[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

本發明針對脈沖負載船舶電能質量問題提出了一種統一電能質量調節器(UPQC)及其控制方法。裝置包括：串聯補償單元、并聯補償單元和超級電容儲能單元。串聯和并聯補償單元下層采用五電平三角波比較控制、上層采用BP神經網絡優化PI參數，以解決船舶電網中的電壓和電流質量問題；超級電容儲能單元采用電壓外環、電流內環的雙閉環PI控制，PI參數也用BP神經網絡優化，以滿足脈沖負載的能量變化需求，維持直流側電壓的穩定，保證串、并聯補償單元的正常工作。所提出的分層控制方法，能夠在開關元件頻率固定的基礎上，實現不同工況下的電壓和電流跟蹤，加快了系統的響應速度，提高了系統的魯棒性。

技術領域

本發明涉及船舶電能質量領域，具體涉及一種用于脈沖負載船舶的統一電能質量調節器及其控制方法。

背景技術

在現代船舶上，高能武器、電磁發射裝置和相控雷達等特殊的脈沖負載的應用越來越廣泛，呈現的脈沖性瞬態特性明顯。這類負載的特點是平均功率低，峰值功率大，因此不僅在設備啟動和關閉時對供電系統有沖擊作用，在正常運行時也相當于在供電系統中反復突增和突卸負荷，使得電流大幅度頻繁變化，給整個電力系統帶來較大的沖擊。

目前，解決脈沖負載沖擊問題的方法主要有：增大系統慣性、對儲能系統的控制策略進行優化以及加入補償裝置。對于容量有限的船舶電網而言，脈沖負載的能量密度和功率密度都非常大，若像陸地電網一樣僅靠系統慣性，是難以抵御負載突變時的沖擊的。統一電能質量調節器(UPQC)作為一種功能集成化的綜合電能質量治理裝置，既能像動態電壓恢復器(DVR)、不間斷電源(UPS)等解決電壓質量問題，也能像有源電力濾波器(APF)、靜止無功功率發生器(STATCOM)等解決電流質量問題。常規的UPQC多是采用兩電平的結構，通過串聯和并聯補償單元輸出高電平或低電平，來實現電壓和電流的補償，其直流側通過電容來維持電壓的穩定，采用的控制方法有SPWM控制、滯環比較PWM控制等。

而以上所述UPQC多面向陸地電網且電網中僅帶有常規負載，在容量較小且帶有大功率脈沖負載的船舶電網中，能量變化更加頻繁和劇烈，對電壓和電流補償的精度要求也更高，采用兩電平結構的UPQC可能會出現過補償和欠補償的現象，且直流側電壓僅依靠電容來維持穩定，其充放電速度難以滿足脈沖負載的能量需求。另外在控制策略上，由于補償信號也會隨著脈沖負載發生大幅波動，采用SPWM控制時，難以選擇合適的載波幅值，若調制比過小，會引入高次諧波，若調制比過大，會引入低次諧波；采用滯環比較控制時，開關元件的頻率不固定，補償信號的跟隨性能受環寬的影響較大。因此，將常規的UPQC直接用在帶有脈沖負載的船舶電網中難以起到較好的調節作用。

發明內容

本發明提供了一種用于脈沖負載船舶的統一電能質量調節器及其控制方法，能夠以兼具精度和實時性的方式對船舶電網中的電壓和電流質量問題進行補償，同時能夠很好地適應由脈沖負載引起的頻繁、大幅能量變化。本發明的技術方案如下：

一種用于脈沖負載船舶的統一電能質量調節器，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，用于補償電源側電壓的波動和畸變，并聯補償單元交流側通過LC濾波后并聯到負載前端，用于補償負載引起的電流畸變和諧波。直流側為串聯和并聯補償單元共用，由四個電容串聯聯結進行穩壓。每個電容兩端并聯一個超級電容儲能單元，以實現超級電容組和直流側的能量交換，維持直流側電容電壓的穩定，保證UPQC工作在穩定的狀態。