纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法

摘要

本发明公开了纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法，包括步骤：1）将电池接入DC/DC变流器，接入辅助控制环路检测直流母线电容上的电流值；2）采用一阶惯性环节对直流母线电容上的电流值进行调理；3）将调流后的直流母线电容电流作用于DC/DC变流器的PI控制输入端。本发明通过给电池接入DC/DC变流器的电压控制器中引入辅助控制环路，增大直流母线电压振荡的阻尼，有效解决功率源负载作用下纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压潜在失稳风险。本发明通过调节辅助控制环路中一阶惯性环节的比例系数k，可方便实现附加阻尼分量的自由调节。

说明书

技术领域

本发明涉及微电网安全运行技术领域，具体地指一种纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法。

背景技术

为加大船舶节能减排力度，促进绿色航运发展，采用“油改电”的新能源船舶已成为新建船舶发展趋势。纯电池动力综合电力系统为新能源船舶的典型动力系统架构，其特征是：采用电池取代传统柴油机，将传统船舶中相互独立的机械推进系统和电力系统合二为一，以电能的形式统一为电力推进和日用设备等供电。

纯电池动力综合电力系统中，电池作为系统的电源，其一般通过DC/DC变换器给直流母线供电，直流母线的恒压控制由DC/DC变换器的电压控制实现。由推进变频器和推进电机构成的推进负载作为系统的主要负载，其不对直流母线电压进行控制，只是依托直流母线电压，通过推进变频器实现变频变压的电能变换，从而驱动推进电机旋转运动，给船舶航行提供动力。从直流母线电压端口看向推进负载，其具有功率源运行特性，扰动下功率源表现为负电阻，给直流母线电压的动态引入负阻尼。若DC/DC变换器对直流母线电压的镇定控制不能抑制推进负载的功率源运行特性引入的负阻尼，直流母线电压将会存在失稳风险，给纯电池动力船舶综合电力系统的安全稳定运行带来严峻挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提出一种纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法，其目的在于通过给电池接入DC/DC变流器的电压控制器中引入辅助控制环路，增大直流母线电压振荡的阻尼，解决功率源负载作用下纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压潜在失稳风险，增强系统运行安全稳定性。

为实现上述目的，本发明所设计的纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

1）将电池接入DC/DC变流器，接入辅助控制环路检测直流母线电容上的电流值；

2）采用一阶惯性环节对直流母线电容上的电流值进行调理；

3）将调流后的直流母线电容电流作用于DC/DC变流器的PI控制输入端。

优选地，所述步骤1）中辅助控制环路的表达式为：

式中，

优选地，所述步骤3）的控制逻辑的表达式为：

式中，

优选地，所述步骤2）中一阶惯性环节的表达式为

优选地，所述步骤2）通过调节一阶惯性环节的比例系数k实现对辅助控制环路引入的阻尼分量的调节，具体实现过程为：

21）一阶惯性环节的比例系数k的取值范围为0-10；

22）调大一阶惯性环节的比例系数k即增大辅助控制环路给直流母线电压振荡引入的阻尼分量；

23）调小一阶惯性环节的比例系数k即降低辅助控制环路给直流母线电压振荡引入的阻尼分量。

优选地，所述一阶惯性环节带宽的选取原则为：一阶惯性环节带宽小于0.3倍开关频率，大于变流器电压控制器带宽3倍以上。

优选地，所述步骤2）中对直流母线电容上的电流值进行调理时，系统稳态时辅助控制环路

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

（1）本发明通过给电池接入DC/DC变流器的电压控制器中引入辅助控制环路，增大直流母线电压振荡的阻尼，有效解决功率源负载作用下纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压潜在失稳风险；

（2）本发明通过调节辅助控制环路中一阶惯性环节的比例系数k，可方便实现附加阻尼分量的自由调节；

（3）本发明只需在原有控制基础上，增加变流器直流母线电容电流检测环节，对其通过一阶惯性环节调理后，作用于变流器电压控制器，无需额外增加其他硬件设备和修改通讯方式，方便对现有变流器进行升级改造，易于推广，便于直接工程应用。

附图说明

图1为本发明提供的纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法实施系统的结构示意图。

图2为本发电提供的镇定控制方法对直流母线电压稳定性作用效果示意图。

图3为直流母线电压动态主导特征根随辅助控制环路中一阶惯性环节比例系数k的变化趋势示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

图1所示为本发明应用场景和电池接入DC/DC变流器控制方案。本发明应用场景为纯电池动力船舶综合电力系统。电池接入DC/DC变流器采用双环控制方案，外环电压控制用以维持直流母线电压的恒定，输出电流下垂控制用以实现多变流器间功率均分，内环电流控制用以实现动态性能提升和故障限流。本发明所提供的直流母线电压镇定控制方法如图中虚线部分所示，检测直流母线电容上的电流，通过一阶惯性环节后，作用于电压控制器PI控制器的输入。图中

本发明提出的一种纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法，包括以下步骤：

1）将电池接入DC/DC变流器，并接入辅助控制环路检测直流母线电容上的电流值；

2）采用一阶惯性环节

3）调理后的直流母线电容电流作用于DC/DC变流器PI控制器的输入。

辅助控制环路的表达式为：

式中，

当系统处于稳态时，

DC/DC变流器PI控制器的控制逻辑的表达式为：

式中，

在MATLAB/SIMULINK中搭建如图1所示的仿真模型对本申请所提供的直流母线电压镇定控制方法进行验证。仿真模型中锂电池用直流电压源替代，输出电压为500V；电池接入DC/DC变流器采用双向buck-boost变换器方案，空载输出电压为750V，容量为150kW，负载电流下垂系数

图2的仿真结果可以看出，施加镇定控制策略下，直流母线电压振荡衰减明显加快，且调大比例系数k，有助于进一步阻尼直流母线电压振荡。仿真结果说明所提供纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压镇定控制方法，可以增大直流母线电压振荡的阻尼，实现直流母线电压镇定控制，有效解决了功率源负载作用下纯电池动力船舶综合电力系统直流母线电压潜在失稳风险。

针对如图1所示的系统结构，构建小信号线性化模型。模型中锂电池用直流电压源替代，输出电压为500V；电池接入DC/DC变流器采用双向buck-boost变换器方案，其电压控制器中电压指令

图3所示为直流母线电压动态主导特征根随比例系数

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后需要说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本专利技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本专利进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本专利的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本专利的权利要求范围当中。