CN115360688A - 一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，利用直流母线电压变化率和电压变化阈值，计算下垂系数调节量；电压外环经PI控制器得到电流参考值，电流内环采用模型预测控制对电流参考值跟踪，控制供电单元开关状态；直流母线电压作为推进系统的输入电压，采集电机三相电流，经Park变换得到当前时刻的i_d、i_q，计算8种开关状态下对应的电流预测量；将预测量与参考值由代价函数选择，函数值最小的电压矢量作为最优电压矢量控制逆变器；本发明采用预测控制代替传统PI控制，无需调参提高调节的快速性，能够在负载波动情况下实现对直流母线电压和推进电机转速的快速调节，提高系统动态调节能力和稳定性。

Description

一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法

技术领域

本发明属于船舶能量管理控制，具体涉及基于预测控制的纯电动船舶全局控制器及其控制方法。

背景技术

随着一系列节能减排标准文件规定的提出，减少碳排放已成为全社会共同面临的任务，航运业作为交通运输中的重要力量，低碳发展势在必行。传统燃油船的能量管理系统在电能质量和环境友好度方面存在一定不足。

传统燃油船的能量管理系统局限于对设备的启停进行管理，但单纯的设备启停会对船舶电力系统产生冲击，影响船舶电力系统的电能质量和电力设备的使用寿命。设备的频发启停也会造成能量浪费，增大运营成本，影响环境。

电力推进船舶作为一种新能源船型，其对环境优化、噪声小、维护方便，正日益受到航运业的关注。相比于电推进船舶仅在推进系统采用电动机替换燃油机的方式，纯电动船舶只使用蓄电池组作为动力源，船舶直流电力系统作为船舶电力控制系统，其电力电子化程度较高，进一步提高了运行的经济性、环保性。但这些功率器件和控制装置的大量使用，对船舶直流电力系统的运行稳定性提出了更高要求，需要系统性的控制策略保障安全可靠运行。

发明内容

发明目的：针对上述问题，本方法提供一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，前级系统采用基于母线电压变换率的模型预测下垂控制，可通过母线电压变化率实时调节下垂系数，从而调节供电单元的输出功率，提升船舶直流母线的电压稳定性；后级船用永磁同步电机采用基于模型预测电流控制，利用预测模型对电机的交直流电流进行跟随控制，进一步提升了船舶母线电压稳定性，同时所提方法无需进行PI参数的整定，减轻了调参压力。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，该方法包含如下步骤：

步骤一、利用基于电压调节率的自适应下垂环节得到修正后的虚拟阻抗k_i，采集本供电单元输出电流并通过下垂环节得到电压外环给定值U_ref，U_ref与U_i通过电压控制器输出为供电单元的电流给定值I_ref；

步骤二、电流内环利用供电单元拓扑电路的预测模型对I_ref和I_L的偏差量进行控制，并将产生的控制信号通过PWM输出为供电单元的占空比；

步骤三、将前级供电单元产生的直流母线电压作为后级推进系统的输入电压，采集电机三相电源中实时电流，对所述实时电流进行Park变化得到当前时刻的i_d、i_q。

步骤四、将电机运行角速度给定值ω_r ^*与转子角速度估计值

作差后进行PI调节，从而得到旋转d、q坐标系下q轴电流给定值i_q ^*。再将i_q ^*和步骤三中静止a、b、c坐标系下电流i_a、i_b和i_c经过Park变换后产生的d、q坐标系下的系统实际输出电流值i_q作差后通过永磁同步电机的预测模型调节产生q轴电压输出值u_q ^*。将d轴电流给定值i_d ^*和d轴实际输出电流i_d作差后通过永磁同步电机的预测模型调节产生d轴电压输出值u_d ^*，将上述旋转d、q 坐标系下的电压输出值u_d ^*和u_q ^*进行反Park变换得到静止a、b、c坐标系下的等效电压控制给定值u_a ^*、u_b ^*和u_c ^*。然后对该等效电压控制给定值u_a ^*、u_b ^*和u_c ^*进行空间矢量脉宽调制，产生PWM信号，最后利用该PWM信号来控制三相逆变器产生三相电压信号驱动永磁同步电动机运行。

进一步地，所述步骤一中虚拟阻抗计算如下：

电压外环给定值U_ref计算如下：

U_dcrefi＝U_i0-k_iI_i

进一步地，步骤二供电单元拓扑电路的预测模型可以表示为：

电路处于Boost工作模态下的预测模型：

电路处于Buck工作模态下的预测模型：

进一步地，步骤三中Park变换如下：

进一步地，步骤四永磁同步电机在同步旋转坐标系下的直、交轴电流微分方程和磁链方程如下：

永磁同步电机的直、交轴电流预测模型如下：

根据永磁同步电机的直、交轴电流构造代价函数为：

本发明的有益效果是：

第一、本发明对纯电动船舶全局系统进行控制，提升了船舶直流母线电压的稳定性，推进系统调速快速的同时减少了对船舶电力系统的冲击。

第二、本发明的相关控制器只与电路自身参数有关，无需进行PI参数设定，减轻了调参压力。

第三、本发明涉及的控制器拓扑所需器件较少，成本低，易于安装和更新维护。

附图说明

图1是纯电动船舶前级系统控制图。

图2是纯电动船舶后级系统控制图。

图3是纯电动船舶电气系统拓扑图，图4是纯电动船舶全局系统控制图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明提供了一种基于预测控制的纯电动船舶前级系统控制方法，主要包括虚拟阻抗计算模块、电压外环调节和电流内环模型预测控制。其中虚拟阻抗计算模块基于直流母线电压变换率进行计算，可以实时调节适应系统的虚拟阻抗。电压外环调节通过PI控制器输出为参考电流。电流内环模型预测控制利用拓扑电路的预测模型和代价函数对参考电流进行跟随控制。

