一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法与流程
本发明属于船舶电网技术领域，具体涉及一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法，通过减小直流链路上的电容，利于故障处理，并通过电网中的多种变换器联合控制实现电压稳定。
背景技术：
船舶电力系统传统上采用交流电制，优点是变压、保护及故障处理容易，但其局限性也很明显。由于柴油发电机输出电压直接与电网相连，为了使得电网电压频率稳定，要求柴油发电机工作于固定转速，使得柴油发电机常常不能工作于最佳能效点。同时，交流电网存在多种电能质量问题，如谐波、无功、同步等问题，在船舶电网这种高渗透率微网中问题尤其突出。此外，交流系统采用工频变压器进行隔离与变压，笨重且体积庞大，会占用更多的设备空间。
相对于交流电网，直流电网近年来得到人们的重视。采用直流电网，柴油发电机不必工作于额定频率，为提高机组的燃油效率提供了额外的自由度。abb公司2013年在实船中的运行数据表明，采用船舶直流电网，效率能提高20％以上。同时，直流电网不存在交流电网中由于同步带来的电能质量问题，而且更容易接入新能源，有利于减少设备。基于上述优点，船舶直流电网近年来得到研究人员的重视。
但是，直流电网现有构架中，往往在直流链路上接入大电容以抑制直流电网中的电压波动。大电容造成直流侧短路时，交流阻抗小，短路电流大，因此直流电网对故障保护的要求高。现有直流电网结构中，各支路均通过直流断路器实现故障保护，直流断路器技术指标要求远高于交流断路器，要求在几毫秒内要实现可靠关断。由于直流电路中没有电压过零点，灭弧困难，因此关断难度大，断路器结构和交流断路器相比存在很大差异。目前市场上的直流断路器，均为机械式直流断路器，具备电流关断能力，但关断速度慢，难以满足直流电网保护需求。
考虑到变换器本身具有极强的限流能力，如果能够结合变换器合理设计电网结构，减少甚至不使用直流断路器则能够简化直流电网结构，减少成本并提高系统的可靠性。为此，本申请研究一种低压船舶直流电网结构，通过减少直流链路上的支撑电容，减小直流电网中不可控的能量存储，使得短路故障情况下直流电网迅速放能量以实现自我保护，同时通过特殊设计的变换器及其快速能量控制，可抑制由于支撑电容减小带来的直流电压波动问题。采用本发明所提出的方案，最终可实现无快速直流断路器的船舶直流电网设计。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法，该直流电网结构及控制方法在直流侧短路故障时能够自动限流，无需采用专门的直流断路器，从而简化电路，利于船舶直流电网的推广。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构，所述直流电网结构，在直流链路上取消大电容存储能量，柴油发电机生成的交流能量通过可控整流变换为直流能量，并通过高开关频率变换器及超级电容来抑制电网侧直流电压波动。
在本发明一实施例中，所述直流电网结构，其供电能源通过变换器接入直流电网；其中，柴油发电机端采用mmc(模块化多电平)变换器，超级电容侧采用交错并联变换器，mmc变换器、交错并联变换器在直流链路出现短路故障时，不会与开关器件并联的二极管构成导电通路，具有故障穿越能力。
在本发明一实施例中，所述供电能源还包括蓄电池组，蓄电池组通过低开关频率(<10khz)变换器接入直流电网。
在本发明一实施例中，所述直流电网结构的具体结构为：直流电网结构按负载分类，分为多个区域，每个区域有两个接口同直流电网相连，连接元件为开关器件；每个区域还包括有超级电容、蓄电池组和直流负载，超级电容通过交错并联变换器接入区域直流子网，蓄电池组通过低开关频率变换器接入区域直流子网；每个直流子网均有一个容值极小的支撑变容，柴油发电机通过交流侧开关器件、mmc变换器、直流母线侧开关器件直接接入直流电网，实现交直流能量转换，整个直流电网电压仅通过各分区区域内的容值极小的支撑变容来支撑，即实现一种直流电网能量弱存储状态。
