深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应阻抗匹配方法技术方案

本发明专利技术公布了深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应阻抗匹配方法包括质子交换膜燃料电池发电单元、储能单元、船舶直流电力推进单元、恒功率负载单元、电阻负载单元、阻抗适配单元6部分。本发明专利技术基于系统幅频裕量与相频裕量设定值，通过预先计算获得有限的船舶工况与氢储单元运行状态，通过与查询获得系统所需等效阻抗值基准，通过对阻抗适配单元中双向Buck直流功率变换器电感电流的控制，实现所需等效阻抗值，以解决以氢燃料电池为动力源的船舶电力系统在船舶工况切换时电力推进单元负阻抗特性造成的高频不稳定问题。本发明专利技术对于提升深远海氢储直流电力推进船舶的直流电力系统稳定性与可靠性具有良好的应用前景。统稳定性与可靠性具有良好的应用前景。统稳定性与可靠性具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应阻抗匹配方法


[0001]本专利技术属于船舶与海洋工程领域与新能源应用领域，具体涉及深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应阻抗匹配方法。

技术介绍

[0002]随着船舶碳排放量对环境影响日益严重，国际对新能源船舶的需求日渐迫切，氢燃料电池以其能量转化效率高、能量密度高、零碳排放、振动噪声低、寿命长等优点成为船舶电力推进装置的最佳选择。氢燃料电池外特性软、动态特性差，故需与储能装置并联，利用储能电池平衡负荷变化引发的功率波动问题，构成船舶氢储电力推进系统，且氢燃料电池不佳的固有特性限制了其仅应用于内河、内湖和近海的游船和游艇及进出港口的散货船和客船，以实现节能减排、提升船舶舒适度、保护港口环境。而深远海的海况相对较复杂，船舶不可避免要面对各种不佳海况，船舶电力推进负载的被动改变突显其随机特性。如何保证氢储电力推进船舶在海况不佳、电力推进负载随机性变化时船舶的正常航行，是氢储电力推进船舶向深远海发展过程中需面对的挑战。
[0003]深远海船舶氢储直流电力推进系统从直流母线侧看，电力系统呈现全电力电子化系统，高频等效阻抗较小，当船舶正常航行时，船舶电力推进系统体现为恒功率负载特性。而船舶电力推进系统属典型高比例负荷，当通过操作控制改变船舶工况时，恒功率负载在工况切换时体现为负阻抗特性，易引起系统等效阻抗的降低，一旦等效阻抗降为零以下，船舶电力系统即因缺少阻尼而造成系统振荡，故需在电力系统中增加阻抗自适应匹配技术，以避免高比例电力推进负载主动式工况切换带来的高频不稳定问题。/>[0004]因此，针对全电力电子化深远海船舶氢储直流电力推进系统中电力推进系统所具有的恒功率负阻抗特性对系统稳定性影响大的问题，从系统小信号稳定域变化规律角度，提出基于系统稳定域边界条件与稳定裕量自适应阻抗匹配方法，提高系统高频稳态特性，保证船舶氢储直流电力系统稳定供电。同时对船舶与海洋领域多能源微网系统长期、可靠运行具有重要理论意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是提供深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应阻抗匹配方法，该方法可以确保在一定稳定裕量的前提下，动态调整所需阻抗值，以提高氢储直流电力推进系统高频稳定性和可靠性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应阻抗匹配方法，包括以下步骤：
[0008]S1：列出m种船舶工况下船舶直流电力推进单元输入阻抗Z
EPi
(i＝1,2,
…
,m)、n种氢储单元运行状态对应输出阻抗Z
FBj
(j＝1,2,
…
,n)，计算出两种阻抗的并联等效阻抗Z
pij
，共有m
×
n种，Z
pij
由式(1)获得：
[0009][0010]S2：根据所设定的系统幅频裕量GM与相频裕量PM值，以及所设定的截止频率ω
c
、穿越频率ω
g
范围，获得阻抗适配单元需要提供的等效阻抗Z
vij
，其幅值与相角由式(2)、(3)确定：
[0011]|Z
vij
(ω
g
)|＝PM
·
|Z
pij
(ω
g
)|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0012]∠Z
