复合储能装置、控制系统和控制方法与流程

1.本发明涉及直流配电型船舶电力推进系统技术领域，更具体地涉及一种复合储能装置、控制系统和控制方法。


背景技术：

2.在船舶动力领域中，直流配电型电力推进系统因其体积小、重量轻、便于接入新能源、控制灵活以及节能特性好等诸多优点被广泛地使用。在直流电力推进系统中，通常采用柴油发电机作为原动机，通过共直流母线传输功率，经过逆变器调制后以给驱动电机等负载装置提供功率。
3.驱动电机具有更好的调速性能，同时还能在逆变器的协助下实现制动功率的回馈，但是这会产生更大的负载动态，对功率的响应要求更高，然而由于柴油机受固有调速特性及机械转动惯量的影响，很可能无法满足功率变化的需求。具体地，由于推进负载的激增或突卸可能会导致母线电压的急速跌落或上升，此外，在制动过程中，为了将推进器转速迅速降低甚至调为反转，反向励磁力矩会使得驱动电机处于发电状态，在短时间内能够产生回馈能量提升母线电压。受整流器或逆变器等电子装置的结构或设计的限制，母线电压过低可能会使得相应的负载得不到足够的功率影响使用甚至失电重启，母线电压过高能够会损坏负载甚至烧坏电路。
4.因此，需要提供一种复合储能装置、控制系统和控制方法，以至少部分地解决上述问题。


技术实现要素：

5.在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。
6.根据本发明的第一方面，本发明提供了一种复合储能装置，所述复合储能装置包括：
7.输入端和输出端，所述输入端和所述输出端之间依次串联有第一igbt模块、第二igbt模块、第三igbt模块和第四igbt模块；
8.第一支撑电容c1，所述第一支撑电容c1连接在所述第二igbt模块和所述第三igbt模块之间的连接处与所述输入端之间；
9.第二支撑电容c2，所述第二支撑电容c2连接在所述第二igbt模块和所述第三igbt模块之间的连接处与所述输出端之间；以及
10.储能电路，所述储能电路连接在所述第一igbt模块和所述第二igbt模块之间的连接处与所述第三igbt模块和所述第四igbt模块之间的连接处之间，所述储能电路上设置有第一电抗器l1。
11.可选地，所述储能电路还包括与所述第一电抗器l1串联的蓄能装置ess。
12.可选地，所述蓄能装置ess包括锂电池和超级电容中的至少一个。
13.可选地，所述输入端设置有第二电抗器l2；并且/或者
14.所述输出端设置有第三电抗器l3。
15.可选地，所述复合储能装置用于连接至直流配电型船舶电力推进系统中的直流母线。
16.可选地，所述直流母线连接有发电装置，所述直流母线和所述发电装置之间设置有推进逆变器；并且/或者
17.所述直流母线连接有驱动电机，所述直流母线和所述驱动电机之间设置有推进逆变器。
18.根据本发明所提供的复合储能装置，可用于设置在直流配电型船舶电力推进系统中的直流母线上，能够在直流母线产生大动态负载和因制动产生回馈能量的过程中稳定直流母线的电压，使得动态调整率不大于10％，静态调整率不大于5％，相应时间不大于100ms，充分保障直流配电系统的供电可靠性、安全性与连续性。
19.根据本发明的第二方面，本发明提供了一种控制系统，所述控制系统用于控制根据本发明的第一方面的所述复合储能装置，所述控制系统包括：
20.第一电压检测装置，所述第一电压检测装置用于获取所述输入端和所述输出端之间的机端电压测量值；
21.第二电压检测装置，所述第二电压检测装置用于获取所述第一支撑电容c1和所述第二支撑电容c2之间的第一电压差值δv
c
；
22.第一电流检测装置，所述第一电流检测装置用于获取所述第一电抗器l1的电流测量值；
23.pi控制器；
24.方向模块；
25.记忆单元；以及
26.控制模块，所述控制模块用于接收并处理所述控制系统中给定的数据，并且调整所述第一igbt模块、所述第二igbt模块、所述第三igbt模块和所述第四igbt模块的占空比给定值。
27.根据本发明的第三方面，本发明提供了一种控制方法，所述控制方法用于根据本发明的第二方面的控制系统，所述控制方法包括：
28.获取所述第一支撑电容c1和所述第二支撑电容c2之间的第一电压差值δv
c
和所述第一电抗器l1的电流测量平均值i0，输出具有方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*；
29.获取机端电压给定值v
bus
*和机端电压测量平均值v
bus
之间的第二电压差值，输出恒压控制占空比修正值δd'*；