在本发明一实施例中，所述交错并联变换器由多路全桥dc/dc变换器并联而成，采用全桥结构的目的是当直流链路短路时，全桥结构所有开关器件断开时，igbt并联的二极管不会构成直流通路，具有直流短路故障穿越能力。
在本发明一实施例中，所述高开关频率变换器为交错并联变换器、sic型变换器，或多电平变换器，以提高开关频率。
在本发明一实施例中，所述可控整流变换器的为整流变换器，所述整流变换器为mmc变换器、基于双向开关的三相h桥结构，或是普通三相变换器中加入crowbar电路。
本发明还提供了一种基于上述所述基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构的直流电网控制方法，包括预充电、正常运行和故障情况下变换器的控制：
1)预充电、正常运行情况下的变换器控制：
1.1)对于mmc变换器，正常运行时，其能量控制包括交流侧能量控制和直流侧能量控制，预充电状态下，mmc仅有交流侧能量控制，具体通过如下步骤实现：(一)交流侧采用dq解耦的功率控制技术，通过电压和电流传感器获得交流侧柴油发电机端三相电压uga,ugb,ugc和柴油发电机端三相电流iag,ibg,icg；(二)通过锁相环pll获取交流电网同步相位信息；(三)通过同步旋转坐标分解，并获得电流的d、q轴分量id、iq；(四)对mmc变换器子模块电容电压平均值进行闭环，得到电流有功分量id*；(五)对电流d、q轴分量进行闭环控制，得到mmc变换器交流侧输出电压udc，uqc，经过反坐标变换后得到mmc变换器交流侧三相电压uao,ubo,uco；(六)正常运行情况下，mmc变换器除了交流侧能量控制还有直流侧控制，直流侧控制量是直流电压udc、直流侧电流在电感上的电压及有源阻尼分量的和，有源阻尼分量为直流侧电流icir与虚拟电阻rv通过乘法器相乘；最终mmc每相桥臂输出电压如式(2)所示：
式中，uacu和uacd分别为mmc变换器上下桥臂电压，iacu和iacd分别为上下桥臂电流，
1.2)对于交错并联变换器通过电压和电流双闭环实现对电网电压的平稳控制，其控制步骤为：(一)对直流电网电压信号udc进行低通滤波，用udc减去低通滤波信号，得到udc中的高频谐波分量uhr；(二)将电压高频谐波分量uhr送入pi控制器，得到高频补偿电流参考值ihr；(三)将超级电容电压ucap与设定电压uset比较，并把差值送入pi控制器，得到低频的超级电容充电电流参考值ihf；(四)超级电容输出电流参考值icr为高频补偿电流参考值ihr与超级电容充电电流参考值ihf之和，即icr＝ihr+ihf，并对输出电流ihc通过pi控制器进行控制，得到输出电压控制量ucap，以此电压调制后控制交错并联变换器；
2)故障情况下变换器控制：
直流线路出现故障情况下，其处理过程为：(一)当mmc变换器、交错并联变换器电流超过限制，且直流电压低于设定阈值，判断出现故障；(二)mmc变换器、交错并联变换器停止运行，直流线路电压瞬间降低到零，各接口处电流也为零，此时断开接口处各开关，对各分区区间电路进行隔离；(三)根据故障前各接口处电流的流向，定位故障位置；(四)没有故障的各分区区间利用各分区区间内的超级电容和蓄电池组对各分区区域供电，建立各分区区域电压；(五)闭合建立好电压的各区间的接口处开关，恢复直流电网供电。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的直流电网结构及控制方法在直流侧短路故障时能够自动限流，无需采用专门的直流断路器，从而简化电路，利于船舶直流电网的推广。
