分量Vdca与电压设定基准Vdca_ref进行比较，将其误差值送入电容电压调节器Gvdc(s)，Gvdc(s)的输出为双向Buck直流功率变换器流向直流母线侧的电流基准ic_ref，icv_ref与ic_ref的和即为变换器电感电流基准ia_ref；
S3调制波信号生成：电感电流ia经反馈环节Hia(s)后，获得电感电流反馈信号ia_back，变换器电感电流基准ia_ref与电感电流反馈ia_back的差值经电流控制器Gia(s)后，作为调制波进行脉冲宽度调制PWM，产生的高频斩波信号用以控制双向Buck功率变换器中功率开关Q1、Q2的通断状态。
当系统直流母线电压纹波未超过其限幅值时，即ΔVbus≤ΔVbus_limit，双向Buck直流功率变换器(62)中的开关管皆处于关断状态，惯量适配单元(6)不工作。当系统直流母线电压纹波超过其限幅值时，即ΔVbus>ΔVbus_limit，则惯量适配单元(6)自动接入系统，母线电压纹波ΔVbus平方值与其限幅值ΔVbus_limit平方值比较后得出的误差量，经过PI环节后即得到等效电容值，以实现系统的自适应惯量匹配。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，通过对双向Buck直流功率变换器(62)的控制实现，其特征在于包括以下步骤：
S1等效容值自适应控制：直流母线电压vbus通过一个高通滤波器GHPF(s)后获得母线电压纹波ΔVbus，将其值平方后与系统所设定的母线电压纹波限幅值ΔVbus_limit的平方值进行比较，其差值送入由比例、积分环节构成的PI控制器Gvc(s)，Gvc(s)的输出即是需接入直流母线的等效电容Cv，Cv与母线电压变化率dvbus/dt相乘后，产生等效电容电流基准icv_ref；
S2电容电压控制：超级电容电压直流分量Vdca与电压设定基准Vdca_ref进行比较，将其误差值送入电容电压调节器Gvdc(s)，Gvdc(s)的输出为双向Buck直流功率变换器流向直流母线侧的电流基准ic_ref，icv_ref与ic_ref的和即为变换器电感电流基准ia_ref；
S3调制波信号生成：电感电流ia经反馈环节Hia(s)后，获得电感电流反馈ia_back，变换器电感电流基准ia_ref与电感电流反馈ia_back的差值经电流控制器Gia(s)后，作为调制波进行脉冲宽度调制，产生的高频斩波信号控制双向Buck直流功率变换器(62)中功率开关Q1、Q2的通断状态。
2.根据权利要求1所述的深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，其特征在于：
所述步骤S1中，当系统直流母线电压纹波未超过其限幅值时，即ΔVbus≤ΔVbus_limit，双向Buck直流功率变换器(62)中的开关管皆处于关断状态，惯量适配单元(6)不工作；当系统直流母线电压纹波超过其限幅值时，即ΔVbus>ΔVbus_limit，则惯量适配单元(6)自动接入系统，母线电压纹波ΔVbus平方值与其限幅值ΔVbus_limit平方值比较后得出的误差量，经过PI环节后即得到等效电容值，以实现系统的自适应惯量匹配。
3.根据权利要求1或2所述的深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应惯量匹配方法，其特征在于：所述深远海船舶氢储直流电力推进系统，包括质子交换膜燃料电池发电单元(1)、储能单元(2)、船舶直流电力推进单元(3)、恒功率负载单元(4)、电阻负载单元(5)和惯量适配单元(6)，其特征在于：所述质子交换膜燃料电池发电单元(1)和储能单元(2)的输出侧均接入直流母线(7)；所述船舶直流电力推进单元(3)的输入侧接入直流母线(7)；所述恒功率负载单元(4)的输入侧接入直流母线(7)；所述电阻负载单元(5)接至直流母线(7)；所述惯量适配单元(6)包括超级电容器(61)和双向Buck直流功率变换器(62)，超级电容器(61)和双向Buck直流功率变换器(62)级联，双向Buck直流功率变换器(62)输出侧接至直流母线(7)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115241864A (zh) * 2022-09-20 2022-10-25 澄瑞电力科技（上海）有限公司 一种新能源船舶动力系统的并联自调节优化控制方法

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