vij
(ω
c
)＝180
°
+∠Z
pij
(ω
c
)
‑
GM
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0013]式(2)、(3)中，|Z
vij
(ω
g
)|、|Z
pij
(ω
g
)|分别为Z
vij
、Z
pij
在穿越频率ω
g
处的阻抗幅值，∠Z
vij
(ω
c
)、∠Z
pij
(ω
c
)为Z
vij
、Z
pij
在截止频率ω
c
处的相角。
[0014]S3：列出m
×
n阻抗适配单元输出等效阻抗矩阵Z
v
，根据船舶工况改变后船舶直流电力推进单元输入阻抗Z
EPi
与氢储单元运行工作状态输出阻抗Z
FBj
，通过查询获得对应的Z
vij
，在对阻抗适配单元中双向Buck直流功率变换器的控制下，即可实现系统自适应阻抗的匹配；
[0015][0016]其中，所述对阻抗适配单元中双向Buck直流功率变换器的控制包括以下步骤：
[0017]①
等效阻抗自适应控制：根据船舶工况与氢储单元工作状态获得等效阻抗值基准Z
vij
，通过网侧电压v
bus
及欧姆定律，将等效阻抗转换为等效阻抗电流基准i
z_ref
；
[0018]②
电容电压控制：对超级电容电压直流分量V
dca
与电压设定基准V
dca_ref
进行比较，将其误差值送入电容电压调节器G
vdc
(s)，G
vdc
(s)的输出为双向Buck直流功率变换器流向直流母线侧的电流基准i
c_ref
，i
z_ref
与i
c_ref
的和即为变换器电感电流基准i
a_ref
；
[0019]③
调制波信号生成：电感电流i
a
经反馈环节H
ia
(s)后，获得电感电流反馈i
a_back
，变换器电感电流基准i
a_ref
与电感电流反馈i
a_back
的差值经电流控制器G
ia
(s)后，作为调制波进行脉冲宽度调制，产生的高频斩波信号用以控制双向Buck直流功率变换器中功率开关的通断状态。
[0020]其中，深远海氢储直流电力推进船舶的直流电力系统，包括质子交换膜燃料电池发电单元、储能单元、船舶直流电力推进单元、恒功率负载单元、电阻负载单元和阻抗适配单元；所述质子交换膜燃料电池发电单元和储能单元的输出侧均接入直流母线，所述船舶直流电力推进单元和恒功率负载单元的输入侧均接入直流母线；所述电阻负载单元接至直流母线；所述阻抗适配单元由超级电容器与双向Buck直流功率变换器级联构成，双向Buck直流功率变换器输出侧接至直流母线。
[0021]相较于现有技术，本专利技术所具有的优点和有益效果是：
[0022](1)本专利技术基于系统的稳定域边界条件与稳定裕量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.深远海船舶氢储直流电力推进系统的自适应阻抗匹配方法，其特征在于包括以下步骤：S1：列出m种船舶工况下船舶直流电力推进单元输入阻抗Z
EPi
(i＝1,2,
…
,m)、n种氢储单元运行状态对应输出阻抗Z
FBj
(j＝1,2,
…
,n)，计算出两种阻抗的并联等效阻抗Z
pij
，共有m
×
n种，Z
pij
由式(1)获得：S2：根据所设定的系统幅频裕量GM与相频裕量PM值，以及所设定的截止频率ω
c
、穿越频率ω
g
范围，获得阻抗适配单元需要提供的等效阻抗Z
vij
，其幅值与相角由式(2)、(3)确定：|Z
vij
(ω
g
)|＝PM
·
|Z
pij
(ω
g
)|
ꢀꢀꢀꢀ
(2)∠Z
vij
(ω
c
)＝180
°
+∠Z
pij
(ω
c
)
‑
GM
ꢀꢀꢀꢀ
(3)式(2)、(3)中，|Z
vij
(ω
g
)|、|Z
pij
(ω
g
)|分别为Z
vij
、Z
pij
在穿越频率ω
g
处的阻抗幅值，∠Z
vij
(ω
c
)、∠Z
pij
(ω
c
)为Z
vij
、Z
pij
在截止频率ω
c
处的相角；S3：列出m
×
n阻抗适配单元输出等效阻抗矩阵Z
v
，根据船舶工况改变后船舶直流电力推进单元输入阻抗Z
EPi
与氢储单元运行工作状态输出阻抗Z
FBj
，通过查询获得对应的Z
vij
，再对阻抗适配单元中双...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国玲，胡鑫，张瑞芳，杨荣峰，李振宇，
申请(专利权)人：集美大学，
类型：发明
国别省市：