CN114531031B - 船用大功率双向直流变流器的控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种船用大功率双向直流变流器的控制系统和控制方法，所述控制系统包括变流器单元和控制单元，变流器单元包括：第一变流器和第二变流器，第一变流器的第一端连接超级电容，第一变流器的第二端连接所述第二变流器的第一端，第二变流器的第二端连接直流母线；控制单元获取变流器单元的信号，并发送控制指令至变流器单元。根据本发明的控制系统和方法，具备控制大功率直流能量双向流动能力，且响应速度快，动态性能稳定，谐波较小。

Description

船用大功率双向直流变流器的控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及船舶电子设备技术领域，具体而言涉及一种船用大功率双向直流变流器的控制系统及控制方法。
背景技术
随着船舶大型化发展，特别是海洋石油平台，船用电站的容量越来越大，而直流电网由于其自身优势，在船舶上应用越来越受到关注。船用设备功率也因需求而越来越大，特别是电力推进船舶推进器的功率占总电站容量达到80％以上。当船舶受到风浪流等的影响，电站负载波动很大，会导致直流电网不稳定，因此，为了提高直流电网稳定性，船舶安全性，可以在船用直流电网上增加变流器配合超级电容，用于平抑直流电网波动，或根据船舶运行实际需求在瞬时对大功率负载释放巨大电能。但是现有的变流器输入输出电压较低，无法应用到MW级电网中。
因此，提供船用大功率双向直流变流器的控制系统及方法，以至少部分地解决以上问题。
发明内容
在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
为了至少部分地解决上述问题，本发明提供了一种船用大功率双向直流变流器的控制系统，所述控制系统包括：变流器单元和控制单元，
所述变流器单元包括：第一变流器和第二变流器，所述第一变流器的第一端用于连接超级电容，所述第一变流器的第二端连接所述第二变流器的第一端，所述第二变流器的第二端用于连接直流母线；
所述控制单元获取所述变流器单元的信号，并发送控制指令至所述变流器单元。
根据本发明的船用大功率双向直流变流器的控制系统，采用三电平级联型Buck-Boost拓扑结构设计，具备控制大功率直流能量双向流动能力；且响应速度快，动态性能稳定，谐波较小。
优选地，所述变流器单元还包括储能器件，所述储能器件连接在所述第一变流器和所述第二变流器之间。
由此，解决了大功率船用直流升降压功能，通过分别控制第一和第二变流器可在一定范围内实现升降压运行，实现直流电网与超级电容之间运行电压灵活匹配。
优选地，所述变流器单元还包括第一电抗器和第二电抗器，所述第一电抗器连接在所述第二变流器和直流母线之间，所述第二电抗器连接在所述第一变流器和所述超级电容之间。
由此，能够有效滤除第一变流器和第二变流器产生的高频开关频率谐波。
优选地，总控制器和检测装置，所述检测装置用于检测所述变流器单元的电压和电流，所述检测装置的输出端连接所述总控制器的输入端。
由此，能够准确及时地接收到变流器单元反馈的信号，进而实现对变流器进行升降压过程的精准控制，使直流电网与超级电容之间运行电压灵活匹配。
优选地，所述总控制器包括boost控制器和buck控制器，所述boost控制器配置为根据所述检测装置的检测结果，在放电过程中对输出给直流母线的直流电压进行控制，所述buck控制器配置为根据所述检测装置的检测结果，在充电过程中对输出给所述超级电容的功率进行控制。
由此，能够实现对输出给电网的直流母线的直流电压的控制，以及实现对输出给超级电容的功率的控制。
优选地，所述总控制器还包括工作模式控制器，所述工作模式控制器配置为根据与所述超级电容连接的外部大功率负载发送的工作状态信号，判断和/或切换所述变流器单元以及所述超级电容的工作模式。
由此，能够根据外部大功率负载发送的信号和/或超级电容发送的信号，实现变流器单元工作模式的判断和/或切换。工作模式可以理解为直流母线给超级电容的充电过程，以及超级电容向直流母线的放电过程。
优选地，所述检测装置包括第一电压传感器、第一电流传感器、第二电压传感器和第二电流传感器，所述第一电压传感器和所述第一电流传感器用于检测低压侧输出直流电压和输出直流电流，所述第二电压传感器和第二电流传感器用于检测高压侧输入直流电压和输入直流电流。