30.获取所述具有方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*和所述恒压控制占空比修正值δd'*，输出分别用于所述第一igbt模块、所述第二igbt模块、所述第三igbt模块和所述第四igbt模块的多个占空比给定值。
31.可选地，所述获取所述第一支撑电容c1和所述第二支撑电容c2之间的第一电压差值δv
c
和所述第一电抗器l1的电流测量平均值i0，输出具有方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*，包括：
32.获取所述第一电压差值δv
c
，输出均压控制占空比调整量δd
vc
*；
33.获取所述电流测量平均值i0，输出所述电流测量平均值i0的方向；以及
34.获取所述均压控制占空比调整量δd
vc
*和所述电流测量平均值i0的方向，输出所述具有方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*。
35.可选地，所述获取机端电压给定值v
bus
*和机端电压测量平均值v
bus
之间的第二电压差值，输出恒压控制占空比修正值δd'*，包括：
36.获取机端电压给定值v
bus
*和机端电压测量平均值v
bus
之间的第二电压差值，输出电流给定值i0*；
37.获取所述电流给定值i0*和所述电流测量平均值i0之间的电流差值，输出恒压控制占空比给定值δd*；
38.获取所述恒压控制占空比给定值δd*与占空比初始值d0之间的和值，输出恒压控制占空比修正值δd'*。
39.可选地，所述获取所述具有方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*和所述恒压控制占空比修正值δd'*，输出分别用于所述第一igbt模块、所述第二igbt模块、所述第三igbt模块和所述第四igbt模块的多个占空比给定值，包括：
40.获取所述恒压控制占空比修正值δd'*与所述均压控制占空比调整量δd
vc
'*之间的差值，输出用于所述第二igbt模块的占空比给定值δd2*；
41.取反所述用于第二igbt模块的占空比给定值δd2*以得到并输出用于所述第一igbt模块的占空比给定值δd1*；
42.获取所述恒压控制占空比修正值δd'*与所述均压控制占空比调整量δd
vc
'*之间的和值，输出用于所述第三igbt模块的占空比给定值δd3*；
43.取反所述用于第三igbt模块的占空比给定值δd3*以得到并输出用于所述第四igbt模块的占空比给定值δd4*。
44.可选地，还包括：
45.获取功率给定调整量电压给定调整量和记忆单元的输出值相加后的功率和值，输出机端电压给定值v
bus
*。
46.可选地，还包括：
47.获取机端电压测量平均值v
bus
与额定电压u
e
的第三电压差值，输出第一电压给定调整量
48.可选地，还包括：
49.获取机端测得功率值p与功率给定值p*的第一功率差值，输出第二电压给定调整量
附图说明
50.本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。
51.附图中：
52.图1为根据本发明的一个实施方式的直流配电型电力推进系统中部分直流母线的
结构示意图；
53.图2为根据本发明的一个实施方式的复合储能装置的拓扑图；
54.图3为根据本发明的一个实施方式的用于复合储能装置的控制系统的控制方法的原理图；
55.图4为根据本发明的一个实施方式的基于下垂控制的复合储能装置的瞬时能量的控制方法的原理图；
56.图5为根据本发明的一个实施方式的对电压给定调整量的控制方法的原理图；以及
57.图6为根据本发明的一个实施方式的对功率给定调整量的控制方法的原理图。
具体实施方式
58.在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
59.为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明的复合储能装置、控制系统和控制方法。显然，本发明的施行并不限于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
60.应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。
61.现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。
