船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，該方法包括：根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器，其中，系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器將異步推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值Te*與直流母線電壓Vdc相關(guān)聯(lián)；獲取系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息；根據(jù)系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息以及系統(tǒng)要求，確定出系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器的候選控制輸入、約束條件、以及整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，并基于當(dāng)前狀態(tài)和約束條件求解整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，從候選控制輸入中確定最優(yōu)控制輸入，根據(jù)最優(yōu)控制輸入更新系統(tǒng)控制輸入和系統(tǒng)狀態(tài)，不斷更新的系統(tǒng)狀態(tài)能夠使系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)期水平。
【專利說明】
船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 船舶中通常使用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，保持系統(tǒng)的直流母線電壓的相對(duì)穩(wěn)定對(duì)整個(gè) 系統(tǒng)的正常運(yùn)行十分重要。
[0003] 目前，為了消除直流母線電壓的不穩(wěn)定，一般采用的方式是增加直流母線的電容。 但是，增加的電容不僅體積大、而且重量大，在復(fù)雜的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中，增加電容 往往會(huì)過多占用系統(tǒng)中有限的空間，并且會(huì)徒增船舶負(fù)重，導(dǎo)致資源浪費(fèi)。
[0004] 此外，從維護(hù)的角度來說，在配電網(wǎng)中定位一個(gè)短路電容也是相當(dāng)困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定 控制方法，使得系統(tǒng)直流母線電壓能夠穩(wěn)定在預(yù)期水平。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定 控制方法，包括:根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器，其中，系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器將 異步推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值?與直流母線電壓V d。相關(guān)聯(lián);獲取系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息;根 據(jù)系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息以及系統(tǒng)要求，確定出系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器的候選控制輸入、約 束條件、以及整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù);讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，并基于當(dāng)前狀態(tài)和約束條件求解整體 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，從候選控制輸入中確定最優(yōu)控制輸入，根據(jù)最優(yōu)控制輸入更新系統(tǒng)控制輸 入和系統(tǒng)狀態(tài)，不斷更新的系統(tǒng)狀態(tài)能夠使系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)期水平。
[0007] 進(jìn)一步地，步驟S1中，異步推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值2：與直流母線電壓Vd。的關(guān)聯(lián)關(guān) 系式：
，其中，T，s為機(jī)械負(fù)載所需的理想轉(zhuǎn)矩值， 爐&是經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波后的直流母線電壓，η和τ為時(shí)變連續(xù)參數(shù)，通過調(diào)節(jié)η和τ可改善 系統(tǒng)負(fù)阻抗特性。
[0008] 進(jìn)一步地，濾波器的傳遞函數(shù)為。 r(6 + 1)
[0009] 進(jìn)一步地，步驟S3中，候選控制輸入為η和τ，約束條件為τε [0，1]，ne [1，10]，整 體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為ηι?η(|^ -匕I)，其中，Vbus = F(X，η，τ)，i = F(x,?, Γ)為船舶綜合電力推 進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，X是系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量，/為直流母線電壓參考值。
[0010]進(jìn)一步地，步驟S4中，采用樹搜索算法對(duì)整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。
[0011]本發(fā)明的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，將異步推進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與直流母線電壓Vd。進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并在此基礎(chǔ)上建立系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器。針對(duì) 實(shí)際的系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息，再結(jié)合系統(tǒng)的控制要求，可確定出系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器的 候選控制輸入、約束條件以及整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。繼而，在讀取到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)后，基于該 當(dāng)前狀態(tài)對(duì)具體的整體優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解，以獲得系統(tǒng)在已知約束條件范圍內(nèi)的最優(yōu)控制 輸入，之后，將該最優(yōu)控制輸入修正為系統(tǒng)當(dāng)前控制輸入，且將致使整體優(yōu)化函數(shù)達(dá)到最優(yōu) 的系統(tǒng)狀態(tài)更新為系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，即，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)移。通過不斷地更新系統(tǒng)狀態(tài)，以及不斷 地對(duì)系統(tǒng)控制輸入進(jìn)行修正，使得系統(tǒng)直流母線電壓能夠在一個(gè)不斷修正的動(dòng)態(tài)過程中穩(wěn) 定在預(yù)期水平。
[0012] 因此，本發(fā)明提供的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，能夠使 得系統(tǒng)直流母線電壓能夠穩(wěn)定在預(yù)期水平。
【附圖說明】
[0013] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法流 程圖；
