一种船用混合动力系统无扰动切换方法与流程

本发明属于船用混合动力系统领域，特别涉及一种船用混合动力系统中通过变频器实现电动状态到发电模式工况的无扰动切换方法。

背景技术：

1、随着社会的发展和科技的进步，船舶工业作为全球贸易的重要组成部分，对于更高效、环保、安全的船舶动力系统提出了更高的要求。混合动力系统因其在提高能源利用率、减少排放和灵活性方面的优势而备受关注。混合动力系统通常由内燃机、电动机以及相应的能量存储装置组成，其中，变频器在混合动力系统中起到至关重要的作用，可以实现电动状态和发电模式两种工况之间的平滑切换。

2、然而，在传统的船用混合动力系统中，特别是在动力源切换的过程中，存在一些问题。首先，由于动力源的不同工作特性和响应速度，切换过程中容易出现扰动，导致船体振动和噪音增加，其次切换过程中也会造成包括电网冲击、设备损伤等，这促使了对更为先进的、无扰动切换方法的迫切需求。

3、在传统船用混合动力系统中，电机从电动状态切换到发电模式时，会选择先彻底停机，待柴油机合排之后再进入发电模式启动，这往往会伴随电流、频率和电压的突变。这种突变可能导致电网的电压波动甚至影响到其他联网设备。同时在合排时由于柴油机仍处于怠速状态，机械设备在切换时也容易受到热冲击和机械冲击，加速设备磨损和降低使用寿命。

4、目前市面上一些变频器采用独立的控制方式，这种切换的控制方式较为简单，如固定时间切换状态。这种方法系统响应速度慢，无法适应复杂多变的船舶运行环境，且由于突变控制方式，切换过程中可能存在短暂的功率损失，导致整体系统效率降低。同时也有一些人采取通过使用阻尼电路或添加滤波器等主回路器件来减缓电流变化。

5、一些学者致力于通过改进控制策略来优化电动状态到发电模式的切换过程，采用模型预测控制（mpc）和遗传算法等优化方法，以提高系统的动态性能，减小切换时的电流和电压突变。然而这些方法往往增加了系统的复杂性和成本，不利于工程实现。

技术实现思路

1、本发明针对船舶混合动力系统中变频器切换状态时带来的冲击和不稳定性问题，提供一种船用混合动力系统无扰动切换方法，通过对系统子设备状态监测，引入闭环控制逐级调整，有效减少切换过程中带来的电流和机械冲击，使船舶混合动力系统更为经济、可持续。

2、为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种船用混合动力变频器无扰动切换方法，基于包含柴油机主机、离合器、齿轮箱、变频器和异步电机的船用混合动力系统，所述的变频器通过安装的plc控制器通信监测各子设备状态，获取合/分排状态、柴油机转速等信息，步骤如下：

3、步骤1，电动状态下时变频器采用速度闭环控制方式，当收到切换至发电模式的指令后，通过与plc控制器交互数据获取当前柴油机主机怠速状态时的转速，通过斜率给定方式将电机转速降至与柴油机主机转速相同；

4、步骤2，降速完成后变频器发送合排信号至plc控制器，随后plc控制器控制齿轮箱侧离合器合排，合排后发送合排成功信号至变频器；

5、步骤3，变频器收到合排成功信号后切换速度闭环控制为电流控制方式，此时异步电机的q轴电流将从正值逐步减小至0，变频器通过监测实时电流和网测状态调整输出频率和电压，确保电流平滑变换，以减小对系统的冲击；

6、步骤4，q轴电流逐步减小至0后，变频器发送切换完成指令至plc控制器，此时混合动力系统柴油机主机转速可由手柄进行控制；

7、步骤5，柴油机主机的转速升至预设值以上时，变频器切换异步电机至发电模式，plc控制器工作在恒压限流控制模式，在直流侧输出稳定的直流母线电压。此时变频器给定直流母线电压，利用q轴电流控制直流母线电压。

8、进一步，在发电模式时变频器给定直流母线电压，利用q轴电流控制直流母线电压，利用磁链观测幅值构建d轴电流，并且在预切换过程中，将d轴电流进行限幅输出，防止在切换过程中带来的冲击电流导致变频器出现过流故障，影响系统正常运行。