附图说明
图1为本发明基于能量弱存储的直流电网结构。
图2为本发明交错并联变换器。
图3为本发明正常运行时mmc等效模型。
图4为本发明mmc整流器预充电等效模型
图5为本发明mmc预充电控制框图。
图6为本发明mmc正常运行控制框图。
图7为本发明超级电容控制框图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构，所述直流电网结构，在直流链路上取消大电容存储能量，柴油发电机生成的交流能量通过可控整流变换为直流能量，并通过高开关频率变换器及超级电容来抑制电网侧直流电压波动。所述直流电网结构，其供电能源通过变换器接入直流电网；其中，柴油发电机端采用mmc变换器，超级电容侧采用交错并联变换器，mmc变换器、交错并联变换器在直流链路出现短路故障时，不会与开关器件并联的二极管构成导电通路，具有故障穿越能力。所述供电能源还包括蓄电池组，蓄电池组通过低开关频率(<10khz)变换器接入直流电网。
所述直流电网结构的具体结构为：直流电网结构按负载分类，分为多个区域，每个区域有两个接口同直流电网相连，连接元件为开关器件；每个区域还包括有超级电容、蓄电池组和直流负载，超级电容通过交错并联变换器接入区域直流子网，蓄电池组通过低开关频率变换器接入区域直流子网；每个直流子网均有一个容值极小的支撑变容，柴油发电机通过交流侧开关器件、mmc变换器、直流母线侧开关器件直接接入直流电网，实现交直流能量转换，整个直流电网电压仅通过各分区区域内的容值极小的支撑变容来支撑，即实现一种直流电网能量弱存储状态。
所述交错并联变换器由多路全桥dc/dc变换器并联而成，采用全桥结构的目的是当直流链路短路，全桥结构所有开关器件断开时，igbt并联的二极管不会构成直流通路，具有直流短路故障穿越能力。除了交错并联变换器，还可以选择sic型变换器，或多电平变换器以提高变换器开关频率。类似的，与柴油发电机相连接的整流变换器除了mmc变换器，还可以采用基于双向开关的三相h桥结构，或是普通三相变换器中加入crowbar电路，以实现直流短路故障穿越。
本发明还提供了一种基于上述所述基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构的直流电网控制方法，包括预充电、正常运行和故障情况下变换器控制：
1)预充电、正常运行情况下的变换器控制：
1.1)对于mmc变换器，正常运行时，其能量控制包括交流侧能量控制和直流侧能量控制，预充电状态下，mmc仅有交流侧能量控制，具体通过如下步骤实现：(一)交流侧采用dq解耦的功率控制技术，通过电压和电流传感器获得交流侧柴油发电机端三相电压uga,ugb,ugc和柴油发电机端三相电流iag,ibg,icg；(二)通过锁相环pll获取交流电网同步相位信息；(三)通过同步旋转坐标分解，并获得电流的d、q轴分量id、iq；(四)对mmc变换器子模块电容电压平均值进行闭环，得到电流有功分量id*；(五)对电流d、q轴分量进行闭环控制，得到mmc变换器交流侧输出电压udc，uqc，经过反坐标变换后得到mmc变换器交流侧三相电压uao,ubo,uco；(六)正常运行情况下，mmc变换器除了交流侧能量控制还有直流侧控制，直流侧控制量是直流电压udc、直流侧电流在电感上的电压及有源阻尼分量的和，有源阻尼分量为直流侧电流icir与虚拟电阻rv通过乘法器相乘；最终mmc每相桥臂输出电压如式(3)所示：
式中，uacu和uacd分别为mmc变换器上下桥臂电压，iacu和iacd分别为上下桥臂电流，