[0014] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0015] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)結(jié)構(gòu)框圖；
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面通過具體的實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明，但是，應(yīng)當(dāng)理解為，這些實(shí)施例僅僅是 用于更詳細(xì)具體地說明之用，而不應(yīng)理解為用于以任何形式限制本發(fā)明。
[0017] 結(jié)合圖1，本實(shí)施例提供的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，具 體步驟包括：
[0018] 步驟S1:根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器，其中，系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器將 異步推進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值2^與直流母線電壓V d。相關(guān)聯(lián)；
[0019] 步驟S2:獲取系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息；
[0020] 步驟S3:根據(jù)系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息以及系統(tǒng)要求，確定出系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器 的候選控制輸入、約束條件、以及整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；
[0021] 步驟S4:讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，并基于當(dāng)前狀態(tài)和約束條件求解整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)， 從候選控制輸入中確定最優(yōu)控制輸入，根據(jù)最優(yōu)控制輸入更新系統(tǒng)控制輸入和系統(tǒng)狀態(tài)， 不斷更新的系統(tǒng)狀態(tài)能夠使系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)期水平。
[0022] 結(jié)合圖3,本發(fā)明的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，在圖2的 基礎(chǔ)上，將異步推進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值與直流母線電壓V dc進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并在此基礎(chǔ)上建 立系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器。針對(duì)實(shí)際的系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息，再結(jié)合系統(tǒng)的控制要求，可 確定出系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器的候選控制輸入、約束條件以及整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。繼而，在讀 取到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)后，基于該當(dāng)前狀態(tài)對(duì)具體的整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，以獲得系統(tǒng) 在已知約束條件范圍內(nèi)的最優(yōu)控制輸入，之后，將該最優(yōu)控制輸入修正為系統(tǒng)當(dāng)前控制輸 入，且將致使整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)狀態(tài)更新為系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，即，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn) 移。通過不斷地更新系統(tǒng)狀態(tài)，以及不斷地對(duì)系統(tǒng)控制輸入進(jìn)行修正，使得系統(tǒng)直流母線電 壓能夠在一個(gè)不斷修正的動(dòng)態(tài)過程中穩(wěn)定在預(yù)期水平內(nèi)。
[0023] 因此，本發(fā)明提供的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，能夠使 得系統(tǒng)直流母線電壓能夠穩(wěn)定在預(yù)期水平。
[0024] 優(yōu)選地，結(jié)合圖3所示，步驟S1中，異步推進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值< 與直流母線電 壓Vd。的關(guān)聯(lián)關(guān)系式戈其中，T，s為機(jī)械負(fù)載所需的 dc
… ^ 理想轉(zhuǎn)矩值，^。是經(jīng)過濾波器進(jìn)行濾波后的直流母線電壓，η和τ為時(shí)變連續(xù)參數(shù)，通過調(diào)節(jié) !!和1可改善系統(tǒng)負(fù)阻抗特性。此外，需要說明的是，公式= 中所出現(xiàn)的符號(hào)d為 dt τ 微分算子的表示符號(hào)，例如，?/匕是對(duì)I的微分表述，此為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的表述方 式。
[0025] 本實(shí)施例通過將異步推進(jìn)電機(jī)10的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值2：與直流母線電壓Vdc采用上述的 關(guān)聯(lián)關(guān)系式進(jìn)行關(guān)聯(lián)，由于異步推進(jìn)電機(jī)10的理想功率P de3S= c〇imT，s，其中ωιη是異步推進(jìn) 電機(jī)10的轉(zhuǎn)速，于是異步推進(jìn)電機(jī)10的瞬時(shí)功率輸入值為：

4。也就是說，異步推進(jìn)電機(jī)10的瞬時(shí)功率會(huì)隨著I 和η的變化而發(fā)生 V ./r ) 變化，也即是，異步推進(jìn)電機(jī)10的瞬時(shí)功率會(huì)隨著η和τ的變化而有所變化。如此，既可以確 保系統(tǒng)的直流母線電壓保持穩(wěn)定，又可以有效改善系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的恒功率負(fù)載的負(fù)阻抗特 性，從而減緩了異步推動(dòng)電機(jī)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成的影響。
[0026] 進(jìn)一步優(yōu)選地，濾波器的傳遞函數(shù)為本實(shí)施例中，濾波器的傳遞函數(shù)為 7^，也即是說，是采用一階濾波器對(duì)直流母線電壓進(jìn)行濾波，這樣，一方面可以起到濾 波效果，另一方面又不至于使得問題變得太復(fù)雜。此外，一階濾波器中的系數(shù)采用的是關(guān)聯(lián) 系數(shù)τ，可以在一定程度上減少計(jì)算復(fù)雜度。再者，需要提及的是，該一階濾波器中出現(xiàn)的S 是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的傳遞函數(shù)表述符號(hào)。
[0027] 進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟S3中，候選控制輸入為η和τ的若干組取值，約束條件為τε [0， l]，ne[l，l0]，整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為 min( )，其中，Vbus = F (X，η，τ)，i = Rx, //, Γ)為 船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，x是系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變量，為直流母線電壓參考值。τ (丁^[0，1])及11(11^[1，10])為時(shí)變連續(xù)，通過改變這兩個(gè)控制輸入的值，可以不斷修正系 統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。需要說明的是，關(guān)于η和τ的約束條件可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求而有所不同。
