专利名称：电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多能源电动船舶的电源组合及推进控制系统，特别是一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，即以发电机组和取用岸电的动力蓄电池组相结合的电油混合能源全电动船舶的、交直流电源直接并联运行的间接型矩阵控制的电站系统，和采用间接型矩阵变换器与直接转矩变频控制相结合的组合式控制策略的推进控制系统叠加形成的间接型矩阵控制系统。
背景技术：
混合动力电动汽车具有环保节能和行驶里程较大的优势。混合动力电动船舶具有同样的特性和特殊的用途，例如科学测量船舶、具体为一种经常性频繁进行水文测量的船舶，需要静音工作环境和较大的续航力，以及能够在流水和风浪中定位于一点、或以极低的航速运行的性能，以适应于水文测量的需求。显然，采用热力机推进和发电机组供电都不能实现静音目的，而蓄电池电动船舶缺乏大续航力，唯有电油混合全电动船舶可达到其双重目标。电力推进具有定位航行和低速性能，且能以蓄电池工作于测量工况，而以有噪声的发电机组用于其它工况，从而可同时兼顾静音测量环境和大续航力双重需求，对蓄电池充电可引用岸电，也可采用船电，后者虽然效率低一点，但测量时间不长、而静音环境成为主要矛盾，且双重技术目的得以实现。然而难题在于混合能源中以燃油为能源的柴油发电机组为交流电，因为发电机交流化是成熟的水陆发电技术，而蓄电池为直流电，两者如何配套和控制？显然将交流电整流为直流电，再转换为交流电的交-直-交方式是一种工作模式，然而由于控制过程必须经过整流滤波环节，所以直流环节需要较大的储能电感或电容器而耗能高且体积较大。
发明内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，可以实现交流电与直流电的高效对接和并联运行；并且采用间接型矩阵变换器与直接转矩控制策略相结合，构成组合式控制策略，实现对于推进电动机高效节能的变频无级调速控制。形成混合能源电动船舶优化的电站构成方案和推进控制方式、以及电站与推进控制两者优化配套的总体方案。为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是:一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，包括:三相交流柴油发电机组、间接型矩阵变换器、动力蓄电池组、双向PWM开关、三相交流推进电动机、螺旋桨、直接转矩控制变频器、开关换流控制器、速度传感器、充电机，三相交流柴油发电机组与间接型矩阵变换器的输入端AC/DC变换器相连，三相交流推进电动机与间接型矩阵变换器的输出端DC/AC变换器相连，且与螺旋桨机械相连，间接型矩阵变换器的虚拟直流环节箝位电路与双向PWM开关相连，双向PWM开关与动力蓄电池组相连，开关换流控制器与间接型矩阵变换器的输入端AC/DC变换器和输出端DC/AC变换器的开关控制线路相连，直接转矩控制变频器与开关换流控制器、三相交流柴油发电机组、三相交流推进电动机以及速度传感器相连，速度传感器与推进电动机机械相连，具有接交流岸电插口的充电机与动力蓄电池组相连。所述的间接型矩阵变换器为采用间接空间矢量调制算法的间接型矩阵变频控制器，采用虚拟整流和虚拟逆变相结合的方式进行控制。所述的间接型矩阵变换器的开关低频传递函数矩阵T可表示为两部分的乘积AB，即:T=AB;且B与矩阵输入三相相电压基波矩阵Uiph的乘积为常数C，即:BUiph=C ；而A与常数的乘积为矩阵输出线电压基波矩阵Uw即:AC=Uol ；可得:UoL=TUiph = ABUiph=AC,其中 C 为常数；Uiph和Uti分别为下式:
权利要求1.一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，包括:三相交流柴油发电机组(I)、间接型矩阵变换器(2 )、动力蓄电池组(3 )、双向PWM开关(4)、三相交流推进电动机(5)、螺旋桨(6)、直接转矩控制变频器(7)、开关换流控制器(8)、速度传感器(9)、充电机(10)，其特征是:三相交流柴油发电机组(I)与间接型矩阵变换器(2)的输入端AC/DC变换器相连，三相交流推进电动机(6)与间接型矩阵变换器(2)的输出端DC/AC变换器相连，且与螺旋桨(7)机械相连，间接型矩阵变换器(2)的虚拟直流环节箝位电路与双向PWM开关(4)相连，双向PWM开关(4)与动力蓄电池组(3)相连，开关换流控制器(8)与间接型矩阵变换器(2)的输入端AC/DC变换器和输出端DC/AC变换器的开关控制线路相连，直接转矩控制变频器(7)与开关换流控制器(8)、三相交流柴油发电机组(I)、三相交流推进电动机(5)以及速度传感器(9 )相连，速度传感器(9 )与推进电动机(6 )机械相连，具有接交流岸电插口的充电机(10)与动力蓄电池组(3)相连。
2.根据权利要求1所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的间接型矩阵变换器(2)为采用间接空间矢量调制算法的间接型矩阵变频控制器，采用虚拟整流和虚拟逆变相结合的方式进行控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的间接型矩阵变换器(2)的开关低频传递函数矩阵T可表示为两部分的乘积AB，即:T=AB; 且B与矩阵输入三相相电压基波矩阵Uiph的乘积为常数C，即: BUiph=C ； 而A与常数的乘积为矩阵输出线电压基波矩阵UoL，即: AC=Uol ； 可得:UQL=TUiph=ABUiph=AC，其中 C 为常数； Uiph和Uol分别为下式: Cos(O)i t)cos( o)J -φο+ 30。)Uiph -Uim cos(叫-120°) UoL-^Uom cos(aj -φ。+ 3Oc -120°)cos(fi^ + 12Cr)CQS(G)J - φ。+30° +120。) 式中: Uim是输入相电压幅值； Wi是输入电压角频率； Uom是输出相电压幅值； ω。是输出电压角频率； 扒是输出电压与输入电压的相位差。
