船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法
【专利摘要】本发明提供一种船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，该方法包括：根据系统的结构建立系统模型预测控制器，其中，系统模型预测控制器将异步推进电机的转矩设定值Te*与直流母线电压Vdc相关联；获取系统工况变化/扰动信息；根据系统工况变化/扰动信息以及系统要求，确定出系统模型预测控制器的候选控制输入、约束条件、以及整体优化目标函数；读取系统当前状态，并基于当前状态和约束条件求解整体优化目标函数，从候选控制输入中确定最优控制输入，根据最优控制输入更新系统控制输入和系统状态，不断更新的系统状态能够使系统的直流母线电压稳定在预期水平。
【专利说明】
船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法。
【背景技术】
[0002] 船舶中通常使用综合电力推进系统，保持系统的直流母线电压的相对稳定对整个 系统的正常运行十分重要。
[0003] 目前，为了消除直流母线电压的不稳定，一般采用的方式是增加直流母线的电容。 但是，增加的电容不仅体积大、而且重量大，在复杂的船舶综合电力推进系统中，增加电容 往往会过多占用系统中有限的空间，并且会徒增船舶负重，导致资源浪费。
[0004] 此外，从维护的角度来说，在配电网中定位一个短路电容也是相当困难。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题是提供一种船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定 控制方法，使得系统直流母线电压能够稳定在预期水平。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定 控制方法，包括:根据系统的结构建立系统模型预测控制器，其中，系统模型预测控制器将 异步推进电机的转矩设定值?与直流母线电压V d。相关联;获取系统工况变化/扰动信息;根 据系统工况变化/扰动信息以及系统要求，确定出系统模型预测控制器的候选控制输入、约 束条件、以及整体优化目标函数;读取系统当前状态，并基于当前状态和约束条件求解整体 优化目标函数，从候选控制输入中确定最优控制输入，根据最优控制输入更新系统控制输 入和系统状态，不断更新的系统状态能够使系统的直流母线电压稳定在预期水平。
[0007] 进一步地，步骤S1中，异步推进电机的转矩设定值2：与直流母线电压Vd。的关联关 系式：
，其中，T，s为机械负载所需的理想转矩值， 炉&是经过滤波器进行滤波后的直流母线电压，η和τ为时变连续参数，通过调节η和τ可改善 系统负阻抗特性。
[0008] 进一步地，滤波器的传递函数为。 r(6 + 1)
[0009] 进一步地，步骤S3中，候选控制输入为η和τ，约束条件为τε [0，1]，ne [1，10]，整 体优化目标函数为ηι?η(|^ -匕I)，其中，Vbus = F(X，η，τ)，i = F(x,?, Γ)为船舶综合电力推 进系统的数学模型，X是系统内部状态变量，/为直流母线电压参考值。
[0010]进一步地，步骤S4中，采用树搜索算法对整体优化目标函数进行求解。
[0011]本发明的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，将异步推进电机的 转矩设定值与直流母线电压Vd。进行关联，并在此基础上建立系统模型预测控制器。针对 实际的系统工况变化/扰动信息，再结合系统的控制要求，可确定出系统模型预测控制器的 候选控制输入、约束条件以及整体优化目标函数。继而，在读取到系统当前状态后，基于该 当前状态对具体的整体优化函数进行求解，以获得系统在已知约束条件范围内的最优控制 输入，之后，将该最优控制输入修正为系统当前控制输入，且将致使整体优化函数达到最优 的系统状态更新为系统当前状态，即，实现状态转移。通过不断地更新系统状态，以及不断 地对系统控制输入进行修正，使得系统直流母线电压能够在一个不断修正的动态过程中稳 定在预期水平。
[0012] 因此，本发明提供的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，能够使 得系统直流母线电压能够稳定在预期水平。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明实施例提供的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法流 程图；
