燃料电池船舶混合动力系统能量管理研究综述

在“双碳”目标下,发展燃料电池船舶是实现航运业转型升级和低碳化的重要发展方向之一。面对当前燃料电池上船的诸多问题,混合动力系统成为燃料电池船舶应用的有效解决方案,其能量管理的研究也成为核心研究方向之一。系统梳理燃料电池船舶的发展概况,针对燃料电池船舶多类型能源能量管理中涉及的能量调度问题以及变换器功率分配问题进行综述;分析各类方法的优缺点及其在实船上应用的可能性;探讨燃料电池船舶推广可行性和发展方向,以期能为技术创新和工程应用提供参考。

储能双向DC/DC变换器自适应充放电无缝切换策略

为提高直流微电网内储能单元的动态性能与抗干扰能力,文中提出了一种针对储能双向DC/DC变换器的充放电无缝切换控制策略。该策略根据母线电压高低进行储能单元自适应充放电切换,进而保持母线电压稳定。在此基础上,考虑到双向DC/DC变换器的非线性特征,引入了可通过fal函数在线调节误差反馈系数的非线性无缝电流环,实现了储能双向DC/DC变换器的充放电无缝切换,提高了控制策略的动态性能与鲁棒性。通过仿真和实验验证了该策略的可行性与有效性,在母线电压跌落、陡升与系统参数变化等工况下,均可实现储能单元的充放电无缝切换。

以竞赛为导向的电工电子课程实验教学模式研究

以“电工电子综合型实验技能竞赛”为导向,通过竞赛项目任务发布、实验项目方案设计、理论分析、仿真分析、实操评定、项目总结等环节,实现工程背景下的自主创新型实验教学改革,克服传统验证性实验固有的自主创新效能弱、实验项目与工程应用的映射程度弱、仿真分析与实操训练的紧密度低等缺点。通过引入的实验项目竞赛模式,使学生的创新思维在后续工程项目设计、在项目功能分解、实验仿真、性能优化等实操应用中得到一定程度的强化训练。激发学生自主学习的积极性,提高理论知识综合理解与运用能力,达到以赛促教、以赛促学的良性循环。

基于线路阻抗补偿的直流微源并联均流控制策略

针对直流微电网内微源变流器间的自主均流控制及母线电压的二次跌落问题,提出一种基于线路阻抗补偿的多源均流控制策略,利用改进频率注入法的反馈机制使各变流器总等效下垂系数相等且为最小线路阻抗值,进而获得各变流器线路阻抗的补偿信息;再将主动频率注入法切换至传统下垂控制,利用所得线路阻抗补偿值刷新各变流器下垂系数,从而满足功率精确分配的要求。该方法仅利用变流器本地信息,在保证负荷功率分配精度的同时,有效改善了由频率注入法带来的电能质量问题,同时避免了传统下垂控制造成的母线电压二次跌落问题。利用小信号建模分析了系统的稳定性,同时为验证该策略的控制效果,搭建了相应的直流微电网仿真模型和HIL StarSim实验平台,结果表明所提策略能够有效完成母线电压稳定和负荷功率精确分配的控制目标。

NPC光伏并网逆变器共模电流抑制方法研究

针对中性点钳位(NPC)的非隔离型三相光伏并网逆变器采用传统空间矢量调制(SVPWM)方式时必然产生高频共模电流的问题,提出了两种基于传统三电平SVPWM调制方式的改进方法。在不改变任何硬件拓扑结构的情况下,通过对开关序列和冗余矢量的合理选取及排序,使系统共模电压稳定在V_(PQ)/2,同时引入直流电压外环及有功、无功电流内环协调控制,从而实现系统共模电流的抑制。与传统的三电平正弦调制(SPWM)方式和SVPWM调制方法相比,所提方法具有输出共模电压稳定,共模电流小,同时入网电流谐波含量低的优点。理论分析和仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。

微源逆变器多模式运行协调控制策略研究

针对微源逆变器运行过程中存在的无缝切换及负荷功率分配问题,提出一种新的协调控制策略。该策略由直接电压内环、虚拟阻抗环和功率外环构成,其中直接电压内环采用自适应三阶滑模控制,将逆变器始终控制为电压源,避免运行模式变化时内环控制策略的切换,同时提高逆变器的动态性能和抗干扰性能;在分析逆变器闭环等效阻抗及其对功率分配影响机理的基础上,针对不同功率等级逆变器设计虚拟阻抗系数,使其输出阻抗呈阻性并满足功率分配的要求;最后利用下垂特性分别设计功率外环,从而实现并网运行时基于下垂控制的间接恒功率控制和离网运行时的无线对等控制。仿真和实验结果验证了控制策略的有效性。

