用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器及其控制方法技术

本发明专利技术针对脉冲负载船舶电能质量问题提出了一种统一电能质量调节器(UPQC)及其控制方法。装置包括：串联补偿单元、并联补偿单元和超级电容储能单元。串联和并联补偿单元下层采用五电平三角波比较控制、上层采用BP神经网络优化PI参数，以解决船舶电网中的电压和电流质量问题；超级电容储能单元采用电压外环、电流内环的双闭环PI控制，PI参数也用BP神经网络优化，以满足脉冲负载的能量变化需求，维持直流侧电压的稳定，保证串、并联补偿单元的正常工作。所提出的分层控制方法，能够在开关元件频率固定的基础上，实现不同工况下的电压和电流跟踪，加快了系统的响应速度，提高了系统的鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器及其控制方法
本专利技术涉及船舶电能质量领域，具体涉及一种用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器及其控制方法。
技术介绍
在现代船舶上，高能武器、电磁发射装置和相控雷达等特殊的脉冲负载的应用越来越广泛，呈现的脉冲性瞬态特性明显。这类负载的特点是平均功率低，峰值功率大，因此不仅在设备启动和关闭时对供电系统有冲击作用，在正常运行时也相当于在供电系统中反复突增和突卸负荷，使得电流大幅度频繁变化，给整个电力系统带来较大的冲击。目前，解决脉冲负载冲击问题的方法主要有：增大系统惯性、对储能系统的控制策略进行优化以及加入补偿装置。对于容量有限的船舶电网而言，脉冲负载的能量密度和功率密度都非常大，若像陆地电网一样仅靠系统惯性，是难以抵御负载突变时的冲击的。统一电能质量调节器(UPQC)作为一种功能集成化的综合电能质量治理装置，既能像动态电压恢复器(DVR)、不间断电源(UPS)等解决电压质量问题，也能像有源电力滤波器(APF)、静止无功功率发生器(STATCOM)等解决电流质量问题。常规的UPQC多是采用两电平的结构，通过串联和并联补偿单元输出高电平或低电平，来实现电压和电流的补偿，其直流侧通过电容来维持电压的稳定，采用的控制方法有SPWM控制、滞环比较PWM控制等。而以上所述UPQC多面向陆地电网且电网中仅带有常规负载，在容量较小且带有大功率脉冲负载的船舶电网中，能量变化更加频繁和剧烈，对电压和电流补偿的精度要求也更高，采用两电平结构的UPQC可能会出现过补偿和欠补偿的现象，且直流侧电压仅依靠电容来维持稳定，其充放电速度难以满足脉冲负载的能量需求。另外在控制策略上，由于补偿信号也会随着脉冲负载发生大幅波动，采用SPWM控制时，难以选择合适的载波幅值，若调制比过小，会引入高次谐波，若调制比过大，会引入低次谐波；采用滞环比较控制时，开关元件的频率不固定，补偿信号的跟随性能受环宽的影响较大。因此，将常规的UPQC直接用在带有脉冲负载的船舶电网中难以起到较好的调节作用。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器及其控制方法，能够以兼具精度和实时性的方式对船舶电网中的电压和电流质量问题进行补偿，同时能够很好地适应由脉冲负载引起的频繁、大幅能量变化。本专利技术的技术方案如下：一种用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器，包括：串联补偿单元、并联补偿单元、超级电容储能单元。UPQC采用左串右并的三相三线制结构，即串联补偿单元交流侧经LC滤波后通过变压器串联在电网与负荷之间，用于补偿电源侧电压的波动和畸变，并联补偿单元交流侧通过LC滤波后并联到负载前端，用于补偿负载引起的电流畸变和谐波。直流侧为串联和并联补偿单元共用，由四个电容串联联结进行稳压。每个电容两端并联一个超级电容储能单元，以实现超级电容组和直流侧的能量交换，维持直流侧电容电压的稳定，保证UPQC工作在稳定的状态。本专利技术充分考虑了脉冲负载在船舶中电能质量问题更加突出的特点，将串、并联补偿单元设计成五电平的结构能够降低各个开关管需要承受的电压值和开关频率，并有效地降低谐波含量，减少脉冲负载对船舶电网造成的谐波污染。