9、进一步，所述的变频器采用基于转速外环、电压外环及电流内环的三闭环矢量控制系统，电动状态以及预切换状态时变频器使用转速外环控制电机转速，合排之后且柴油机主机功率未达到发电转速阈值时，变频器使用电流内环限制变频器功率输出，工作在发电模式时变频器使用电压外环成功切换工作模式，对外输出功率。

10、更进一步，所述的变频器采用基于无功控制环的控制系统：当网侧电压跌落时，检测并网点处无功分量然后馈送到变频器输入端，实时调节其输出无功，向系统提供一定的无功以帮助电网电压恢复，实现低电压穿越；当系统电压跌落时，在稳定直流侧母线电压的基础上，对无功控制参考值输出范围进行相应限制。

11、再进一步，对电网进行补偿时，可预先设定阈值，当无功功率低于阈值时，变频器启动无功控制环，对网侧进行自动补偿。

12、本发明的有益效果是：

13、本发明通过预设的控制策略逐步调整控制方式完成变频器工作状态的平滑切换，有效减少切换过程中的电流、电压突变，减少了设备额外受到的机械冲击和热冲击，延长设备的使用寿命。

14、本发明变频器在电动状态切换到发电工况时通过其平滑、精确的控制特性，有助于降低系统的运行风险，提高设备的稳定性和可靠性。

15、本发明采用逐步调整的控制方式，通过监测切换过程中其他设备的状态，减小切换过程中带来的各种冲击问题，根据柴油机和齿轮箱离合器合/分排状态切换控制方式，调整输出电流确保切换时电流平稳过度。

技术特征：

1.一种船用混合动力系统无扰动切换方法，基于包含柴油机主机、离合器、齿轮箱、变频器和异步电机的船用混合动力系统，其特征在于：所述的变频器通过plc控制器监测各设备状态，步骤如下

2.根据权利要求1所述的一种船用混合动力系统无扰动切换方法，其特征在于，在发电模式时变频器给定直流母线电压，利用q轴电流控制直流母线电压，利用磁链观测幅值构建d轴电流，并且在预切换过程中，将d轴电流进行限幅输出。

3.根据权利要求2所述的一种船用混合动力系统无扰动切换方法，其特征在于，所述的变频器采用基于转速外环、电压外环及电流内环的三闭环矢量控制系统，电动状态以及预切换状态时使用转速外环控制电机转速，合排之后且柴油机主机功率未达到发电转速阈值时使用电流内环限制变频器功率输出，发电模式时使用电压外环切换工作模式对外输出功率。

4.根据权利要求3所述的一种船用混合动力系统无扰动切换方法，其特征在于，所述的变频器采用基于无功控制环的控制系统：当网侧电压跌落时，检测并网点处无功分量然后馈送到变频器输入端，实时调节其输出无功，向系统提供一定的无功以帮助电网电压恢复，实现低电压穿越；当系统电压跌落时，在稳定直流侧母线电压的基础上，对无功控制参考值输出范围进行相应限制。

5.根据权利要求4所述的一种船用混合动力系统无扰动切换方法，其特征在于，对电网进行补偿时，预先设定阈值，当无功功率低于阈值时，变频器启动无功控制环，对网侧进行自动补偿。

技术总结本发明公开了一种船用混合动力系统无扰动切换方法，基于包含柴油机主机、离合器、齿轮箱、变频器和异步电机的船用混合动力系统，变频器通过PLC控制器监测各设备状态；本发明通过精确的控制和策略，有效减少切换过程中的电流、电压突变；本发明通过平滑的控制过程，根据监测切换过程中其他设备状态逐步调整控制方式，减少了设备额外受到的机械冲击和热冲击，延长设备的使用寿命。技术研发人员：龚学锐,杨一鹏,李鹏,王晓海,徐萌飞受保护的技术使用者：武汉船用电力推进装置研究所（中国船舶集团有限公司第七一二研究所）技术研发日：技术公布日：2024/5/27