[發明專利]用于脈沖負載船舶的統一電能質量調節器及其控制方法

在審

• 申請號: 202110685186.9
• 申請日: 2021-06-21
• 公開（公告）號: CN113315141A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 王萌;黃細霞
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: H02J3/18
• 分類號: H02J3/18;H02J3/01;H02M1/32;H02M3/156
• 代理公司: 上海互順專利代理事務所(普通合伙) 31332
• 代理人: 成秋麗

1.一種用于脈沖負載船舶的統一電能質量調節器，其特征在于包括：串聯補償單元、并聯補償單元、超級電容儲能單元，UPQC采用左串右并的三相三線制結構，即串聯補償單元交流側經LC濾波后通過變壓器串聯在電網與負荷之間，并聯補償單元交流側通過LC濾波后并聯到負載前端，串聯和并聯補償單元都設計成五電平電壓型逆變器結構，每一相橋臂由8個IGBT、8個續流二極管、6個鉗位二極管、4個均壓電容構成，直流側為串聯和并聯補償單元共用，由四個電容串聯聯結，每個電容兩端并聯一個超級電容儲能單元，通過DC/DC雙向變換器連接直流側和超級電容組。

2.權利要求1所述的用于脈沖負載船舶的統一電能質量調節器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、當使用串聯補償單元進行電壓補償時，通過以下步驟保證負載電壓具有穩定的幅值和良好的正弦特性：

S101、檢測船舶電網端的三相電源電壓V_Sa、V_Sb、V_Sc，串聯補償單元實際輸出電壓V_Ca、V_Cb、V_Cc；

S102、根據當前電源電壓V_Sa、V_Sb、V_Sc，采用基于Park變換的方法計算出所需要的補償電壓參考值V_refa、V_refb、V_refc，電源電壓、補償電壓參考值和負載正常工作電壓的關系為V_S+V_ref＝V_L；

S103、用V_refa、V_refb、V_refc分別減去串聯補償單元相應的實際輸出電壓V_Ca、V_Cb、V_Cc，其誤差記為e_a(k)、e_b(k)、e_c(k)；

S104、建立BP神經網絡，網絡結構為6個輸入節點、6個隱層節點、6個輸出節點，輸入節點依次為e_a(k-1)、e_a(k)、e_b(k-1)、e_b(k)、e_c(k-1)、e_c(k)，輸出節點依次為A相PI調節器的參數K_Pa和K_Ia、B相PI調節器的參數K_Pb和K_Ib以及C相PI調節器的參數K_Pc和K_Ic，隱含層和輸出層的激活函數分別為tan h和sigmoid函數，取損失函數為J＝e_a(k+1)²/2+e_b(k+1)²/2+e_c(k+1)²/2，通過誤差反向傳播過程來調整網絡參數，求出最合適的PI參數；

S105、將e_a(k)、K_Pa和K_Ia，e_b(k)、K_Pb和K_Ib，e_c(k)、K_Pc和K_Ic，分別送入3個PI調節器得到A、B、C三相的電壓調節信號ΔV_a、ΔV_b、ΔV_c；

S106、采用五電平PWM生成串聯補償單元中各IGBT的開關信號，將兩電平PWM中三角載波的幅值縮小到原來的一半，然后分別向上平移1/2和1/4個單位，得到兩條載波R₁和R₂，再向下平移1/2和1/4個單位，得到兩條載波R₃和R₄，若ΔV＞R₁，則從上到下第1～4個IGBT導通，串聯側輸出電壓+0.5V_d；若R₁＞ΔV＞R₂，則第2～5個IGBT導通，串聯側輸出電壓+0.25V_d；若R₂＞ΔV＞R₃，則第3～6個IGBT導通，串聯側輸出電壓0；若R₃＞ΔV＞R₄，則第4～7個IGBT導通，串聯側輸出電壓-0.25V_d；若ΔV＜R₄，則第5～8個IGBT導通，串聯側輸出電壓-0.5V_d；