62.在船舶动力领域中，为了满足航行和作业的冗余和可靠性需求，往往会设置多个发电装置，每个发电装置都设置有与之对应的直流母线，而且这些直流母线根据需求也会直接连接部分负载，以使得即使部分直流母线发生断路，这些发电装置依然能够为与之对应的直流母线上的负载提供能量。将直流母线分段与其他的多个直流母线分段，能够共同组成船舶直流电网，从而为船舶上的负载提供电能，其中，发电装置的推进逆变器能够将各个发电装置输出的电能转化为相同的电压或电流，从而实现供能。
63.如图1所示，在根据本发明的一个实施方式的直流母线101上设置有发电装置103和驱动电机111，本实施方式中的发电装置103可以包括柴油发动机和推进逆变器，具体地，柴油发动机产生的电能经由推进逆变器转化为直流电流传输至直流母线101。驱动电机111与直流母线101之间还设置有另一个推进逆变器110，驱动电机111能够通过推进逆变器110
从直流母线101接收电能，其中，推进逆变器110能够将直流母线101传输而来的直流电转化为交流电传输给驱动电机，从而使得驱动电机111输出机械能。例如，驱动电机111可以为吊机、各类泵等负载提供动力。图1中的直流母线101还设置有母线联络线缆112和馈出线102，母线联络线缆112以用于将直流母线101与其他直流母线连接，馈出线102以用于为其他负载提供电能。
64.本实施方式中，如图1所示，直流母线101上还设置有基于锂电池的锂电池储能装置104和基于超级电容的超级电容储能装置107。其中，锂电池储能装置104包括锂电池组106和双向直流变流装置105，超级电容储能装置107包括超级电容组109和双向直流变流装置108。锂电池的容量较大，通常可达100wh/kg以上，可以为船舶提供较长时间的电能，但是其功率密度较低，充放电电流倍率一般都不超过1c(即1小时充电或放电完毕)，过大的电流可能影响电池的寿命和安全性。超级电容的功率密度较大，可在十几秒内充满或释放存储的能量；但是其能量密度较低，一般只有锂电池的30％或更低。通过这样的设置方式，能够利用同时利用锂电池和超级电容的技术优势，提高直流母线供能的稳定性。在双向dc设备的支持下，超级电容、锂电池可以迅速响应直流母线上的大动态负荷突变，吸收制动回馈能量，稳定母线电压，保障供电安全。
65.锂电池储能装置104和超级电容储能装置107中分别包括锂电池组106和超级电容组109，它们中的双向直流变流装置的结构类似，其主要是在功率和储能侧的工作电压范围不同。因此，锂电池储能装置104和超级电容储能装置107的整体上可以看作是结构相似的复合储能装置。
66.图2为根据本发明的一个实施方式的复合储能装置的拓扑图，其示出了复合储能装置的结构，该复合储能装置具有输入端和输出端，输入端用于连接至直流母线的正极，输出端用于连接至直流母线的负极。在输入端和输出端之间依次串联有第一igbt模块s1、第二igbt模块s2、第三igbt模块s3和第四igbt模块s4。可以理解的是，这些igbt模块的设置方向相同。igbt模块具有高耐压、高输入阻抗、低导通压降和开关速度快的优点，可用于高直流电压的变流系统。将这些igbt模块依次串联能够增大复合储能装置可接受的电压，根据设置需求，最大可接受高达5000v的电压。其中，第一igbt模块s1、第二igbt模块s2和第三igbt模块s3、第四igbt模块s4分别组成半桥结构，两个半桥结构成级联型结构。在第二igbt模块s2和第三igbt模块s3之间的连接处和输入端之间连接有第一支撑电容c1，在第二igbt模块s2和第三igbt模块s3之间的连接处和输出端之间连接有第二支撑电容c2，优选地，第一支撑电容c1和第二支撑电容c2可用于平波。其中，igbt(insulated gate bipolar transistor)为绝缘栅双极型晶体管。
67.此外，还设置有储能电路，如图2所示，储能电路连接在第一igbt模块s1和第二igbt模块s2之间的连接处与第三igbt模块s3和第四igbt模块s4之间的连接处之间，储能电路上设置有第一电抗器l1。储能电路能够存储直流母线传输至复合储能装置中的电能，例如因制动装置产生的回馈能量，同时能够在直流母线中的电能不足时，能够将存储的电能补偿给直流母线。具体地，如图2所示，储能电路还包括与第一电抗器l1串联的蓄能装置ess。优选地，蓄能装置ess可以为锂电池组或者超级电容组，第一电抗器l1可以为低压侧电抗器，以用于平波。也就是说，当蓄能装置ess为锂电池组时，该复合储能装置为锂电池储能装置，当蓄能装置ess为超级电容组时，该复合储能装置为超级电容储能装置。
