CN113224744A - 一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，根据供电单元(蓄电池/超级电容)的荷电状态构造自适应虚拟阻抗，并将其引入到供电单元变换器的控制环路中，实时调整供电单元变换器的输出电流，从而改变同类型供电单元之间的功率分配，实现同类型供电单元间的荷电状态均衡。本发明方法基于供电单元自身的荷电状态实现功率分配，有利于避免供电单元过度放电，提高***稳定性；构造的自适应虚拟阻抗中设置有调节均衡速度的调节因子，该参数能够根据功率变换器的规格灵活选取，获得理想的均衡效果；各供电单元间无需通信，避免了通信故障的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电气控制技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，能源危机的加剧以及对船舶性能要求的不断提高，纯电力推进船舶得到越来越广泛的应用。作为无需柴油机驱动的新型电动船舶，双电船舶一般采用蓄电池和超级电容组成混合电力推进***，其中蓄电池能量密度大，可以提供长时间的电能支撑，超级电容功率密度大，可以在负载功率突变时补偿瞬时功率失衡，二者结合使用更能满足船舶电力推进***对于稳定功率补偿和快速波动响应的需求。
然而，由于生产过程，存储条件和操作方法的不同，同类型供电单元之间可能会出现荷电状态(State of Charge，SoC)不一致的问题。荷电状态的不平衡很容易导致部分低电量的供电单元提前退出***运行，加快其余供电单元的放电速度，进而影响混合电力推进***的使用寿命和可靠性。因此需对供电单元变换器进行协调控制，实现负载功率在同类型供电单元之间的合理分配。
目前的研究大多集中于多组蓄电池间的自主功率分配，文献《State-of-ChargeBalance Using Adaptive Droop Control for Distributed Energy Storage Systemsin DC Microgrid Applications》将蓄电池荷电状态的n次方引入到下垂系数中，通过荷电状态的变化实时调节蓄电池单元的输出电流，进而实现蓄电池单元的荷电状态均衡，但是当荷电状态的差值超过一定范围时，该方法将会导致不合理的功率分配比；文献《ControlStrategy of Multiple Energy Storages System for DC Microgrid》通过添加与荷电状态差值成比例的调节电压，实现蓄电池间基于荷电状态的功率分配，但是该方法增加了控制和通信的复杂程度，并且其应用范围有一定的局限性；文献《Frequency CoordinatingVirtual Impedance for Autonomous Power Management of DC Microgrid》考虑到蓄电池和超级电容的不同动态特性，提出了一种基于虚拟阻抗的控制策略，但是并未考虑同类型的供电单元之间的功率分配问题。
发明内容
根据上述提出的技术问题，本发明提供一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，包括如下步骤：
S1、构建双电船舶混合电力推进***的功率分配控制电路；
S2、估算双电船舶混合电力推进***中供电单元自身的荷电状态；
S3、构造含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗，并将其引入供电单元自适应虚拟阻抗控制环路中，形成改进的输出电压参考值；
S4、将改进的输出电压参考值与实际输出电压进行比较，经过电压电流双闭环得到PWM控制信号，驱动DC-DC双向变换电路的开关功率器件，实现供电单元的自适应虚拟阻抗控制。
进一步地，所述步骤S1中的双电船舶混合电力推进***包括供电单元和***负载；供电单元和***负载通过相应的变换器接入公共直流母线；
供电单元包括蓄电池和超级电容；
***负载包括交、直流电气负载和推进电机带动的螺旋桨负载。
进一步地，所述供电单元的变换器采用电压外环电流内环控制。
进一步地，所述步骤S2的具体实现过程如下：
S21、采用安时积分法估算蓄电池的荷电状态，具体计算方式如下：
其中，SoCB0i表示第i台蓄电池初始荷电状态，CNi表示第i台蓄电池的额定容量，ioBi表示第i台蓄电池变换器的输出电流；
S22、通过实时测量端电压来估算超级电容的荷电状态，测量超级电容的端电压VSCj，与额定电压VSCNj进行比较，即：
其中，SoCSCj表示第j台超级电容的荷电状态，VSCj表示第j台超级电容的实时端电压，VSCNj表示第j台超级电容的额定电压。
进一步地，所述步骤S3中构造的含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗表达式为：
其中，RvB0和RvBi分别为第i个蓄电池的初始虚拟电阻和改进虚拟电阻，CvSC0和CvSCj分别为第j个超级电容的初始虚拟电容和改进虚拟电容，pB和pSC为蓄电池和超级电容虚拟阻抗的调节因子。
本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行上述基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法。