S2、當使用并聯補償單元進行電流補償時，通過以下步驟保證電源電流具有穩定的幅值和良好的正弦特性：

S201、檢測船舶的三相負載電流I_La、I_Lb、I_Lc，并聯補償單元實際輸出電流I_Ca、I_Cb、I_Cc；

S202、根據當前負載電流I_La、I_Lb、I_Lc，采用基于Park變換的方法計算出所需要的補償電流參考值I_refa、I_refb、I_refc，負載電流、補償電流參考值和正常工況下電源電流的關系為I_L+I_ref＝I_S；

S203、用I_refa、I_refb、I_refc分別減去并聯補償單元相應的實際輸出電流I_Ca、I_Cb、I_Cc，其誤差記為e_a(k)、e_b(k)、e_c(k)；

S204、建立BP神經網絡，網絡結構為6個輸入節點、6個隱層節點、6個輸出節點，輸入節點依次為e_a(k-1)、e_a(k)、e_b(k-1)、e_b(k)、e_c(k-1)、e_c(k)，輸出節點依次為A相PI調節器的參數K_Pa和K_Ia、B相PI調節器的參數K_Pb和K_Ib以及C相PI調節器的參數K_Pc和K_Ic，隱含層和輸出層的激活函數分別為tan h和sigmoid函數，取損失函數為J＝e_a(k+1)²/2+e_b(k+1)²/2+e_c(k+1)²/2，通過誤差反向傳播過程來調整網絡參數，求出最合適的PI參數；

S205、將e_a(k)、K_Pa和K_Ia，e_b(k)、K_Pb和K_Ib，e_c(k)、K_Pc和K_Ic，分別送入3個PI調節器得到A、B、C三相的電流調節信號ΔI_a、ΔI_b、ΔI_c；

S206、采用五電平PWM生成并聯補償單元中各IGBT的開關信號，將兩電平PWM中三角載波的幅值縮小到原來的一半，然后分別向上平移1/2和1/4個單位，得到兩條載波R₁和R₂，再向下平移1/2和1/4個單位，得到兩條載波R₃和R₄，若ΔI＞R₁，則從上到下第1～4個IGBT導通，串聯側輸出電壓+0.5V_d；若R₁＞ΔI＞R₂，則第2～5個IGBT導通，串聯側輸出電壓+0.25V_d；若R₂＞ΔI＞R₃，則第3～6個IGBT導通，串聯側輸出電壓0；若R₃＞ΔI＞R₄，則第4～7個IGBT導通，串聯側輸出電壓-0.25V_d；若ΔI＜R₄，則第5～8個IGBT導通，串聯側輸出電壓-0.5V_d；

S3、當使用超級電容補償單元進行能量調節時，通過以下步驟保證直流側電壓的穩定：

S301、檢測直流側電壓V_d，超級電容組輸出電流I_d；

S302、用直流側目標電壓V_dref減去直流側實際電壓V_d，其誤差記為e₁(k)；

S303、建立BP神經網絡，網絡結構為3個輸入節點、3個隱層節點、2個輸出節點，輸入節點依次為e₁(k-2)、e₁(k-1)、e₁(k)、，輸出節點為電壓環PI調節器的參數K_P和K_I，使用tan h函數作為隱含層的激活函數，sigmoid函數作為輸出層的激活函數，取損失函數為J＝e₁(k+1)²/2，通過誤差反向傳播過程來調整網絡參數，求出最合適的PI參數；

S304、將e₁(k)、電壓環K_P和K_I，送入PI調節器得到超級電容組輸出電流參考值I_dref；

S305、用超級電容組輸出電流參考值I_dref減去超級電容組實際輸出電流I_d，其誤差記為e₂(k)；

S306、建立BP神經網絡，網絡結構為3個輸入節點、3個隱層節點、2個輸出節點，輸入節點依次為e₂(k-2)、e₂(k-1)、e₂(k)、，輸出節點為電流環PI調節器的參數K_P和K_I，使用tan h函數作為隱含層的激活函數，sigmoid函數作為輸出層的激活函數，取損失函數為J＝e₂(k+1)²/2，通過誤差反向傳播過程來調整網絡參數，求出最合適的PI參數；

S307、將e₂(k)、電流環K_P和K_I，送入PI調節器后與前饋信號V_dref疊加作為調節信號；

S308、根據所得調節信號，采用PWM生成超級電容儲能單元中兩個IGBT的開關信號。