串联混合动力系统或复合电源的控制方法与装置与流程
本发明涉及串联混合动力系统领域，具体涉及一种串联混合动力系统或复合电源的控制方法与装置。
背景技术：
节能和环保是当前社会发展的两大突出问题，发展电气化交通是汽车、航空和船舶工业的发展趋势，然而电池的充电速度和能量密度限制了交通电气化技术的普及。串联式油电混合动力系统可以降低燃油的消耗和污染，提高载具的续航里程，既具有比电池单独供电的系统更高的能量密度、功率密度，又具有比发电机组单独供电的系统更好的动态特性，因此在新能源汽车、船舶和多电飞机的能源动力系统中获得了广泛的应用。此外，燃气轮机发电机组和动力电池组成的复合电源也是可再生能源分布式发电常用的备用供电设备。
现有的串联混合动力系统结构通常如图1所示，原动机1(如发动机、燃气轮机或柴油机等)与永磁发电机2连轴运行，带动永磁发电机2发电。永磁发电机2出线端接入可控整流器3，整流器3将发电机2发出的交流电整流成直流，直流侧并联滤波电容4，储能装置7(如动力电池、超级电容和飞轮等)经过dc-dc变换器8接入直流母线，逆变器5将直流逆变成交流电驱动电动机6。原动机1不与机械系统直接连接，原动机1的全部有效能量均转化为电能供用电设备使用。串联式混合动力系统可根据工况工作在多种模式：1、纯电动运行模式，即发电机组停机，只有储能装置提供功率给电动机；2、纯发动机驱动模式，由原动机和发电机组成的发电单元来提供功率给电动机，储能装置既不吸收能量也不发出能量，从系统中切出；3、发电机和储能装置联合供电；4、发电机提供功率驱动电动机运行并且给储能装置充电。
串联式混合动力系统可以使发动机工作在高效区间，燃油的经济性较高，污染物排放较小。储能装置起到“削峰填谷”的作用，发电机发出功率大于电动机所需功率时，以电池为主的储能装置吸收多余的功率；当发电机发出功率低于电动机需求时，电池提供这部分功率。系统工作的工况复杂多样，能量在三个端口之间流动，精确控制系统的功率流对系统特性和节能效果非常重要。
但是，现有的串联混合动力系统常采用发动机转速闭环控制，通过调节原动机的转速来调节发电机输出功率，或者由发电机组自动适应负载的功率需求，从而控制系统的功率分配和功率流动。但以燃气轮机为代表的小转动惯量原动机的机械特性较软，转速随负载变化波动较大，动态性能较差；另一方面，现有的一些发动机需要电执行器调节油门，难以实现快速准确的控制，尤其是一些航空发动机。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种串联混合动力系统或复合电源的控制方法与装置，实现了功率分配实时、精确、可控。
本发明的一方面，提出一种串联混合动力系统或复合电源的控制装置，所述串联混合动力系统或复合电源包括：原动机、发电机、整流器、储能装置，所述控制装置包括：储能装置电流控制模块和发电机转速控制模块；
所述储能装置电流控制模块用于根据所述储能装置的电流参考值和电流实际值生成所述原动机的功率参考值，从而控制所述储能装置的电流；
所述发电机转速控制模块用于根据发电机的转速参考值和所述发电机的转速实际值生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速。
优选地，所述储能装置电流控制模块包括：电流减法器、第一调节器和原动机功率控制单元；
所述电流减法器用于根据所述储能装置的电流参考值和所述储能装置的电流实际值，计算所述储能装置的电流偏差；
所述第一调节器用于根据所述储能装置的电流偏差，生成所述原动机的功率参考值；
所述原动机功率控制单元用于根据所述原动机的功率参考值控制所述原动机运行。
优选地，所述发电机转速控制模块包括：转速减法器和转速调节单元；
所述转速减法器用于根据所述发电机的转速参考值和所述发电机的转速实际值，计算所述发电机的转速偏差；
所述转速调节单元用于根据所述发电机的转速偏差，生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速。
优选地，所述转速调节单元包括：第一坐标变换单元、第二调节器、第一减法器、第三调节器、第二减法器、第四调节器、第二坐标变换单元和空间矢量调制单元；
所述第一坐标变换单元用于根据所述发电机任意两相的相电流实际值和转速实际值，生成d、q坐标轴上的电流分量实际值id和iq；
所述第二调节器用于根据所述发电机的转速偏差，生成q坐标轴上的电流分量参考值
所述第一减法器用于根据q坐标轴上的电流分量参考值
所述第三调节器用于根据q坐标轴上的电流分量的偏差，生成q坐标轴上电压空间矢量的参考值uq；
所述第二减法器用于根据预设的d坐标轴上的电流分量参考值和d坐标轴上的电流分量实际值id，计算d坐标轴上的电流分量的偏差；