优选地，所述检测装置还包括第三电压传感器，所述第三电压传感器用于检测所述变流器单元的母线直流电压。
由此，能够更好地实现对变流器进行升降压过程的精准控制。
优选地，所述控制系统还包括连接在直流母线与所述变流器单元之间的预充电模块，用于给所述变流器单元进行限流充电。
本发明另一方面还提供一种船用大功率双向直流变流器的控制系统的控制方法，其包括：
基于输入直流电压Vin和输入直流电流Iin，经过输出功率计算，得到第一输入功率Pin；基于所述输入直流电压Vin，经过P-V特性控制器计算，得到标准输入功率Pin *；基于所述第一输入功率Pin和所述标准输入功率Pin *，经过功率环控制器计算，得到第一输入电流Iin_1 *；
基于母线直流电压VC1和VC2，经过母线电压计算，得到输出母线电压Vbus；将所述输出母线电压Vbus与预设母线电压Vbus *进行比较，经过电压环控制器，得到第二输入电流Iin_2 *；
boost控制器的电流环控制器根据所述第一输入电流Iin_1 *和所述第二输入电流Iin_2 *以及所述输入直流电流Iin，得到第一输出指令，所述第一输出指令经过PWM调制后得到第一变流器和第二变流器中用于升压的一者的控制信号。
优选地，还包括：
基于输出直流电流Io和输出直流电压Vo，经过输出功率计算，得到第二输入功率Po；所述第二输入功率Po经过功率环控制器计算，得到第四输入电流Iin_4 *；
将所述输出母线电压Vbus与所述预设母线电压Vbus *进行比较，经过所述电压环控制器，得到第三输入电流Iin_3 *；
buck控制器的电流环控制器根据所述第三输入电流Iin_3 *和所述第四输入电流Iin_4 *以及所述输出直流电流Io，得到第二输出指令，所述第二输出指令经过PWM调制后得到所述第一变流器和所述第二变流器中用于降压的一者的控制信号。
根据本发明的船用大功率双向直流变流器的控制系统的控制方法，采用三电平级联型Buck-Boost拓扑结构设计，具备控制大功率直流能量双向流动能力；且响应速度快，动态性能稳定，谐波较小。
附图说明
本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
附图中：
图1为根据本发明的一个优选实施方式的船用大功率双向直流变流器的控制系统的电路拓扑结构示意图；
图2为根据本发明的一个优选实施方式的船用大功率双向直流变流器的控制系统的电路原理图；
图3为根据本发明的一个优选实施方式的船用大功率双向直流变流器的控制系统的控制方法的控制逻辑图；
图4为根据本发明的一个优选实施方式的船用大功率双向直流变流器的控制系统的控制方法的控制流程图；以及
图5为图2中储能器件与第一变流器之间的电路原理图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
如图1和图2所示，本发明的船用大功率双向直流变流器的控制系统1包括变流器单元10和控制单元。
具体地，变流器单元10包括：第一变流器11和第二变流器，第一变流器11的第一端用于连接超级电容20，第一变流器11的第二端连接第二变流器12的第一端，第二变流器12的第二端用于连接直流母线30。
控制单元获取变流器单元10的信号，并发送控制指令至变流器单元10。
参考图2，直流母线30可以经过变流器单元10先升压(此时第二变流器12可以理解为boost变流器)再降压(此时第一变流器11可以理解为buck变流器)，给超级电容20充电，进而由超级电容20给大功率负载供电。当然，在大功率负载电量充足时，超级电容20可以经过变流器单元10先升压(此时第一变流器11可以理解为boost变流器)再降压(此时第二变流器12可以理解为buck变流器)向直流母线30放电。
根据本发明的船用大功率双向直流变流器的控制系统，采用三电平级联型Buck-Boost拓扑结构设计(第一变流器11、第二变流器12以及控制单元的拓扑结构设计)，具备控制大功率直流能量双向流动能力；且响应速度快，动态性能稳定，谐波较小。
