[发明专利]一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法

权利要求书

1.一种基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法，所述混合动力船舶的两组动力源分别为柴油发电机组和锂电池组；柴油发电机组的交流电流经过AC/DC装置转换成直流电到直流母盘，与通过DC/DC装置的电池组的直流电流合并到直流母盘，通过逆变器供电给推进电机带动螺旋桨的运转；其特征在于所述基于频率法的混合动力船舶的能量管理方法包括以下步骤：

步骤一、将负载电流分为高低频分量

通过一个低通滤波器把负载电流分成高频和低频成分；高频和低频成分根据其动态性能分配给直流母线的连接源，高频分量HF分配到锂电池，低频分量LF分配到柴油发电机组；表达式为：

式中I_ch表示负载电流，I_busbatref表示负载电流的高频分量，I_redref表示负载电流的低频分量；

步骤二、控制高频部分

低通滤波器的时间常数为0.32s，参考电流从降/升压变换器的输入和输出之间的电力平衡中估计如下表达式所示，I_busbatref从低通滤波器中获得；

式中I_batref表示电池的参考电流，V_bus表示直流总线的端电压，V_bat表示电池的端电压；

为了获得无干扰情况下的最小静态误差，选择R_bat(Z^-1)，T_bat(Z^-1)和S_bat(Z^-1)作为降/升压变换器的多项式矫正器，表达式为：

电流的控制参量从下列表达式中估计得到，L_bat表示电流的平滑电感，T_e是采样周期，ω_bat表示控制电流的带宽，f_d表示变换器控制频率；

降压操作如(5)所示，在(6)中表示成升压模式，用来调PWM信号，即Q1和Q2，Q1和Q2为升压和降压的PWM信号；

式中α_buck表示降压系数，α_boost表示升压系数，V_Lbat表示电感两端的电压；

电流控制回路中，高频分量I_batref从(2)中获得，如果电流控制回路在运行，可变速的柴电组就可以确保负载电流的低频分量；

步骤三、控制直流总线电压

为了控制直流总线电压，需要两个控制回路，第一个是基于滞后控制回路的电流反馈，第二个是电压控制回路，参考电流I_qref在q轴从直流总线电压控制回路中获得，在d轴的参考电流I_dref固定为0来得到功率因素为1，为了获得无干扰情况下的最小静态误差，下列的多项式控制器用于直流总线的电压控制；

从闭合回路的分析中得到这些控制器的系数如(8)所示，C_T表示直流母线电压平滑电容器的电容值，T_e是采样周期，ω_v表示电流控制的带宽，f_d是转换器的控制频率，值为2kHz；C为直流总线电容值，C_bat为电池电容值；

步骤四、控制柴油机速度

柴油机转速Ω_mref估计参考(9)，其中燃油表达式多项式系数如下，d₀＝0.2571 d₁＝-0.2167，d₂＝3.8907，d₃＝-7.2361，d₄＝6.4012，d₅＝-2.1081；

在这个方程中，Q_m是燃料供应指数，是根据柴油机所要得到的功率来的，T_D1是一个为了限制涡轮响应速度的时间常数，T_D2是一个时间常数0.02s与扭矩变化的周期相一致，发电机的额定功率是P_n＝400KW；T_mref表示柴油机转矩，ω_ref表示角速度，P为极对数；V_busref为总线电压参考值，K_Dm为柴油机增益，s为拉普拉斯变量；

选定的多项式R_D(Z^-1)，T_D(Z^-1)，和S_D(Z^-1)具有最小的静态误差，接近于无扰动的情况如(7)所示，从柴油机转速的闭合回路分析中获得最终参数如(10)所示，T_e表示采样周期，值为100μs，ω_a是速度控制的带宽，J是总的转动惯量，f_v是摩擦系数；J_g为发电机的惯性矩，J_d为柴油机的惯性矩；