[0014] 图2是本发明实施例提供的船舶综合电力推进系统的传统结构框图；
[0015] 图3是本发明实施例提供的船舶综合电力推进系统的改进结构框图；
【具体实施方式】
[0016] 下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是 用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
[0017] 结合图1，本实施例提供的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，具 体步骤包括：
[0018] 步骤S1:根据系统的结构建立系统模型预测控制器，其中，系统模型预测控制器将 异步推进电机10的转矩设定值2^与直流母线电压V d。相关联；
[0019] 步骤S2:获取系统工况变化/扰动信息；
[0020] 步骤S3:根据系统工况变化/扰动信息以及系统要求，确定出系统模型预测控制器 的候选控制输入、约束条件、以及整体优化目标函数；
[0021] 步骤S4:读取系统当前状态，并基于当前状态和约束条件求解整体优化目标函数， 从候选控制输入中确定最优控制输入，根据最优控制输入更新系统控制输入和系统状态， 不断更新的系统状态能够使系统的直流母线电压稳定在预期水平。
[0022] 结合图3,本发明的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，在图2的 基础上，将异步推进电机10的转矩设定值与直流母线电压V dc进行关联，并在此基础上建 立系统模型预测控制器。针对实际的系统工况变化/扰动信息，再结合系统的控制要求，可 确定出系统模型预测控制器的候选控制输入、约束条件以及整体优化目标函数。继而，在读 取到系统当前状态后，基于该当前状态对具体的整体优化目标函数进行求解，以获得系统 在已知约束条件范围内的最优控制输入，之后，将该最优控制输入修正为系统当前控制输 入，且将致使整体优化目标函数达到最优的系统状态更新为系统当前状态，即，实现状态转 移。通过不断地更新系统状态，以及不断地对系统控制输入进行修正，使得系统直流母线电 压能够在一个不断修正的动态过程中稳定在预期水平内。
[0023] 因此，本发明提供的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，能够使 得系统直流母线电压能够稳定在预期水平。
[0024] 优选地，结合图3所示，步骤S1中，异步推进电机10的转矩设定值< 与直流母线电 压Vd。的关联关系式戈其中，T，s为机械负载所需的 dc
… ^ 理想转矩值，^。是经过滤波器进行滤波后的直流母线电压，η和τ为时变连续参数，通过调节 !!和1可改善系统负阻抗特性。此外，需要说明的是，公式= 中所出现的符号d为 dt τ 微分算子的表示符号，例如，?/匕是对I的微分表述，此为本领域技术人员所公知的表述方 式。
[0025] 本实施例通过将异步推进电机10的转矩设定值2：与直流母线电压Vdc采用上述的 关联关系式进行关联，由于异步推进电机10的理想功率P de3S= c〇imT，s，其中ωιη是异步推进 电机10的转速，于是异步推进电机10的瞬时功率输入值为：
4。也就是说，异步推进电机10的瞬时功率会随着I 和η的变化而发生 V ./r ) 变化，也即是，异步推进电机10的瞬时功率会随着η和τ的变化而有所变化。如此，既可以确 保系统的直流母线电压保持稳定，又可以有效改善系统所呈现出的恒功率负载的负阻抗特 性，从而减缓了异步推动电机对系统稳定性造成的影响。
[0026] 进一步优选地，滤波器的传递函数为本实施例中，滤波器的传递函数为 7^，也即是说，是采用一阶滤波器对直流母线电压进行滤波，这样，一方面可以起到滤 波效果，另一方面又不至于使得问题变得太复杂。此外，一阶滤波器中的系数采用的是关联 系数τ，可以在一定程度上减少计算复杂度。再者，需要提及的是，该一阶滤波器中出现的S 是本领域技术人员公知的传递函数表述符号。
[0027] 进一步优选地，步骤S3中，候选控制输入为η和τ的若干组取值，约束条件为τε [0， l]，ne[l，l0]，整体优化目标函数为 min( )，其中，Vbus = F (X，η，τ)，i = Rx, //, Γ)为 船舶综合电力推进系统的数学模型，x是系统内部状态变量，为直流母线电压参考值。τ (丁^[0，1])及11(11^[1，10])为时变连续，通过改变这两个控制输入的值，可以不断修正系 统的动态性能。需要说明的是，关于η和τ的约束条件可以根据系统的实际需求而有所不同。