接下来，先详细说明变流器单元10。具体地，第一变流器11和第二变流器12采用全控型开关管实现全控型变流，即采用IGBT与反并联续流二极管构成双向复合开关，在对直流母线30电压进行PWM斩波控制的同时允许电流双向流动以实现超级电容20充放电功能。在本实施方式中，第一变流器11和第二变流器12构造相同，均包括四个串联的由IGBT与反并联续流二极管构成的双向复合开关，每四个串联的双向复合开关从上到下依次可以命名为第一复合开关、第二复合开关、第三复合开关以及第四复合开关。
优选地，变流器单元10还可以包括储能器件，储能器件连接在第一变流器11和第二变流器12之间。在本实施方式中，如图1和图5所示，储能元件包括第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1的一端分别连接第一变流器11和第二变流器12的第二复合开关D2的发射极连接，另一端分别连接第一变流器11和第二变流器12的第一复合开关D1的集电极；第二电容C2的一端分别连接第一变流器11和第二变流器12的第四复合开关D4的发射极连接，另一端分别连接第一变流器11和第二变流器12的第三复合开关D3的集电极。第一电容C1和第二电容C2用于稳定变流器单元10的直流电压。
更优选地，变流器单元10还可以包括第一电抗器13和第二电抗器14，用于滤除第一变流器11和第二变流器12产生的高频开关频率谐波。第一电抗器13连接在第二变流器12和直流母线30之间，第二电抗器14连接在第一变流器11和超级电容20之间。
接下来，详细描述船用大功率双向直流变流器的控制系统的控制单元。
如图1和图2所示，控制单元具体包括：总控制器40和检测装置，检测装置用于检测变流器单元10的电压和电流，检测装置的输出端连接总控制器40的输入端。
如图2所示，检测装置具体包括第一电压传感器51、第一电流传感器52、第二电压传感器53和第二电流传感器54。第一电压传感器51和第一电流传感器52用于检测低压侧输出直流电压Vo和输出直流电流Io，第二电压传感器53和第二电流传感器54用于检测高压侧输入直流电压Vin和输入直流电流Iin。
检测装置还包括第三电压传感器55，第三电压传感器55用于检测变流器单元10的母线直流电压VC1和VC2。
总控制器40包括boost控制器和buck控制器，boost控制器配置为根据检测装置的检测结果，在放电过程中对输出给直流母线30的直流电压进行控制，buck控制器配置为根据检测装置的检测结果，在充电过程中对输出给超级电容20的功率进行控制。
总控制器40还包括工作模式控制器，工作模式控制器可以配置为根据与超级电容20连接的外部大功率负载发送的工作状态信号，判断和/或切换变流器单元10(第一变流器11、第二变流器12)以及超级电容20的工作模式。这里的切换变流器单元10的工作模式可以理解成切换第一变流器11和第二电流器中各自四个复合开关的导通状态，进而决定变流器单元10进行的是充电过程还是放电过程。
当然，如图2所示，本发明的控制系统还包括连接在直流母线30与变流器单元10之间的预充电模块。变流器单元10还可以包括连接在直流母线30与第二变流器12之间的预充电模块。预充电模块包括预充电阻61、预充电开关62和输入开关63。预充电阻61的作用在预充电开关62闭合时进行限流充电；输入开关63的作用：一是在正常情况下接通和断开变流器单元10与直流母线30，二是在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合，迅速将变流器单元10与直流母线30切断，从而保证变流器单元10以及直流母线30的安全运行。
接下来，参考图3和图4详细说明本发明的控制系统的控制方法。该方法包括：
例如，在直流母线30到超级电容20的充电过程中，第二变流器12作为boost变流器，第一变流器11作为buck变流器；
基于输入直流电压Vin和输入直流电流Iin，经过输出功率计算，得到第一输入功率Pin；基于所述输入直流电压Vin，经过P-V特性控制器计算，得到标准输入功率Pin *；基于所述第一输入功率Pin和所述标准输入功率Pin *，经过功率环控制器计算，得到第一输入电流Iin_1 *；
基于母线直流电压VC1和VC2，经过母线电压计算，得到输出母线电压Vbus；将所述输出母线电压Vbus与预设母线电压Vbus *进行比较，经过电压环控制器，得到第二输入电流Iin_2 *；