1.2)对于交错并联变换器通过电压和电流双闭环实现对电网电压的平稳控制，其控制步骤为：(一)对直流电网电压信号udc进行低通滤波，用udc减去低通滤波信号，得到udc中的高频谐波分量uhr；(二)将电压高频谐波分量uhr送入pi控制器，得到高频补偿电流参考值ihr；(三)将超级电容电压ucap与设定电压uset比较，并把差值送入pi控制器，得到低频的超级电容充电电流参考值ihf；(四)超级电容输出电流参考值icr为高频补偿电流参考值ihr与超级电容充电电流参考值ihf之和，即icr＝ihr+ihf，并对输出电流ihc通过pi控制器进行控制，得到输出电压控制量ucap，以此电压调制后控制交错并联变换器；
2)故障情况下变换器控制：
直流线路出现故障情况下，其处理过程为：(一)当mmc变换器、交错并联变换器电流超过限制，且直流电压低于设定阈值，判断出现故障；(二)mmc变换器、交错并联变换器停止运行，直流线路电压瞬间降低到零，各接口处电流也为零，此时断开接口处各开关，对各分区区间电路进行隔离；(三)根据故障前各接口处电流的流向，定位故障位置；(四)没有故障的各分区区间利用各分区区间内的超级电容和蓄电池组对各分区区域供电，建立各分区区域电压；(五)闭合建立好电压的各区间的接口处开关，恢复直流电网供电。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明内容在于提出一种低压船舶直流电网结构及其基本控制方法，
首先，本发明提出了一种新型的低压船舶直流电网结构。该直流电网结构如图1所示。电网基本拓扑为分区拓扑，船舶直流电网按负载分类，分为多个区域，每个区域有两个接口同直流电网相连。连接元件为电感和普通断路器或接触器。每个区域包括超级电容器，蓄电池组和直流负载。超级电容器通过高开关频率变换器(以后通称为高频变换器)接入区域直流子网，如交错并联变换器，sic型变换器或其他多电平变换器。蓄电池组则通过低开关频率变换器(以后通称为低频变换器，开关频率通常小于10khz)接入区域子网。每个子网均有一个支撑变容，和常规直流电网不同的是，该支撑电容容值极小。柴油机发电通过整流变换器接入直流电网，实现交直流能量转换，其直流输出端没有其他电容，事实上整个直流线路中(不包括设备内部)，均没有电容存在，整个直流电网电压仅仅通过各分区内的小电容支撑，即一种直流电网能量弱存储状态。
其次，本发明提出的与超级电容相连接的双向dc/dc变换器为一高开关频率变换器，其作用是实现子网内电压稳定为额定值。采用高开关频率设计的原因是使输出变换器具有良好的动态特性，变换器电压控制带宽足够大，以及时稳定直流电压。本发明采用的高频变换器类型为交错并联变换器，其具体电路结构如图2所示。交错并联变换器由多路全桥dc/dc变换器并联而成，采用全桥结构的目的是当直流链路短路时，全桥结构所有开关器件断开时，igbt并联的二极管不会构成直流通路，具有直流短路故障穿越能力。
本发明同样采用具有直流短路故障穿越功能的整流变换器，变换器可以采用基于mmc的结构或者是基于双向开关的三相h桥结构，还可以是普通的三相变换器中加入crowbar。图1中的变换器是一种每个桥臂仅一个子模块的mmc(模块化多电平级联)变换器。每个子模块仍为h桥结构，有效避免直流链路短路时与开关器件并联的二极管构成直流通路。每个子模块上有独立的电容，工作时通过变换器的控制电容电压将保持在一定阈值，并在直流侧支撑直流电压。
根据图3的mmc等效模型，以a相为例，直流侧电压udc，变换器上下桥臂电压uacu和uacd，上下桥臂电流iacu和iacd，及柴油发电机端电压uga关系为
根据式(4)可得，
可见，直流侧等效电压为上桥臂、下桥臂电压及电感电压之和。
由此设计上下桥臂电压分别为：
可见，通过调整控制电压中的
变换器三相直流侧始终输出相同电压udc，此电压将支撑直流电网，为了保持该电压不变，
