[发明专利]一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构及控制方法

权利要求书

1.一种基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构，其特征在于，所述直流电网结构，在直流链路上取消大电容存储能量，柴油发电机生成的交流能量通过可控整流变换器变换为直流能量，并通过高开关频率变换器及超级电容来抑制电网侧直流电压波动；所述直流电网结构的具体结构为：直流电网结构按负载分类，分为多个区域，每个区域有两个接口同直流电网相连，连接元件为开关器件；每个区域还包括有超级电容、蓄电池组和直流负载，超级电容通过交错并联变换器接入区域直流子网，蓄电池组通过低开关频率变换器接入区域直流子网；每个直流子网均有一个容值极小的支撑变容，柴油发电机通过交流侧开关器件、MMC变换器、直流母线侧开关器件直接接入直流电网，实现交直流能量转换，整个直流电网电压仅通过各分区区域内的容值极小的支撑变容来支撑，即实现一种直流电网能量弱存储状态；

所述基于能量弱存储的低压船舶直流电网结构的直流电网控制方法，包括预充电、正常运行和故障情况下变换器控制：

1)预充电、正常运行情况下的变换器的控制：

1.1)对于MMC变换器，正常运行时，其能量控制包括交流侧能量控制和直流侧能量控制，预充电状态下，MMC仅有交流侧能量控制，具体通过如下步骤实现：(一)交流侧采用dq解耦的功率控制技术，通过电压和电流传感器获得交流侧柴油发电机端三相电压u_ga,u_gb,u_gc和柴油发电机端三相电流i_ag,i_bg,i_cg；(二)通过锁相环PLL获取交流电网同步相位信息；(三)通过同步旋转坐标分解，并获得电流的d、q轴分量i_d、i_q；(四)对MMC变换器子模块电容电压平均值进行闭环，得到电流有功分量i_d^*；(五)对电流d、q轴分量进行闭环控制，得到MMC变换器交流侧输出电压u_dc，u_qc，经过反坐标变换后得到MMC变换器交流侧三相电压u_ao,u_bo,u_co；(六)正常运行情况下，MMC变换器除了交流侧能量控制还有直流侧控制，直流侧控制量是直流电压U_dc、直流侧电流在电感上的电压及有源阻尼分量的和，有源阻尼分量为直流侧电流i_cir与虚拟电阻R_v通过乘法器相乘；最终MMC每相桥臂输出电压如式(1)所示：

式中，u_acu和u_acd分别为MMC变换器上下桥臂电压，i_acu和i_acd分别为上下桥臂电流，为电感电压，i_cir＝i_acu+i_acd为MMC变换器直流侧电流；

1.2)对于交错并联变换器通过电压和电流双闭环实现对电网电压的平稳控制，其控制步骤为：(一)对直流电网电压信号U_dc进行低通滤波，用U_dc减去低通滤波信号，得到U_dc中的高频谐波分量u_hr；(二)将电压高频谐波分量u_hr送入PI控制器，得到高频补偿电流参考值i_hr；(三)将超级电容电压U_cap与设定电压U_set比较，并把差值送入PI控制器，得到低频的超级电容充电电流参考值i_hf；(四)超级电容输出电流参考值i_cr为高频补偿电流参考值i_hr与超级电容充电电流参考值i_hf之和，即i_cr＝i_hr+i_hf，并对输出电流i_hc通过PI控制器进行控制，得到输出电压控制量u_cap，以此电压调制后控制交错并联变换器；

2)故障情况下变换器控制：

直流线路出现故障情况下，其处理过程为：(一)当MMC变换器、交错并联变换器电流超过限制，且直流电压低于设定阈值，判断出现故障；(二)MMC变换器、交错并联变换器停止运行，直流线路电压瞬间降低到零，各接口处电流也为零，此时断开接口处各开关，对各分区区间电路进行隔离；(三)根据故障前各接口处电流的流向，定位故障位置；(四)没有故障的各分区区间利用各分区区间内的超级电容和蓄电池组对各分区区域供电，建立各分区区域电压；(五)闭合建立好电压的各区间的接口处开关，恢复直流电网供电。