基于五电平的串、并联补偿单元，每一相桥臂由8个IGBT、8个续流二极管、6个钳位二极管、4个均压电容构成。假设直流侧的电压为Ed，8个IGBT从上到下依次T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8，IGBT的工作状态与交流侧输出电压的关系见表1。表1IGBT工作状态与交流侧输出电压的关系另外，针对脉冲负载瞬时功率高、开关周期小的问题，在常规的UPQC中增加了超级电容储能单元，通过维持直流侧电容电压的稳定，来保证UPQC串、并联单元的正常工作，实现根据脉冲负载的工作状态，补偿系统所需的能量或吸收系统多余的能量，平抑脉冲负载带来的持续能量波动。超级电容储能单元的系统组成是将多个超级电容单体并联成超级电容组作为储能设备，通过DC/DC双向变换器实现超级电容模组与直流侧的能量流动。变换器工作在Buck模式时，超级电容组吸收直流侧的能量；变换器工作在Boost模式时，超级电容组向直流侧释放能量。另外，提供构成泄放电路，当直流侧电压高于超级电容组容量或开关管的耐压值时，提供泄放回路，避免设备损坏。本专利技术同时提供了上述用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器的控制方法，串联和并联补偿单元下层采用五电平三角波比较控制、上层采用BP神经网络对PI参数进行优化；超级电容储能单元采用电压外环、电流内环的双闭环PI控制，两组PI参数也由BP神经网络来确定。利用神经网络能够逼近任意非线性函数的能力，根据补偿量的变化实时调整PI参数，开关元件的频率是固定的，方便滤除谐波含量，保证不同工况下的电压和电流跟踪，既能够实现快速的动态响应，还能提高系统的鲁棒性，满足脉冲负载对船舶电网的电流电压控制要求。具体步骤如下：S1、当使用串联补偿单元进行电压补偿时，通过以下步骤保证负载电压具有稳定的幅值和良好的正弦特性：S101、检测船舶电网端的三相电源电压VSa、VSb、VSc，串联补偿单元实际输出电压VCa、VCb、VCc；S102、根据当前电源电压VSa、VSb、VSc，采用基于Park变换的方法计算出所需要的补偿电压参考值Vrefa、Vrefb、Vrefc，电源电压、补偿电压参考值和负载正常工作电压的关系为VS+Vref＝VL；S103、用Vrefa、Vrefb、Vrefc分别减去串联补偿单元相应的实际输出电压VCa、VCb、VCc，其误差记为ea(k)、eb(k)、ec(k)；S104、建立BP神经网络，网络结构为6个输入节点、6个隐层节点、6个输出节点，输入节点依次为ea(k-1)、ea(k)、eb(k-1)、eb(k)、ec(k-1)、ec(k)，输出节点依次为A相PI调节器的参数KPa和KIa、B相PI调节器的参数KPb和KIb以及C相PI调节器的参数KPc和KIc，隐含层和输出层的激活函数分别为tanh和sigmoid函数，取损失函数为J＝ea(k+1)2/2+eb(k+1)2/2+ec(k+1)2/2，通过误差反向传播过程来调整网络参数，从而求出最合适的PI参数；S105、将ea(k)、KPa和KIa，eb(k)、KPb和KIb，ec(k)、KPc和KIc，分别送入3个PI调节器得到A、B、C三相的电压调节信号ΔVa、ΔVb、ΔVc；S106、采用五电平PWM生成串联补偿单元中各IGBT的开关信号，将两电平PWM中三角载波的幅值缩小到原来的一半，然后分别向上平移1/2和1/4个单位，得到两条载波R1和R2，再向下平移1/2和1/4个单位，得到两条载波R3和R4，若ΔV＞R1，则从上到下第1～4个IGBT导通，串联侧输出电压+0.5Vd；若R1＞ΔV＞R2，则第2～5个IGBT导通，串联侧输出电压+0.25Vd；若R2＞ΔV＞R3，则第3～6个IGBT导通，串联侧输出电压0；若R3＞ΔV＞R4，则第4～7个IGBT导通，串联侧输出电压-0.25Vd；若Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器，其特征在于包括：串联补偿单元、并联补偿单元、超级电容储能单元，UPQC采用左串右并的三相三线制结构，即串联补偿单元交流侧经LC滤波后通过变压器串联在电网与负荷之间，并联补偿单元交流侧通过LC滤波后并联到负载前端，串联和并联补偿单元都设计成五电平电压型逆变器结构，每一相桥臂由8个IGBT、8个续流二极管、6个钳位二极管、4个均压电容构成，直流侧为串联和并联补偿单元共用，由四个电容串联联结，每个电容两端并联一个超级电容储能单元，通过DC/DC双向变换器连接直流侧和超级电容组。