[0028] 在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)檢查到系統(tǒng)沒有恢復(fù)或性能未達(dá)到要求時(shí)，本發(fā)明實(shí) 施例提供的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法將反復(fù)對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn) 行更新，并不斷修正控制輸入中η和τ的值，直到系統(tǒng)達(dá)到要求。例如，對(duì)于使用某個(gè)算法生 成的滿足約束條件的若干組(例如5組)控制輸入η和τ，結(jié)合系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)以及直流母線電 壓參考值fCt，此時(shí)，通過對(duì)船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的求解，這5組控制輸入η和τ 可以對(duì)應(yīng)求解出5個(gè)Vbus的值，其中，使得整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)最小的那一組控制輸入η和τ將 被修正為當(dāng)前控制輸入，且這一組最優(yōu)的控制輸入所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)將被更新為當(dāng)前系統(tǒng) 狀態(tài)。此外，當(dāng)這個(gè)更新過的系統(tǒng)狀態(tài)依舊不能滿足要求時(shí)，將又一次進(jìn)行最優(yōu)控制輸入的 選擇，并將狀態(tài)進(jìn)行更新，直到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)達(dá)到預(yù)定要求，則暫時(shí)停止更新。
[0029] 此外，需要說明的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型 描述為± = F(x，《)，其中，X表示系統(tǒng)狀態(tài)變量，u表示控制輸入。本實(shí)施例對(duì)原有模型進(jìn)行 改進(jìn)后，在已有微分方程的基礎(chǔ)上加入兩個(gè)控制變量η和τ，即，將數(shù)學(xué)模型變成 i二F(nr)，也就是說，經(jīng)過本實(shí)施例改進(jìn)后的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型也可以理解為 X = ).，其中 Unew = UU[T Π ]。
[0030] 進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟S4中，采用樹搜索算法對(duì)整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。此時(shí)， 船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型i 中，X是根據(jù)樹搜索算法獲得的系統(tǒng)內(nèi)部狀 態(tài)變量。采用樹搜索算法，在得到系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)后，系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器以所獲得的系統(tǒng)當(dāng) 前狀態(tài)作為起始點(diǎn)，在滿足約束條件的基礎(chǔ)上，生成直到預(yù)測(cè)區(qū)間Ν為止的所有可達(dá)的系統(tǒng) 狀態(tài)樹，也就是說，基于預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)所有可行的控制輸入，生成所有可達(dá)的系統(tǒng)狀態(tài)樹，再 從中選出使得整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)的狀態(tài)作為系統(tǒng)最新狀態(tài)，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。需要 說明的是，本實(shí)施例對(duì)整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的求解方法不做具體限定。
[0031] 盡管本發(fā)明已進(jìn)行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的 條件下，可進(jìn)行各個(gè)條件的適當(dāng)變化?？梢岳斫?，本發(fā)明不限于所述實(shí)施方案，而歸于權(quán)利 要求的范圍，其包括所述每個(gè)因素的等同替換。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，其特征在于，包括如下步 驟： 步驟Si:根據(jù)所述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制器，其中，所述系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制 器將異步推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值If與直流母線電壓Vd。相關(guān)聯(lián)； 步驟S2:獲取系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息； 步驟S3:根據(jù)所述系統(tǒng)工況變化/擾動(dòng)信息以及系統(tǒng)要求，確定出所述系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控 制器的候選控制輸入、約束條件、以及整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)； 步驟S4:讀取系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，并基于當(dāng)前狀態(tài)和所述約束條件求解所述整體優(yōu)化目標(biāo) 函數(shù)，從所述候選控制輸入中確定最優(yōu)控制輸入，根據(jù)所述最優(yōu)控制輸入更新系統(tǒng)控制輸 入和系統(tǒng)狀態(tài)，不斷更新的系統(tǒng)狀態(tài)能夠使所述系統(tǒng)的直流母線電壓穩(wěn)定在預(yù)期水平。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，其特征 在于，所述步驟Sl中， 所述異步推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩設(shè)定值2：與所述直流母線電壓Vd。的關(guān)聯(lián)關(guān)系式為,其中，5為機(jī)械負(fù)載所需的理想轉(zhuǎn)矩值，^是經(jīng) 過濾波器進(jìn)行濾波后的直流母線電壓，η和τ為時(shí)變連續(xù)參數(shù)，通過調(diào)節(jié)η和τ可改善系統(tǒng)負(fù) 阻抗特性。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，其特征 在于，所述濾波器的傳遞函數(shù)為4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，其特征 在于，所述步驟S3中， 所述候選控制輸入為η和τ的若干組取值； 所述約束條件為Te[〇，i]，ne[i，i〇]; 所述整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為-1^1); 其中，￥^=?(^11，1)4 = /^(^幻為所述船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型^是系統(tǒng) 內(nèi)部狀態(tài)變量，Kls為直流母線電壓參考值。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制方法，其特征 在于，步驟S4中，采用樹搜索算法對(duì)所述整體優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解。
【文檔編號(hào)】H02J1/00GK105932660SQ201610347465
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】劉勝, 朱琬璐, 張?zhí)m勇, 李冰, 劉洪丹
【申請(qǐng)人】哈爾濱工程大學(xué)