各变换器的控制过程为，整流变换器把柴油发电机能量变换到直流电网，提供电网主要部分的功率。为了减小器件损耗，整流变换器处于低开关频率工作模式，因此其对直流电网电压的控制有限。为了抑制电容减小后带来的直流电网电压波动，超级电容处变换器工作于高开关频率模式，其控制带宽极高，实现电网电压的闭环控制。为了平衡整流变换器和超级电容变换器之间的控制关系，整流变换器处于电压支撑模式，直流侧相当于电压源，电流不可控，通过对变换器内部电容电压的闭环控制，实现传输功率的控制。超级电容处变换器相当于电流源，通过注入高频电流，抑制直流电网中的电压波动。蓄电池接口变换器处于低频率开关模式，用于平衡电网能量，当电网电压高时可吸收功率。
本发明所提出的如图1所示的基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构，直流电网运行时，各变换器工作状态为：
(1)预充电。
当电网没有电荷时，各子区间的开关断开，此时电路分为直流母线和分区间多个部分。在各子区间，超级电容和蓄电池给本地直流子网供电，即给小电容充电，同时超级电容充电到1/2状态，这样对能量的控制能力最大，既可以释放能量也可以吸收能量。
直流母线侧，整流变换器进行预充电，各子模块从交流电网吸收功率。当子模块电容电压极低时，先进行不控整流充电，此时开关kg1断开，交流侧通过限流电阻rc对模块充电，但只能充到
(2)正常运行。
与直流链路连接的各开关闭合，此时mmc变换器直流侧接入电网，并通过电感与各子区间的电容相接。mmc变换器按式(8)进行控制，其控制框图如图6所示。整个控制可分为交流侧的功率控制和直流侧的电压控制。交流侧功率控制是为了保持电容电压稳定，需要对电容电压进行闭环控制，此时电容电压反馈值ucm为所有模块的电容电压平均值，其闭环控制过程与预充电环节类似，这里不再赘述。直流侧电压控制则按式(9)加入直流侧电压和电感电压，以及虚拟阻尼项。
考虑到整流变换器开关频率有限，变换器输出电压包含谐波，由于直流侧电容极小，易引起电压波动，需要通过超级电容端的高频变换器对其消除。超级电容端变换器采用两级控制，其控制结构如图6所示。根据该控制框图，电压外环对直流电压的高频分量进行抑制。为了提取高频分量，并且减少延时，采用直流电压减去直流电压的低频分量来实现，其中低频分量通过低通滤波器flt实现。通过控制器pi1对高频电压闭环，得到电流参考值ihr，再通过电流内环控制器pi2对输出电流ihc进行控制。为了保证超级电容存储电荷总处于1/2附近，通过对电容存储电压进行闭环控制实现，即控制器pi3。最终电容输出参考电流值为，icr＝ihr+ihf。pic3的参数在设计时频带较窄，因此ihf为低频分量，不影响高频分量ihr的控制。
通过mmc与超级电容接口变换器的协调控制，最终直流电网电压将稳定在额定值。
(3)故障处理
采用本专利提出的电网结构及其控制算法，当直流链路出现短路故障时能够自动限流。直流短路故障是直流电网中最难处理的一种故障，需要保护电路迅速动作，否则将引起大电流损坏用电设备。采用本文所提出的直流电网结构，当电流超过设定值时，根据式(6)中的虚拟阻尼控制，mmc变换器将自动限制电流，同样此时如果超级电容输出电流也达到最大值，而直流电压仍然低于额定值，不能恢复正常，则判定为过载或者短路故障。判定短路故障后，各变换器开关器件关断，由于直流链路上电容值极小，存储能量迅速释放，直流链路电压降到零，此时整个系统失电，连接各分区的开关电流迅速降到零，此时断开开关为零电流断开，不存在直流灭弧问题，可以快速实现解列。根据保护前检测到的电流流向，如果多个支路电流均流向一点，则表明该处存在短路故障。进行故障恢复时，对于正常的交流子网，通过蓄电池和超级电容联合控制，建立本地直流子网，同时整流变换器直流侧输出电压。若各网络电压建立正常，则各子网的断路器闭合，与直流链路相接，变换器切换为正常运行模式。
图7为本发明的超级电容控制框图。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！