一种基于预测控制的纯电动船舶前级系统控制方法，如图1所示，包括下述步骤：

步骤S1：利用直流母线电压变换率计算虚拟阻抗，计算如下：

电压外环给定值U_ref计算如下：

U_dcrefi＝U_i0-k_iI_i

步骤S2：利用前级系统拓扑电路的电流电压关系可得出直流母线电压和输出电感电流的预测模型。因此，预测模型可以计算为：

电路处于Boost工作模态下的预测模型：

电路处于Buck工作模态下的预测模型：

如图2所示，本发明提供了一种基于预测控制的纯电动船舶后级系统控制方法，主要电压变换计算模块、电机预测模型和电代价函数优化。其中电压变换计算模块将电机abc三相电流转换为dq电流。电机预测模型和电代价函数优化利用电机电气量关系得出预测模型，从而利用代价函数对电机dq电流进行跟随控制。

步骤S3：通过Park变换得到d、q坐标系下的电压u_d和电压u_q，计算式为：

步骤S4：永磁同步电机在同步旋转坐标系下的直、交轴电流微分方程和磁链方程可表示为：

步骤S5：永磁同步电机的直、交轴电流预测模型如下：

步骤S6：根据永磁同步电机的直、交轴电流构造代价函数为：

步骤S7：将电机运行角速度给定值ω_r ^*与转子角速度估计值

作差后进行PI调节，从而得到旋转d、q坐标系下q轴电流给定值i_q ^*。再将i_q ^*和步骤三中静止a、b、c坐标系下电流i_a、i_b和i_c经过Park变换后产生的d、q坐标系下的系统实际输出电流值i_q作差后通过永磁同步电机的预测模型调节产生q轴电压输出值u_q ^*。将d轴电流给定值i_d ^*和d轴实际输出电流i_d作差后通过永磁同步电机的预测模型调节产生d轴电压输出值u_d ^*，将上述旋转d、q 坐标系下的电压输出值u_d ^*和u_q ^*进行反Park变换得到静止a、b、c坐标系下的等效电压控制给定值u_a ^*、u_b ^*和u_c ^*。然后对该等效电压控制给定值u_a ^*、u_b ^*和u_c ^*进行空间矢量脉宽调制，产生PWM信号，最后利用该PWM信号来控制三相逆变器产生三相电压信号驱动永磁同步电动机运行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述，以上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精神和范围。

Claims (5)

1.一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)：利用基于电压调节率的自适应下垂环节得到修正后的虚拟阻抗k_i，采集本供电单元输出电流并通过下垂环节得到电压外环给定值U_ref，U_ref与U_i通过电压控制器输出为供电单元的电流给定值I_ref；

步骤2)：电流内环利用供电单元拓扑电路的预测模型对I_ref和I_L的偏差量进行控制，并将产生的控制信号通过PWM输出为供电单元的占空比；

步骤3)：将前级供电单元产生的直流母线电压作为后级推进系统的输入电压，采集电机三相电源中实时电流，对所述实时电流进行Park变化得到当前时刻的i_d、i_q。

步骤4)：将电机运行角速度给定值ω_r ^*与转子角速度估计值

作差后进行PI调节，从而得到旋转d、q坐标系下q轴电流给定值i_q ^*。再将i_q ^*和步骤3)中静止a、b、c坐标系下电流i_a、i_b和i_c经过Park变换后产生的d、q坐标系下的系统实际输出电流值i_q作差后通过永磁同步电机的预测模型调节产生q轴电压输出值u_q ^*。将d轴电流给定值i_d ^*和d轴实际输出电流i_d作差后通过永磁同步电机的预测模型调节产生d轴电压输出值u_d ^*，将上述旋转d、q坐标系下的电压输出值u_d ^*和u_q ^*进行反Park变换得到静止a、b、c坐标系下的等效电压控制给定值u_a ^*、u_b ^*和u_c ^*。然后对该等效电压控制给定值u_a ^*、u_b ^*和u_c ^*进行空间矢量脉宽调制，产生PWM信号，最后利用该PWM信号来控制三相逆变器产生三相电压信号驱动永磁同步电动机运行。

2.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的虚拟阻抗计算如下：

电压外环给定值U_ref计算如下：

U_dcrefi＝U_i0-k_iI_i

3.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，其特征在于，所述步骤2)中供电单元拓扑电路的预测模型如下：

电路处于Boost工作模态下的预测模型：

电路处于Buck工作模态下的预测模型：

4.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，其特征在于，所述步骤1)中的Park变换如下：

永磁同步电机在同步旋转坐标系下的直、交轴电流微分方程和磁链方程如下：

5.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的纯电动船舶全局控制方法，其特征在于，所述步骤4)永磁同步电机预测电流控制模型如下：

代价函数为：

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