基于参数自适应的直流微源虚拟发电机控制策略

针对分布式电源波动及负载功率突变引起直流微电网母线电压大幅波动的问题,传统虚拟直流电机控制通过模拟直流电机外特性,可抑制母线电压波动,但动态响应较差。对此,提出一种参数自适应的虚拟直流发电机控制策略。以Buck/Boost变换器作为研究对象,结合下垂控制将虚拟直流发电机应用于多变换器并联系统中。建立其小信号模型,分析关键控制参数变化对系统稳定性的影响,并给出惯性系数和阻尼系数自适应调节方程。最后,搭建仿真模型及StarSim HIL实验平台。结果表明所提控制策略在有效抑制直流母线电压波动的同时,使系统具有较快的动态响应速度。

直流微电网多源并联自主均流控制策略

实现微源间负荷电流的精确分配及母线电压的无差调节是直流微电网重要的控制目标,但由于线路阻抗及低速通信的存在,传统下垂控制很难同时满足均流及稳定性的要求。提出一种基于低频低幅值交流信号注入的多源并联自主均流控制策略,在各变流器直流输出上注入交流小信号,并使其频率与输出直流电流产生频率–电流下垂特性,利用产生的无功功率环流调节各变流器输出直流电压,进而在反馈机制下,实现多变流器间的并联控制及负荷电流的精确分配;在此基础上,利用限幅及负阻抗环节,提出一种改进的母线电压补偿方法,进一步降低了由于线路阻抗造成的电压跌落,该方法无需互联通信线,无需改变硬件结构,易于实现;最后利用小信号建模,分析了控制策略的稳定性和动态性能。仿真和实验验证了所提方法的可行性和有效性。

基于低频电流注入的船舶直流微电网线路阻抗检测

下垂控制是船舶直流微电网中一种实现系统能量分配的有效方法。在传统下垂控制中,系统内各微源之间线路阻抗不一致,导致各分布式微源承担的功率也不一致,严重时微源直流变换器甚至出现过载故障。为了解决船舶直流微电网中由线路阻抗引起的负载均流精度问题,提出利用低频注入来检测线路阻抗的方法。通过在电感电流上注入低频交流信号,检测注入后的变换器电压、电流信息,利用傅里叶变换求得线路阻抗值,进一步补偿下垂系数。该方法可以提高微电网系统直流母线电压质量,改善直流变换器并联均流时的负载均分效果,对系统稳定运行影响小。最后仿真结果验证了该方法的有效性。

一种直流微电网多光伏变换器新型功率分配策略

为了解决光伏单元在运行过程中因工作模式切换造成的母线电压波动问题,提出一种新型平滑切换控制策略。根据光伏电池的输出特性曲线,将输出功率对输出电流的微分作为控制变量。通过跟踪不同的dp/di指令值来实现光伏单元最大功率点跟踪模式、恒压下垂模式的控制以及两种模式间的平滑切换。在此基础上,针对多光伏变换器工作在恒压下垂控制时因线路阻抗差异造成功率分配精度较低的问题,提出一种基于二次调节的自适应下垂控制策略。此外,构建相邻光伏单元间的稀疏通信网络,并采用动态一致性算法实现相关平均信息的全局稳定收敛。仿真和实验结果表明,所提控制策略可以实现光伏单元工作模式切换过程平滑过渡和负荷功率的精确分配。

模块化双向直流变换器实验平台探索与实践

针对船舶电工学系列课程中电力电子功率变换技术基础知识的自主学习和创新实践,开发出一套开放式功率开关变换技术实验平台。该实验平台由主电路模块、采样及驱动模块、控制系统模块、仿真系统模块等构成,可用于变换器的升降压斩波实验、功率器件特性实验、负载特性实验和创新型实验等实验项目,具有自主学习现代电力电子功率开关变换技术、微处理器技术及自动控制原理的实践教学功能,有利于培养学生独立学习、创新思维的能力。

蓄电池/超级电容混合储能系统协调控制策略

提出一种混合储能系统协调控制策略,利用虚拟阻抗和虚拟电压源,实现混合储能功率分配和超级电容荷电状态(state of charge,SOC)恢复,并有效减少超级电容SOC恢复对功率分配效果的影响。在MATALB/Simulink中仿真验证了所提控制策略的有效性。

结合五电平逆变和功率前馈的光伏并网系统

针对传统单相光伏并网系统中逆变器输出的并网电流谐波畸变率高、动态响应速度慢的缺点,提出一种主拓扑电路的改进方法,在直流母线与全桥逆变电路之间添加辅助电路,组成五电平全桥逆变器,再配合多载波脉宽调制PWM(pulse width modulation)技术,使逆变器具有五级电压输出,从而降低并网电流的谐波含量。同时在传统的控制方法中引入了功率前馈算法,将光伏电池输出功率作为前馈量加入电流内环,使电流环的给定值含有输入功率的信息,提高了并网电流对输入功率发生变化时的响应速度。仿真实验验证了该文提出方法的有效性。