本发明还提供了一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器通过所述计算机程序运行执行上述。基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法
较现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明提供的基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，基于供电单元自身的荷电状态实现功率分配，有利于避免供电单元过度放电，提高***稳定性。
2、本发明提供的基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，所构造的自适应虚拟阻抗中设置有调节均衡速度的调节因子，该参数能够根据功率变换器的规格灵活选取，获得理想的均衡效果。
3、本发明提供的基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，各供电单元间无需通信，避免了通信故障的问题。
基于上述理由本发明可在电气控制等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明双电船舶混合电力推进***的结构示意图。
图3为本发明实施例中提供的一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法的***框图。
图4为本发明实施例中提供的一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法的等效电路模型图。
图5为本发明中供电***供电过程的变换器输出电流和荷电状态波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明提供了一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，包括如下步骤：
S1、构建双电船舶混合电力推进***的功率分配控制电路；
S2、估算双电船舶混合电力推进***中供电单元自身的荷电状态；
S3、构造含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗，并将其引入供电单元自适应虚拟阻抗控制环路中，形成改进的输出电压参考值；
S4、将改进的输出电压参考值与实际输出电压进行比较，经过电压电流双闭环得到PWM控制信号，驱动DC-DC双向变换电路的开关功率器件，实现供电单元的自适应虚拟阻抗控制。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图2所示，所述步骤S1中的双电船舶混合电力推进***包括供电单元和***负载；供电单元和***负载通过相应的变换器接入公共直流母线；所述供电单元的变换器采用电压外环电流内环控制。供电单元包括蓄电池和超级电容；***负载包括交、直流电气负载和推进电机带动的螺旋桨负载。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图3所示，提供了一种基于SoC的双电船舶混合电力推进***功率分配方法的***框图，主要包括两台蓄电池和两台超级电容以及等效***负载，供电单元的变换器采用电压外环电流内环控制，由各自对应的控制器输出PWM控制信号驱动接口变换器，从而维持母线电压稳定，持续为船舶航行供电。各控制器之间无互联通信，为分散自主控制。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S2的具体实现过程如下：
S21、采用安时积分法估算蓄电池的荷电状态，具体计算方式如下：
其中，SoCB0i表示第i台蓄电池初始荷电状态，CNi表示第i台蓄电池的额定容量，ioBi表示第i台蓄电池变换器的输出电流；
S22、通过实时测量端电压来估算超级电容的荷电状态，测量超级电容的端电压VSCj，与额定电压VSCNj进行比较，即：
其中，SoCSCj表示第j台超级电容的荷电状态，VSCj表示第j台超级电容的实时端电压，VSCNj表示第j台超级电容的额定电压。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，所述步骤S3中构造的含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗表达式为：
其中，RvB0和RvBi分别为第i个蓄电池的初始虚拟电阻和改进虚拟电阻，CvSC0和CvSCj分别为第j个超级电容的初始虚拟电容和改进虚拟电容，pB和pSC为蓄电池和超级电容虚拟阻抗的调节因子，用于调节蓄电池和超级电容荷电状态均衡速率。
具体实施时，作为本发明优选的实施方式，如图4所示，本发明实施例还提供了一种基于SoC的双电船舶混合电力推进***功率分配方法的等效电路模型图，其中RvB1和RvB2分别为蓄电池变换器ESU#1和ESU#2基于SoC的自适应虚拟电阻；CvSC1和CvS2分别为超级电容变换器ESU#3和ESU#4基于SoC的自适应虚拟电容；ioB1、ioB2、ioSC1、ioSC2分别为ESU#1、ESU#2、ESU#3和ESU#4的输出电流。
根据图4给出的等效模型，采用基于SoC的自适应虚拟阻抗控制时，各变换器改进的输出电压参考值与输出电流之间的关系表达式可写为：