boost控制器的电流环控制器根据所述第一输入电流Iin_1 *和所述第二输入电流Iin_2 *以及所述输入直流电流Iin，得到第一输出指令，所述第一输出指令经过PWM调制后得到第一变流器11和第二变流器12中用于升压的一者的控制信号，具体是，使得第二变流器12的第一复合开关D1和第四复合开关D4导通，第二复合开关D2和第三复合开关D3截止。
该方法进一步还可以包括：
基于输出直流电流Io和输出直流电压Vo，经过输出功率计算，得到第二输入功率Po；所述第二输入功率Po经过功率环控制器计算，得到第四输入电流Iin_4 *；
将所述输出母线电压Vbus与所述预设母线电压Vbus *进行比较，经过所述电压环控制器，得到第三输入电流Iin_3 *；
buck控制器的电流环控制器根据所述第三输入电流Iin_3 *和所述第四输入电流Iin_4 *以及所述输出直流电流Io，得到第二输出指令，所述第二输出指令经过PWM调制后得到所述第一变流器11和所述第二变流器12中用于降压的一者的控制信号，具体是，使得第一变流器11的第二复合开关D2和第三复合开关D3导通，第一复合开关D1和第四复合开关D4截止。
可以理解，对于从超级电容20到直流母线30的放电过程，与上述的充电过程的控制方法类似，在放电过程中，第一变流器11作为boost变流器，第二变流器12作为buck变流器，boost控制器控制第一变流器11的第一复合开关和第四复合开关导通，而第二复合开关和第三复合开关截止，buck控制器控制第二变流器12的第二复合开关D2和第三复合开关D3导通，而第一复合开关D1和第四复合开关D4截止。
根据本发明的船用大功率双向直流变流器的控制系统和控制方法，采用三电平级联型Buck-Boost拓扑结构设计，具备控制大功率直流能量双向流动能力；且响应速度快，动态性能稳定，谐波较小。
除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本发明。本文中出现的诸如“设置”等术语既可以表示一个部件直接附接至另一个部件，也可以表示一个部件通过中间件附接至另一个部件。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。
本发明已经通过上述实施方式进行了说明，但应当理解的是，上述实施方式只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施方式范围内。本领域技术人员可以理解的是，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。

Claims (10)

1.一种船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括变流器单元(10)和控制单元，
所述变流器单元(10)包括：第一变流器(11)和第二变流器(12)，所述第一变流器(11)的第一端用于连接超级电容(20)，所述第一变流器(11)的第二端连接所述第二变流器(12)的第一端，所述第二变流器(12)的第二端用于连接直流母线(30)；
所述控制单元获取所述变流器单元(10)的信号，并发送控制指令至所述变流器单元(10)；
所述变流器单元(10)还包括储能器件，所述储能器件连接在所述第一变流器(11)和所述第二变流器(12)之间，所述储能器件为电容，用于稳定所述变流器单元(10)的直流电压；
所述控制单元包括boost控制器，所述boost控制器的电流环控制器根据第一输入电流Iin_1 *和第二输入电流Iin_2 *以及输入直流电流Iin，得到第一输出指令，所述第一输出指令经过PWM调制后得到所述第一变流器和所述第二变流器中用于升压的一者的控制信号；
其中，基于输入直流电压Vin和输入直流电流Iin，经过输出功率计算，得到第一输入功率Pin；基于所述输入直流电压Vin，经过P-V特性控制器计算，得到标准输入功率Pin *；基于所述第一输入功率Pin和所述标准输入功率Pin *，经过功率环控制器计算，得到所述第一输入电流Iin_1 *；
基于母线直流电压VC1和VC2，经过母线电压计算，得到输出母线电压Vbus；将所述输出母线电压Vbus与预设母线电压Vbus *进行比较，经过电压环控制器，得到所述第二输入电流Iin_2 *。
2.根据权利要求1所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述变流器单元(10)还包括第一电抗器(13)和第二电抗器(14)，所述第一电抗器(13)连接在所述第二变流器(12)和直流母线(30)之间，所述第二电抗器(14)连接在所述第一变流器(11)和所述超级电容(20)之间。
