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船舶混合储能DAB直流变换器研究与设计
| 论文题名： | 船舶混合储能DAB直流变换器研究与设计 |
| 关键词： | 船舶电力系统;混合储能装置;锂电池;超级电容;直流变换器;功率控制 |
| 摘要： | 进入21世纪，综合电力推进凭借其低能耗、高效率成为未来船舶推进系统的发展趋势。然而，电力推进势必会增大船舶电站的容量，另外，推进负荷波动幅值大且频繁，易造成船舶电网的稳态失衡。将超级电容和锂电池组成的混合储能装置引入船舶电力系统，可平抑船舶航行中的大负荷波动。双向DC-DC变换器作为混合储能系统的执行机构，可实现基于储能装置的船舶电力系统的功率分配和电压匹配。因此，双向DC-DC变换器的研究与设计是船用混合储能系统工程化应用的关键技术。 论文以锂电池和超级电容组成的船舶大容量混合储能系统为研究对象，提出了基于超级电容SOC值的模糊优化功率再分配的控制策略，完成了DAB直流变换器的前层功率分配控制；采用电压外环电流内环双PI控制策略设计了变换器的闭环控制系统，并通过双重移相控制方式实现了DAB变换器的功率流动控制。最后完成原理样机的开发并搭建试验平台，开展了正反向功率传输控制等试验，验证了船舶混合储能DAB直流变换器设计可实时有效的完成功率流动控制。本文主要研究工作总结如下： （1）根据引入混合储能系统的船舶电力系统的特点，确定了双有源桥（Dual active bridge，DAB）直流变换器作为该设计的拓扑形式，并介绍了该类型变换器的工作原理及控制方式。研究分析了双重移相控制变换器的功率传输特性、功率回流特性、电流应力特性、软开关特性等相关特性，是混合储能系统的设计的理论基础。 （2）根据船舶混合储能系统拓扑结构，分析了混合储能中功率分配控制需求。对比一阶低通滤波和小波包分解算法分解负荷波动功率，后者较前者具有更好的动态特性。小波包分解方式将功率分解为高频分量和低频分量，随后通过引入经过模糊化处理超级电容荷电状态（State of charge，SOC）对功率分配值进行二次修正，保证两种储能介质都工作在安全限值内，同时最大限度发挥各自优势。 （3）根据船舶混合储能系统DAB直流变换器的控制特点，搭建了双重移相控制DAB直流变换器的动态小信号模型，选用了电压外环电流内环双PI控制策略，以保证直流母线的电压电流等参数的实时有效控制。此外，通过控制双重移相角实现了回流功率的优化设计，以减小功率回流及电流应力，提升了变换器的工作效率。 （4）在DAB变换理论研究的基础上，根据DAB变换器的系统组成，搭建了原理样机。根据基本参数完成了原理样机的主拓扑电路硬件设计和控制电路设计；在CCS软件开发环境和MATLAB/simulink仿真工具下编译相关软件程序，最后通过试验验证了该变换器具有高效率和良好的动态特性。 |
| 作者： | 李畅 |
| 专业： | 轮机工程 |
| 导师： | 汤旭晶 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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