所述第四调节器用于根据d坐标轴上的电流分量的偏差，生成d坐标轴上电压空间矢量的参考值ud；
所述第二坐标变换单元用于根据d、q坐标轴上的电压空间矢量的参考值ud和uq，生成α、β静止坐标系下的电压参考值uα和uβ；
所述空间矢量调制单元用于根据α、β静止坐标系下的电压参考值uα和uβ进行空间矢量调制，生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速。
优选地，所述原动机为燃油机，所述原动机功率控制单元包括油门调节子单元；
所述油门调节子单元用于调节油门的大小以控制燃料的进入量，从而控制所述原动机的功率。
优选地，所述控制装置还包括：第一电流互感器、第二电流互感器、第三电流互感器和角速度传感器；
所述第一电流互感器用于实时采集所述储能装置的电流实际值；
所述第二电流互感器、所述第三电流互感器分别用于实时采集所述发电机任意两相的相电流实际值；
所述角速度传感器用于实时测量所述发电机的转速实际值。
优选地，所述串联混合动力系统或复合电源包括：接触器，所述接触器用于将所述储能装置并联于所述整流器输出端的直流母线上；
所述控制装置还包括：参考值与接触器控制模块；
所述参考值与接触器控制模块用于调节所述储能装置的电流参考值和所述发电机的转速参考值，并断开或闭合所述接触器。
优选地，所述直流母线与负载并联，所述负载为阻性负载和/或感性负载和/或恒功率负载。
本发明的另一方面，提出一种串联混合动力系统或复合电源的控制方法，所述串联混合动力系统或复合电源包括：原动机、发电机、整流器、储能装置，所述控制方法包括：
根据所述储能装置的电流参考值和电流实际值生成所述原动机的功率参考值，从而控制所述储能装置的电流；
根据发电机的转速参考值和所述发电机的转速实际值生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速。
优选地，“根据所述储能装置的电流参考值和电流实际值生成所述原动机的功率参考值，从而控制所述储能装置的电流”的步骤包括：
根据所述储能装置的电流参考值和所述储能装置的电流实际值，计算所述储能装置的电流偏差；
根据所述储能装置的电流偏差，生成所述原动机的功率参考值；
根据所述原动机的功率参考值控制所述原动机运行。
优选地，“根据发电机的转速参考值和所述发电机的转速实际值生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速”的步骤包括：
根据所述发电机的转速参考值和所述发电机的转速实际值，计算所述发电机的转速偏差；
根据所述发电机的转速偏差，生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速。
优选地，“根据所述发电机的转速偏差，生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速”的步骤包括：
根据所述发电机任意两相的相电流实际值和转速实际值，生成d、q坐标轴上的电流分量实际值id和iq；
根据所述发电机的转速偏差，生成q坐标轴上的电流分量参考值
根据q坐标轴上的电流分量参考值
根据q坐标轴上的电流分量的偏差，生成q坐标轴上电压空间矢量的参考值uq；
根据预设的d坐标轴上的电流分量参考值和d坐标轴上的电流分量实际值id，计算d坐标轴上的电流分量的偏差；
根据d坐标轴上的电流分量的偏差，生成d坐标轴上电压空间矢量的参考值ud；
根据d、q坐标轴上的电压空间矢量的参考值ud和uq，生成α、β静止坐标系下的电压参考值uα和uβ；
根据α、β静止坐标系下的电压参考值uα和uβ进行空间矢量调制，生成所述整流器的控制信号，从而控制所述发电机的转速。
优选地，所述原动机为燃油机；
相应地，“根据所述原动机的功率参考值控制所述原动机运行”的步骤包括：
调节油门的大小以控制燃料的进入量，从而控制所述原动机的功率。
优选地，所述控制方法还包括：
实时采集所述储能装置的电流实际值；
实时采集所述发电机任意两相的相电流实际值；
实时测量所述发电机的转速实际值。
优选地，所述串联混合动力系统或复合电源包括：接触器，所述接触器用于将所述储能装置并联于所述整流器输出端的直流母线上；
相应地，所述控制方法还包括：调节所述储能装置的电流参考值，并断开或闭合所述接触器。
优选地，所述直流母线与负载并联，所述负载为阻性负载和/或感性负载和/或恒功率负载。