3.根据权利要求1所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述控制单元包括：总控制器(40)和检测装置，所述检测装置用于检测所述变流器单元(10)的电压和电流，所述检测装置的输出端连接所述总控制器(40)的输入端。
4.根据权利要求3所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述总控制器(40)包括所述boost控制器和buck控制器，所述boost控制器配置为根据所述检测装置的检测结果，在放电过程中对输出给直流母线(30)的直流电压进行控制，所述buck控制器配置为根据所述检测装置的检测结果，在充电过程中对输出给所述超级电容(20)的功率进行控制。
5.根据权利要求4所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述总控制器(40)还包括工作模式控制器，所述工作模式控制器配置为根据与所述超级电容(20)连接的外部大功率负载发送的工作状态信号，判断和/或切换所述变流器单元(10)以及所述超级电容(20)的工作模式。
6.根据权利要求3所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述检测装置包括第一电压传感器(51)、第一电流传感器(52)、第二电压传感器(53)和第二电流传感器(54)，所述第一电压传感器(51)和所述第一电流传感器(52)用于检测低压侧输出直流电压和输出直流电流，所述第二电压传感器(53)和第二电流传感器(54)用于检测高压侧输入直流电压和输入直流电流。
7.根据权利要求6所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述检测装置还包括第三电压传感器(55)，所述第三电压传感器(55)用于检测所述变流器单元的母线直流电压。
8.根据权利要求1所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括连接在直流母线(30)与所述变流器单元(10)之间的预充电模块，用于给所述变流器单元(10)进行限流充电。
9.一种船用大功率双向直流变流器的控制系统的控制方法，用于根据权利要求1至8中任一项所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统，其特征在于，包括：
基于输入直流电压Vin和输入直流电流Iin，经过输出功率计算，得到第一输入功率Pin；基于所述输入直流电压Vin，经过P-V特性控制器计算，得到标准输入功率Pin *；基于所述第一输入功率Pin和所述标准输入功率Pin *，经过功率环控制器计算，得到第一输入电流Iin_1 *；
基于母线直流电压VC1和VC2，经过母线电压计算，得到输出母线电压Vbus；将所述输出母线电压Vbus与预设母线电压Vbus *进行比较，经过电压环控制器，得到第二输入电流Iin_2 *；
boost控制器的电流环控制器根据所述第一输入电流Iin_1 *和所述第二输入电流Iin_2 *以及所述输入直流电流Iin，得到第一输出指令，所述第一输出指令经过PWM调制后得到第一变流器和第二变流器中用于升压的一者的控制信号。
10.根据权利要求9所述的船用大功率双向直流变流器的控制系统的控制方法，其特征在于，还包括：
基于输出直流电流Io和输出直流电压Vo，经过输出功率计算，得到第二输入功率Po；所述第二输入功率Po经过功率环控制器计算，得到第四输入电流Iin_4 *；
将所述输出母线电压Vbus与所述预设母线电压Vbus *进行比较，经过所述电压环控制器，得到第三输入电流Iin_3 *；
buck控制器的电流环控制器根据所述第三输入电流Iin_3 *和所述第四输入电流Iin_4 *以及所述输出直流电流Io，得到第二输出指令，所述第二输出指令经过PWM调制后得到所述第一变流器和所述第二变流器中用于降压的一者的控制信号。
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