68.根据本发明所提供的复合储能装置，可用于设置在直流配电型船舶电力推进系统中的直流母线上，能够在直流母线产生大动态负载和因制动产生回馈能量的过程中稳定直流母线的电压，使得动态调整率不大于10％，静态调整率不大于5％，相应时间不大于100ms，充分保障直流配电系统的供电可靠性、安全性与连续性。
69.进一步地，在输入端设置有第二电抗器l2，在输出端设置有第三电抗器l3。第二电抗器l2和第三电抗器l3可以分别设置在高压侧的正极和负极，能够抑制电流纹波，优选地，第二电抗器l2和第三电抗器l3可以用于平波。
70.根据本发明的第二方面，还提供了一种控制系统，该控制系统用于控制根据本发明的第一方面的复合储能装置。该控制系统包括第一电压检测装置、第二电压检测装置、第一电流检测装置、pi控制器、方向模块、记忆单元和控制模块。
71.在本发明的一个实施方式中，第一电压检测装置用于获取复合储能装置中的输入端和输出端之间的机端电压测量值；第二电压检测装置用于获取第一支撑电容c1和第二支撑电容c2之间的第一电压差值δv
c
；第一电流检测装置用于获取第一电抗器l1的电流测量值；pi控制器用于接收控制系统中给定的数据，例如可以接收电压差值或者电流差值等，输出与之相对应的数据；方向模块用于获取控制系统中给定的数据的方向，例如可以获取电压或者电流的方向，记忆单元用于模拟功率，具体地用于模拟直流母线中所有负载的实时功率；控制模块则用于接收并处理控制系统中获取的以及给定的各种数据，并且能够根据这些数据及时调整第一igbt模块s1、第二igbt模块s2、第三igbt模块s3和第四igbt模块s4的占空比的数值，保证复合储能装置中输出功率的稳定性，进入稳定母线的输出电压。
72.通过本实施方式中的控制系统，能够对复合储能装置的工作状态进行监测和控制，并能够根据监测的数据和给定的数据调整igbt模块中的占空比数值，以用于提高所连接的直流母线的电压的稳定性，提高供电系统的稳定性。
73.根据本发明的第三方面，提供了一种控制方法，该控制方法用于控制根据本发明的第二方面的控制系统，以实现对根据本发明的第一方面的复合储能装置的控制，最终能够达到稳定所连接的直流母线的电压的效果。
74.在本发明的一个实施方式中，该控制方法是利用控制系统对复合储能装置进行控制，具体地，该控制方法包括：
75.s1：获取第一支撑电容c1和第二支撑电容c2之间的第一电压差值δv
c
和第一电抗器l1的电流测量平均值i0，输出具有方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*。
76.示例性地，可通过根据本发明的第二方面的控制系统中的第二电压检测装置获取第一电压差值δv
c
，然后通过根据本发明的第二方面的控制系统中的第一电流检测装置获取第一电抗器l1的电流测量值，利用控制系统获取对应的电流测量平均值i0。之后，如图3所示，pi控制器301获取第一电压差值δv
c
并经过计算后输出均压控制占空比调整量δd
vc
*，电流测量平均值i0依次经过滤波模块302和方向模块303后确定其方向，切换开关根据电流测量平均值i0的方向确定均压控制占空比调整量δd
vc
*的方向，由此最终获取带方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*。其中，滤波模块302可以为低通滤波器。
77.s2：获取机端电压给定值v
bus
*和机端电压测量平均值v
bus
之间的第二电压差值，输出恒压控制占空比修正值δd'*。
78.示例性地，机端电压给定值v
bus
*为该复合储能装置常态工作状态下的电压，但是
在实际工作状态下，直流母线中的电压随时会发生变化，此时可以通过根据本发明的第二方面的控制系统中的第一电压检测装置实时检测复合储能装置两端的电压，并利用控制系统获取对应的机端电压测量平均值v
bus
。之后，如图3所示，将机端电压给定值v
bus
*和机端电压测量平均值v
bus
作差以得到第二电压差值，pi控制器304获取第二电压差值并通过计算输出电流给定值i0*。然后控制系统将电流给定值i0*与电流测量平均值i0作差后输出至pi控制器305，pi控制器305获取该差值后通过计算输出恒压控制占空比给定值δd*，之后控制系统将该恒压控制占空比给定值δd*与占空比初始值d0求和得到恒压控制占空比修正值δd'*。其中，占空比初始值d0为复合储能装置中的多个igbt模块初始工作状态下的占空比数值。
79.之后，控制系统利用得到的恒压控制占空比修正值δd'*和带方向的均压控制占空比调整量δd
vc
'*计算得出用于igbt模块的多个不同的占空比调整值。示例性地，将恒压控制占空比修正值δd'*与均压控制占空比调整量δd
vc