与最接近的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的串联混合动力系统或复合电源的控制方法与装置，无论负载为何值，不需要通过调节原动机转速来调节发电机输出功率，可以使原动机始终处于高效转速区间；发电机组的转速由发电机闭环控制，避免了通过原动机转速闭环控制来控制发电机组转速导致的动态响应慢、振荡、超调大等问题；通过该方法可以实现电池的稳态电流的闭环控制，无需做复杂的模式判断，系统的功率分配实时、精确、可控。尤其适用于无转速闭环控制功能的航空发动机。
附图说明
图1是现有的串联混合动力系统常用结构示意图；
图2是本发明实施例中串联混合动力系统或复合电源的构成示意图；
图3是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制装置实施例一的主要构成示意图；
图4是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制装置实施例二的主要构成示意图；
图5是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制方法实施例一的主要步骤示意图；
图6是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制方法实施例二的主要步骤示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置、元件或参数的相对重要性，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的目的是针对串联式混合动力系统或复合电源中，由原动机和发电机组成的发电机组机械特性较软以及系统中储能装置和发电机组功率分配不精确的问题，可实现直流侧并联的两个不同特性的电源的功率闭环控制和发电机组转速闭环控制。本发明可以克服现有的串联混合动力系统原动机动态性能差以及功率分配不精确的问题。
本发明的特征在于对发电机进行转速闭环控制，利用电机的机械特性和动态性能较内燃机或者燃气轮机优越，使原动机和发电机组成的系统转速较为稳定。以储能装置电流为被控对象，将储能装置电流变化量作为储能装置电流控制模块的输入来产生原动机控制指令，对原动机进行功率闭环控制。可通过给定储能装置电流的参考值使储能装置处于恒流充电、恒功率输出或者退出系统。
图2是本发明实施例中串联混合动力系统或复合电源的构成示意图。如图2所示，串联混合动力系统或复合电源3包括：原动机31、发电机32、整流器33、滤波电容34、直流母线35、储能装置36、接触器37。
其中，原动机31(本实施例中为燃气轮机)与发电机32(本实施例中为永磁发电机)连轴运行，带动发电机32进行发电；发电机32的出线端连接整流器33；整流器33(本实施例中为三相全桥可控整流器，采用pwm可控整流的方法)将发电机32发出的交流电整流成直流电，整流器33的输出侧连接直流母线35；滤波电容34并联于直流母线上，用于对整流器33的输出进行滤波；储能装置36通过接触器37并联于直流母线35上；直流母线35与负载4并联；负载4可以为阻性负载(白炽灯、电阻炉、烤箱、电热水器等)和/或感性负载(如变压器、电动机等)和/或恒功率负载(如轧钢机、造纸机、各种机床等)。
图3是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制装置实施例一的主要构成示意图。如图3所示，本实施例的串联混合动力系统或复合电源的控制装置1包括：储能装置电流控制模块11、发电机转速控制模块12、第一电流互感器13和角速度传感器14。
其中，储能装置电流控制模块11用于根据储能装置36的电流参考值
本实施例采用了两个控制回路：发电机转速控制环和储能装置电流控制环。对发电机施行转速闭环控制，原动机与发电机连轴运行，旋转方向一致，转速参考值设定为原动机高效运行转速点，采用测量或者辨识获得的发电机转速实际值作为控制回路的反馈，从而实现了转速恒定。储能装置电流控制环的电流参考值根据系统工况和电池输出功率需求设定，反馈值为测量或者辨识获得的储能装置电流实际值。储能装置电流控制模块的输出为原动机功率参考值。在特定荷电状态(soc)和健康状态(soh)下储能装置电压为近似恒定值，控制储能装置电流大小即可控制电流输出功率，负载所需另一部分功率由发电机自适应提供；通过改变储能装置电流控制环的参考值可使电池处于放电、充电或者既不充电也不放电的状态。
在动态过程中，当负载功率变化时，发电机的转速闭环控制将维持发电机组转速不变，储能装置电流偏离目标值，补偿瞬时负载功率，并通过调节原动机功率逐渐满足变化后的负载功率后，储能装置电流回到目标值。