4.根据权利要求1所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的间接型矩阵变换器(2)中包括: 由6对两两反并联的逆阻式绝缘栅双极晶体管RB-1GBT构成的6个双向开关，组成一个双向可逆的三相桥式电路，与6个带反并联二极管的绝缘栅双极晶体管IGBT组成的三相桥式逆变电路共同构成RB-1GBT逆阻式双级矩阵变换器。
5.根据权利要求1所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的间接型矩阵变换器(2)中包括: 由6个串联有二极管的IGBT组成的三相桥式电路、与6个带反并联二极管的IGBT组成的三相桥式逆变电路共同构成的稀疏矩阵变换器。
6.根据权利要 求4或5所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:在AB两部分连接部位的虚拟直流环节上并联一个由小容量电容器和一个二极管组成的箝位电路，且将其箝位电路并联于双向PWM开关(4)与动力蓄电池组(3)的串联电路上、并控制其电路的极性保持与蓄电池一致而恒定不变。
7.根据权利要求6所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的直接转矩控制变频器(7)中，在电动机定子坐标系中，将三相对称的定子系统等效变换为相互垂直的两相系统的矢量关系，通过检测定子电压或者直流供电母线电压和定子电流，直接计算出电动机的磁链和转矩，再利用两个滞环比较器，直接实现对定子磁链和转矩的解耦控制的变频器； 直接转矩控制变频器(7)与开关换流控制器(8)、三相交流柴油发电机组(I)、三相交流推进电动机(5 )和速度传感器(9 )相连，将速度传感器(9 )由三相交流推进电动机(5 )获得的转速信号反馈于直接转矩控制变频器(7)，形成速度闭环控制系统而追踪给定速度，并通过检测间接型矩阵变换器(2)的输入端AC/DC变换器的电压和输出端DC/AC变换器的电流，获得三相交流推进电动机(5)的定子电压和电流值，来形成直接转矩变频控制信号，且输入到开关换流控制器(8)，与间接型矩阵变换器(2)的控制信号叠加，由开关换流控制器(8)控制间接型矩阵变换器(2)，实现对于三相交流推进电动机(5)的直接转矩变频控制和间接式矩阵控制的组合式控制，构成交流电动机的间接型矩阵变换器——直接转矩控制系统。
8.根据权利要求1所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的双向PWM开关(4)包括开关主电路和PWM控制器，开关主电路是由两个反向并联的逆阻式绝缘栅双极晶体管RB-1GBT和一个PWM控制器组成的一个双向可控功率开关，PWM控制器与RB-1GBT晶体管的控制线路相连，双极晶体管RB-1GBT的一端接在间接型矩阵变换器(2)的箝位电路的正极上、另一端接在动力蓄电池组(3)的正极上，动力蓄电池组(3)的负极与箝位电路的负极相连，控制双向PWM开关(4)可正反双向接通和断开动力蓄电池组(3)与矩阵变换器(2)的虚拟直流侧的连接，使动力蓄电池组(3)参与供电、接受充电和处于关断状态，并采用PWM脉宽调制法控制其放电和充电电流的大小。
9.根据权利要求1所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的动力蓄电池组(3)采用多组可快速充放电的磷酸铁钒锂动力蓄电池，作为进行船舶推进的静音电源或能量源使用，动力蓄电池组(3)与充电机(9)相连，其正极与双向PWM开关(4)的一端相连，负极接到间接型矩阵变换器(2)的箝位电路的负极上。
10.根据权利要求1所述的一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，其特征是:所述的推进电动机(6)为正弦波驱动的永磁无刷同步电动机。
专利摘要一种电油混合能源转换电驱动船舶的间接型矩阵控制系统，三相交流柴油发电机组与间接型矩阵变换器的输入端AC/DC变换器相连，三相交流推进电动机与间接型矩阵变换器的输出端DC/AC变换器相连，间接型矩阵变换器的虚拟直流环节箝位电路与双向PWM开关相连，双向PWM开关与动力蓄电池组相连，开关换流控制器与间接型矩阵变换器的输入端AC/DC变换器和输出端DC/AC变换器的开关控制线路相连，直接转矩控制变频器与开关换流控制器、三相交流柴油发电机组、三相交流推进电动机以及速度传感器相连，充电机与动力蓄电池组相连。本实用新型可以实现交流电与直流电的高效对接和并联运行；实现对于推进电动机高效节能的变频无级调速控制。
文档编号H02P21/00GK203039635SQ20132004733
公开日2013年7月3日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者庞志森, 王文忠, 庞明 申请人:庞志森, 王文忠, 张大中, 庞明, 宜昌发中船务有限公司