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器，其特征在于包括：串联补偿单元、并联补偿单元、超级电容储能单元，UPQC采用左串右并的三相三线制结构，即串联补偿单元交流侧经LC滤波后通过变压器串联在电网与负荷之间，并联补偿单元交流侧通过LC滤波后并联到负载前端，串联和并联补偿单元都设计成五电平电压型逆变器结构，每一相桥臂由8个IGBT、8个续流二极管、6个钳位二极管、4个均压电容构成，直流侧为串联和并联补偿单元共用，由四个电容串联联结，每个电容两端并联一个超级电容储能单元，通过DC/DC双向变换器连接直流侧和超级电容组。


2.权利要求1所述的用于脉冲负载船舶的统一电能质量调节器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、当使用串联补偿单元进行电压补偿时，通过以下步骤保证负载电压具有稳定的幅值和良好的正弦特性：
S101、检测船舶电网端的三相电源电压VSa、VSb、VSc，串联补偿单元实际输出电压VCa、VCb、VCc；
S102、根据当前电源电压VSa、VSb、VSc，采用基于Park变换的方法计算出所需要的补偿电压参考值Vrefa、Vrefb、Vrefc，电源电压、补偿电压参考值和负载正常工作电压的关系为VS+Vref＝VL；
S103、用Vrefa、Vrefb、Vrefc分别减去串联补偿单元相应的实际输出电压VCa、VCb、VCc，其误差记为ea(k)、eb(k)、ec(k)；
S104、建立BP神经网络，网络结构为6个输入节点、6个隐层节点、6个输出节点，输入节点依次为ea(k-1)、ea(k)、eb(k-1)、eb(k)、ec(k-1)、ec(k)，输出节点依次为A相PI调节器的参数KPa和KIa、B相PI调节器的参数KPb和KIb以及C相PI调节器的参数KPc和KIc，隐含层和输出层的激活函数分别为tanh和sigmoid函数，取损失函数为J＝ea(k+1)2/2+eb(k+1)2/2+ec(k+1)2/2，通过误差反向传播过程来调整网络参数，求出最合适的PI参数；
S105、将ea(k)、KPa和KIa，eb(k)、KPb和KIb，ec(k)、KPc和KIc，分别送入3个PI调节器得到A、B、C三相的电压调节信号ΔVa、ΔVb、ΔVc；
S106、采用五电平PWM生成串联补偿单元中各IGBT的开关信号，将两电平PWM中三角载波的幅值缩小到原来的一半，然后分别向上平移1/2和1/4个单位，得到两条载波R1和R2，再向下平移1/2和1/4个单位，得到两条载波R3和R4，若ΔV＞R1，则从上到下第1～4个IGBT导通，串联侧输出电压+0.5Vd；若R1＞ΔV＞R2，则第2～5个IGBT导通，串联侧输出电压+0.25Vd；若R2＞ΔV＞R3，则第3～6个IGBT导通，串联侧输出电压0；若R3＞ΔV＞R4，则第4～7个IGBT导通，串联侧输出电压-0.25Vd；若ΔV＜R4，则第5～8个IGBT导通，串联侧输出电压-0.5Vd；
S2、当使用并联补偿单元进行电流补偿时，通过以下步骤保证电源电流具有稳定的幅值和良好的正弦特性：
S201、检测船舶的三相负载电流ILa、ILb、ILc，并联补偿单元实际输出电流ICa、ICb、ICc；
S202、根据当前负载电流ILa、ILb、ILc，采用基于Park变换的方法计算出所需要的补偿电流参考值Irefa、Irefb、Irefc，负...

【专利技术属性】
技术研发人员：王萌，黄细霞，
申请(专利权)人：上海海事大学，
类型：发明
国别省市：上海;31