'*作差得出用于第二igbt模块s2的占空比给定值δd2*；取反用于第二igbt模块s2的占空比给定值δd2*以得出用于所述第一igbt模块s1的占空比给定值δd1*；恒压控制占空比修正值δd'*与均压控制占空比调整量δd
vc
'*求和得出用于所述第三igbt模块s3的占空比给定值δd3*；取反用于第三igbt模块s3的占空比给定值δd3*以得出用于所述第四igbt模块s4的占空比给定值δd4*。
80.根据本实施方式中的控制方法，通过改变多个igbt模块的占空比给定值调节复合储能装置中的电流，最终稳定直流母线中的电压。
81.复合储能装置的工作状况会随着实际负载的改变而变化，因此，其机端电压给定值也可以根据实际工况进行调整。本实施方式中还包括：
82.获取功率给定调整量电压给定调整量和记忆单元的输出值相加后的功率和值，输出机端电压给定值v
bus
*。
83.示例性地，如图4所示，根据复合储能装置的工作状态，控制系统获取初始给定的功率给定调整量和电压给定调整量同时控制系统中的记忆单元根据直流母线的工作状况实时模拟直流母线中的负载的功率。控制系统获取功率给定调整量电压给定调整量和记忆单元401的输出值相加后的功率和值，并将该和值传输给限幅模块402，限幅模块402由此输出给定调整量该给定调整量一般不超过额定电压的5％，而且输出的给定调整量是百分比形式的数值，之后将该数值与额定电压u
e
相乘后得到功率给定值p*，该功率给定值p*与复合储能装置的下垂系数θ
droop
相乘后得到机端电压给定值v
bus
*，由此根据直流母线上输出功率的不同，调整复合储能装置的电压输出值，最终实现了下垂控制。可以理解的是，上述控制方法可以由脉冲驱动模块403控制执行，以实现周期性控制，其中步长为0.4至1秒。
84.在本实施方式中，还提供了用于确定电压给定调整量的控制方法。该控制方法包括：
85.获取机端电压测量平均值v
bus
与额定电压u
e
的第三电压差值，输出第一电压给定调整量
86.示例性地，如图5所示，通过第一电压检测装置获取复合储能装置中的输入端和输出端之间的机端电压测量平均值v
bus
，控制模块将该机端电压测量平均值v
bus
与额定电压u
e
作差得到第三电压差值。控制模块将该第三电压差值传输至方向模块501以确定该差值的方向，再将该差值传输至幅值比较模块502以与电压偏差给定值比较大小。示例性地，当该差值的绝对值大于或者等于电压偏差给定值时，幅值比较模块502的输出值为1，否则输出值为0。方向模块501将获取的方向值输送至多路选择模块，同时幅值比较模块502的输出值将作为多路选择模块的输出值。示例性地，当幅值比较模块502的输出值为1时，多路选择模块将输出方向模块的方向值；当幅值比较模块502的输出值为0时，多路选择模块将输出常数值(例如0)。之后，多路选择模块的输出值与百分比形式的电压调整步长相乘，最终得到电压给定调整量
87.在本实施方式中，还提供了用于确定功率给定调整量的控制方法。该控制方法包括：
88.获取机端测得功率p与功率给定值p*的第一功率差值，输出第二电压给定调整量
89.示例性地，如图6所示，利用控制系统获取复合储能装置的机端测得功率值p，控制系统将该机端测得功率值p与功率给定值p*作差后得到第一功率差值。控制系统将该第一功率差值传输至方向模块601以确定该差值的方向，再将该差值传输至幅值比较模块602以与功率偏差给定值比较大小，其中，当该差值的绝对值大于或者等于功率偏差给定值时，幅值比较模块602的输出值为1，否则输出值为0。方向模块601将获取的方向值输送至多路选择模块，同时幅值比较模块602的输出值将作为多路选择模块的输出值。示例性地，当幅值比较模块602的输出值为1时，多路选择模块将输出方向模块的方向值；当幅值比较模块602的输出值为0时，多路选择模块将常数值(例如0)。之后，多路选择模块的输出值与百分比形式的功率调整量步长相乘，最终得到功率给定调整量
90.可以理解的是，图1中的部分直流母线除了设置基于锂电池和超级电容的储能装置，还可以设置其他多个复合储能装置，组成复合储能形式。通过调整储能装置的功率给定值p*即可实现对运行输出功率的调整。设定值为负值时，可实现反向对储能装置的充电。通过调整储能装置的下垂系数θ
droop
可实现对瞬时功率的分配比例的调整。θ
droop
越小，代表功率特性越硬，在瞬时功率调整过程中，承担更大的功率；θ
droop
越大，代表功率特性越软，在瞬时功率调整过程中，承担较小的功率。
91.本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。