[0028] 在整个系统运行过程中，当检查到系统没有恢复或性能未达到要求时，本发明实 施例提供的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法将反复对系统当前状态进 行更新，并不断修正控制输入中η和τ的值，直到系统达到要求。例如，对于使用某个算法生 成的满足约束条件的若干组(例如5组)控制输入η和τ，结合系统当前状态以及直流母线电 压参考值fCt，此时，通过对船舶综合电力推进系统的数学模型的求解，这5组控制输入η和τ 可以对应求解出5个Vbus的值，其中，使得整体优化目标函数最小的那一组控制输入η和τ将 被修正为当前控制输入，且这一组最优的控制输入所对应的系统状态将被更新为当前系统 状态。此外，当这个更新过的系统状态依旧不能满足要求时，将又一次进行最优控制输入的 选择，并将状态进行更新，直到系统当前状态达到预定要求，则暂时停止更新。
[0029] 此外，需要说明的是，本领域技术人员公知的船舶综合电力推进系统的数学模型 描述为± = F(x，《)，其中，X表示系统状态变量，u表示控制输入。本实施例对原有模型进行 改进后，在已有微分方程的基础上加入两个控制变量η和τ，即，将数学模型变成 i二F(nr)，也就是说，经过本实施例改进后的系统数学模型也可以理解为 X = ).，其中 Unew = UU[T Π ]。
[0030] 进一步优选地，步骤S4中，采用树搜索算法对整体优化目标函数进行求解。此时， 船舶综合电力推进系统的数学模型i 中，X是根据树搜索算法获得的系统内部状 态变量。采用树搜索算法，在得到系统当前状态后，系统模型预测控制器以所获得的系统当 前状态作为起始点，在满足约束条件的基础上，生成直到预测区间Ν为止的所有可达的系统 状态树，也就是说，基于预测区间内所有可行的控制输入，生成所有可达的系统状态树，再 从中选出使得整体优化目标函数达到最优的状态作为系统最新状态，进行状态转移。需要 说明的是，本实施例对整体优化目标函数的求解方法不做具体限定。
[0031] 尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的 条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利 要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
【主权项】
1. 一种船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤Si:根据所述系统的结构建立系统模型预测控制器，其中，所述系统模型预测控制 器将异步推进电机的转矩设定值If与直流母线电压Vd。相关联； 步骤S2:获取系统工况变化/扰动信息； 步骤S3:根据所述系统工况变化/扰动信息以及系统要求，确定出所述系统模型预测控 制器的候选控制输入、约束条件、以及整体优化目标函数； 步骤S4:读取系统当前状态，并基于当前状态和所述约束条件求解所述整体优化目标 函数，从所述候选控制输入中确定最优控制输入，根据所述最优控制输入更新系统控制输 入和系统状态，不断更新的系统状态能够使所述系统的直流母线电压稳定在预期水平。2. 根据权利要求1所述的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，其特征 在于，所述步骤Sl中， 所述异步推进电机的转矩设定值2：与所述直流母线电压Vd。的关联关系式为,其中，5为机械负载所需的理想转矩值，^是经 过滤波器进行滤波后的直流母线电压，η和τ为时变连续参数，通过调节η和τ可改善系统负 阻抗特性。3. 根据权利要求2所述的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，其特征 在于，所述滤波器的传递函数为4. 根据权利要求3所述的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，其特征 在于，所述步骤S3中， 所述候选控制输入为η和τ的若干组取值； 所述约束条件为Te[〇，i]，ne[i，i〇]; 所述整体优化目标函数为-1^1); 其中，￥^=?(^11，1)4 = /^(^幻为所述船舶综合电力推进系统的数学模型^是系统 内部状态变量，Kls为直流母线电压参考值。5. 根据权利要求4所述的船舶综合电力推进系统直流母线电压稳定控制方法，其特征 在于，步骤S4中，采用树搜索算法对所述整体优化目标函数进行求解。
【文档编号】H02J1/00GK105932660SQ201610347465
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】刘胜, 朱琬璐, 张兰勇, 李冰, 刘洪丹
【申请人】哈尔滨工程大学