一种双电船舶混合发电单元的有限时间控制器设计

超级电容/锂动力双电船舶中存在着众多级联的电力电子装置和闭环控制的负载变换器,它们都可被视为恒功率负载,其负阻抗特性会放大系统的不稳定,甚至导致整个系统无法正常工作。针对这一问题,提出一种新型有限时间控制器。首先,构建双电船舶直流电力推进系统的数学模型,介绍用于混合发电单元的比例/积分下垂控制。然后,基于有限时间控制理论设计了含双曲正切函数的新型有限时间控制器,通过所设计的有限时间观测器对各类扰动进行观测,并由控制器进行补偿。最后,搭建仿真模型及实验平台,其结果表明,所提控制器可以在保证混合发电单元对母线电压波动分频响应的同时,提高系统带恒功率负载时的大信号稳定性。

基于主动频率注入的直流微电网功率分配策略

针对传统下垂控制在母线电压稳定和输出电流精确分配上存在矛盾的问题,提出了一种基于交流小信号注入的直流微电网自适应虚拟阻抗控制策略。首先,在变换器输出直流电压上叠加低频交流小信号,使注入信号频率与输出电流产生下垂特性,并利用交流有功功率自适应调节虚拟阻抗。然后,设计了切换环节,稳态时切换为下垂控制,利用控制频率得到的稳态虚拟阻抗作为下垂系数,在维持电流精确分配的情况下,消除了交流信号对电能质量的影响,提高了系统的可靠性和可扩展性。最后,通过仿真验证了该方法的有效性。

基于PLC技术的嵌入式视频监控系统设计

随着电力线载波通信技术的发展,基于低压电力线的数据传输速率不断提高,越来越多的人开始关注其应用。提出并设计了一种基于低压电力线载波通信的嵌入式视频监控系统。系统采用ARM+Linux作为视频采集、压缩的软硬件平台,通过由INT5200构成的电力线载波模块与电网相连,并利用电力网络传输实现视频监控系统的网络化管理。实践证明该方案具有一定的可行性,系统能够独立完成视频数据的采集、压缩与传输功能,且在较好的电力环境下效果理想。

船舶微电网源-荷级联系统母线电压振荡有源阻尼抑制策略

为解决船舶微电网源-荷级联系统中LC输入滤波器与恒功率负载CPL(constant power load)引起的母线电压振荡问题,提出一种基于非线性扰动观测器NDO(nonlinear disturbance observer)的虚拟负电感有源阻尼稳定控制策略。首先分析了恒功率负载的负阻抗特性及其能量反馈作用,深入研究了源-荷级联系统低阻尼振荡的机理;详细推导了级联系统的稳定约束条件,进而提出适用于源侧变换器的有源阻尼稳定策略,建立了级联系统小信号阻抗模型,利用奈奎斯特判据进行了稳定性分析。利用非线性扰动观测器摆脱了控制算法对输出电流传感器较强的依赖性,抵消了负阻抗特性对系统稳定性造成的不利影响。最后,通过仿真验证所提控制算法的有效性,并对稳定性分析部分进行了实例论证。

直流微电网储能系统有源阻尼控制策略

为解决直流微电网储能系统中LC输入滤波器与恒功率负载级联所带来的系统谐振问题,提出了一种有源阻尼控制策略。建立了电流控制模式下Buck变换器的小信号模型,并根据Middlebrook阻抗比判据对系统稳定性进行分析,阐明其谐振产生机理。将传统的低通滤波器进行改进,设计了一种谐振滤波器,并在电流环上引入由谐振滤波器和比例控制器组成的电压前馈环节,通过对恒功率负载的负阻抗特性进行补偿,使得级联系统的阻抗比满足Middlebrook阻抗比判据。通过奈奎斯特图对补偿后的系统稳定性进行论证,并通过仿真实验验证了该策略的有效性。

低压电力线信道的决策估计算法研究

OFDM技术以其多种优势成为低压电力线载波通信的最佳选择,信道估计是OFDM系统的关键问题之一。分析了低压电力线信道特性,针对信道慢时变特性及噪声复杂的特点,提出一种适用于低压电力线通信信道的直接决策估计算法。该算法基于Kohonen神经网络,改进了神经元学习率的自适应方法,通过竞争机制实时跟踪信道变化,实现信道估计。仿真结果表明,该信道估计算法能有效地跟踪低压电力线信道特性,降低了系统的误比特率。

基于虚拟频率的直流微电网下垂控制策略

在直流微电网的传统下垂控制中,电路参数及线路阻抗的不一致造成DC-DC变换器下垂特性均存在差异,降低了变换器的均流精度。下垂控制还会造成一定程度的直流母线电压跌落。为了提高直流微电网的控制性能,模拟交流微电网的频率下垂控制机理,提出一种基于虚拟频率的多DC-DC变换器下垂控制方法。在控制器中构造了频率与输出电流成比例的虚拟交流量,利用低带宽通信共享各变换器的虚拟频率并求出平均值。该平均频率及虚拟交流量进一步用于产生虚拟无功功率以调整变换器的电压设定点,协调各变换器输出电流的大小。在不造成母线电压跌落的前提下,提高了多变换器间的负载电流分配精度。利用小信号模型分析虚拟频率下垂控制的闭环稳定性。最后,通过仿真和基于Starsim和dSPACE快速原型样机的实验,验证了该方法的有效性。