其中，Vref为公共直流母线电压参考值，这里选为700V；VoB1、VoB2、VoSC1和VoSC2分别为ESU#1、ESU#2、ESU#3和ESU#4的输出电压参考值。根据上式可知，当虚拟阻抗发生改变时，供电单元电压外环的输出电压参考值也会相应发生改变，进而改变电流内环的输出电流参考值。
根据步骤S3中构造的含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗的计算公式，综合考虑到同类型供电单元间的功率分配比和荷电状态均衡速率的需求，本实施例中，pB和pSC分别取1和0.5，RvB0和CvSC0分别取2Ω和0.15F。
如图3所示，将步骤S3中构造的含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗的计算公式中的自适应虚拟阻抗引入到供电单元自适应虚拟阻抗控制环路中，形成新的输出电压参考值，将新的输出电压参考值与实际输出电压做比较，经过PI控制器，形成电压外环控制；电压外环的输出信号再与输出电流做比较，经过PI控制器产生PWM信号，形成电流内环控制，驱动接口变换器的开关功率器件，实现供电单元的无通信自适应虚拟阻抗控制。
由于虚拟阻抗系数远大于线路阻抗，因此线路阻抗引起的电压降被忽略，即各变换器输出电压参考值大小相等，根据各变换器改进的输出电压参考值与输出电流之间的关系表达式并对照图4的等效模型，推导出本实施例中的同类型供电单元输出电流的关系表达式为：
从上式中可以看出，蓄电池/超级电容变换器输出电流大小与对应的荷电状态值成正比关系，即在供电工程中，荷电状态较大的蓄电池/超级电容提供更多能量，荷电状态下降更快，而荷电状态较小的蓄电池/超级电容提供的能量少，荷电状态下降的更慢，最终各蓄电池/超级电容荷电状态和输出电流在动态运行过程中逐渐趋于一致；
如图5所示，为本供电***供电过程的变换器输出电流和荷电状态波形图，图5(a)为输出电流波形图，图5(b)为蓄电池荷电状态波形图，图5(c)为超级电容荷电状态波形图。在第3s时负载功率突增6kW，蓄电池和超级电容先后响应功率波动，相较之下，荷电状态高的蓄电池和超级电容放电电流更大，输出功率更高，导致荷电状态下降更快，同类型供电单元荷电状态趋于平衡。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、构建双电船舶混合电力推进***的功率分配控制电路；
S2、估算双电船舶混合电力推进***中供电单元自身的荷电状态；
S3、构造含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗，并将其引入供电单元自适应虚拟阻抗控制环路中，形成改进的输出电压参考值；
S4、将改进的输出电压参考值与实际输出电压进行比较，经过电压电流双闭环得到PWM控制信号，驱动DC-DC双向变换电路的开关功率器件，实现供电单元的自适应虚拟阻抗控制。
2.根据权利要求1所述的基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，其特征在于，所述步骤S1中的双电船舶混合电力推进***包括供电单元和***负载；供电单元和***负载通过相应的变换器接入公共直流母线；
供电单元包括蓄电池和超级电容；
***负载包括交、直流电气负载和推进电机带动的螺旋桨负载。
3.根据权利要求2所述的基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，其特征在于，所述供电单元的变换器采用电压外环电流内环控制。
4.根据权利要求1所述的基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，其特征在于，所述步骤S2的具体实现过程如下：
S21、采用安时积分法估算蓄电池的荷电状态，具体计算方式如下：
其中，SoCB0i表示第i台蓄电池初始荷电状态，CNi表示第i台蓄电池的额定容量，ioBi表示第i台蓄电池变换器的输出电流；
S22、通过实时测量端电压来估算超级电容的荷电状态，测量超级电容的端电压VSCj，与额定电压VSCNj进行比较，即：
其中，SoCSCj表示第j台超级电容的荷电状态，VSCj表示第j台超级电容的实时端电压，VSCNj表示第j台超级电容的额定电压。
5.根据权利要求1所述的基于荷电状态的双电船舶混合电力推进***功率分配方法，其特征在于，所述步骤S3中构造的含供电单元荷电状态的自适应虚拟阻抗表达式为：
其中，RvB0和RvBi分别为第i个蓄电池的初始虚拟电阻和改进虚拟电阻，CvSC0和CvSCj分别为第j个超级电容的初始虚拟电容和改进虚拟电容，pB和pSC为蓄电池和超级电容虚拟阻抗的调节因子。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质包括存储的程序，其中，所述程序运行时，执行所述权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法。
7.一种电子装置，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器通过所述计算机程序运行执行所述权利要求1至5中任一项权利要求所述的方法。
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