图4是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制装置实施例二的主要构成示意图。如图4所示，本实施例的串联混合动力系统或复合电源的控制装置1包括：储能装置电流控制模块11、发电机转速控制模块12、第一电流互感器13、角速度传感器14、第二电流互感器15、第三电流互感器16和参考值与接触器控制模块17(图中未画出)。
其中，第一电流互感器13用于实时采集储能装置13的电流实际值ibat；角速度传感器14用于实时测量发电机32的转速实际值ω；第二电流互感器15和第三电流互感器16分别用于实时采集发电机a、b两相的相电流实际值ia和ib。参考值与接触器控制模块17用于调节储能装置36的电流参考值
本实施例中，储能装置电流控制模块11包括：电流减法器111、第一调节器112和原动机功率控制单元113。
其中，电流减法器111用于根据储能装置的电流参考值
本实施例中，发电机转速控制模块12包括：转速减法器121和转速调节单元122。
其中，转速减法器121用于根据发电机的转速参考值ω*和发电机32的转速实际值ω，计算发电机32的转速偏差；转速调节单元122用于根据发电机的转速偏差，生成整流器33的控制信号，从而控制发电机32的转速。
本实施例中，转速调节单元122包括：第一坐标变换单元1221、第二调节器1222、第一减法器1223、第三调节器1224、第二减法器1225、第四调节器1226、第二坐标变换单元1227和空间矢量调制单元1228。
其中，第一坐标变换单元1221用于根据发电机32的相电流实际值ia、ib和转速实际值ω，生成d、q坐标轴上的电流分量实际值id和iq；第二调节器1222用于根据发电机的转速偏差，生成q坐标轴上的电流分量参考值
本实施例中，第一调节器112、第二调节器1222、第三调节器1224、第四调节器1226均选用比例-积分(pi)调节器。发电机转速控制环的转速参考值为燃油机的高效转速点。
本实施例具有原动机状态稳定、高功率密度、高效率和高功率因数的优点，非常适合于采用惯量小、机械特性软的高速燃气轮机发电机组的电气交通载具的动力系统。
基于与上述控制装置实施例相同的技术构思，本发明还提出了控制方法，下面进行具体说明。
图5是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制方法实施例一的主要步骤示意图。如图5所示，本实施例的控制方法包括步骤s1-s2：
步骤s1，根据储能装置的电流参考值和电流实际值生成原动机的功率参考值，从而控制储能装置的电流。可以具体包括步骤s11-s13：
步骤s11，根据储能装置的电流参考值和储能装置的电流实际值，计算储能装置的电流偏差；
步骤s12，根据储能装置的电流偏差，生成原动机的功率参考值；
步骤s13，根据原动机的功率参考值控制原动机运行。
本实施例中，原动机为燃气轮机，因此通过调节油门的大小以控制燃料的进入量，从而控制原动机的功率。
步骤s2，根据发电机的转速参考值和发电机的转速实际值生成整流器的控制信号，从而控制发电机的转速。可以具体包括步骤s21-s22：
步骤s21，根据发电机的转速参考值和发电机的转速实际值，计算发电机的转速偏差；
步骤s22，根据发电机的转速偏差，生成整流器的控制信号，从而控制发电机的转速。该步骤又可以具体包括步骤s221-s228：
步骤s221，根据发电机任意两相的相电流实际值和转速实际值，生成d、q坐标轴上的电流分量实际值id和iq；
步骤s222，根据发电机的转速偏差，生成q坐标轴上的电流分量参考值
步骤s223，根据q坐标轴上的电流分量参考值
步骤s224，根据q坐标轴上的电流分量的偏差，生成q坐标轴上电压空间矢量的参考值uq；
步骤s225，根据预设的d坐标轴上的电流分量参考值和d坐标轴上的电流分量实际值id，计算d坐标轴上的电流分量的偏差；
步骤s226根据d坐标轴上的电流分量的偏差，生成d坐标轴上电压空间矢量的参考值ud；
步骤s227，根据d、q坐标轴上的电压空间矢量的参考值ud和uq，生成α、β静止坐标系下的电压参考值uα和uβ；
步骤s228，根据α、β静止坐标系下的电压参考值uα和uβ进行空间矢量调制，生成整流器的控制信号，从而控制发电机的转速。
图6是本发明的串联混合动力系统或复合电源的控制方法实施例二的主要步骤示意图。如图6所示，本实施例的控制方法，与图5实施例的区别在于，还包括：
步骤s0，实时采集储能装置的电流实际值，实时采集发电机任意两相的相电流实际值，实时测量发电机的转速实际值。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
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