甘世紅，顧偉，褚建新，王家毅，高迪駒

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306； 2.上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院，上海 201306)

混合動(dòng)力新船舶Z源電力推進(jìn)系統(tǒng)

甘世紅1，顧偉2，褚建新2，王家毅1，高迪駒1

(1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306； 2.上海海事大學(xué) 科學(xué)研究院，上海 201306)

為了解決船舶排放的廢棄物對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，提出以光伏電池為主電源超級(jí)電容作為輔助電源的混合動(dòng)力的新能源船舶，其電力推進(jìn)逆變器采用新型Z源逆變器。研究了這種混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)的工作原理和控制策略，推導(dǎo)了Z源逆變器的小信號(hào)模型，采用雙環(huán)控制器維持直流鏈電壓穩(wěn)定，給出了控制器的設(shè)計(jì)方法，研究了Z源逆變器穩(wěn)定性問(wèn)題。采用三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)光伏電池的輸出功率，通過(guò)控制直通占空比和調(diào)制因子來(lái)控制光伏電池和超級(jí)電容的輸出功率，最后進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)。從仿真及試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在船舶運(yùn)行時(shí)，光伏電池提供平均功率，超級(jí)電容提供瞬態(tài)功率且還吸收制動(dòng)功率，從而驗(yàn)證了理論的正確性。

混合動(dòng)力； 新能源； 船舶； 電力推進(jìn)； Z源逆變器； 控制策略； BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 光伏電池

隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，船舶排放的廢棄物對(duì)環(huán)境的污染日趨嚴(yán)重，國(guó)際海事組織(IMO)以及越來(lái)越多的國(guó)家正積極采取各種有效措施以減少船舶排放對(duì)大氣的污染，積極開(kāi)發(fā)和采用節(jié)能新船型和先進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)[1-2]。

電力推進(jìn)是一種先進(jìn)的船舶推進(jìn)方式，其核心是推進(jìn)逆變器。但傳統(tǒng)推進(jìn)逆變器不同時(shí)具有升降壓功能，彭方正提出了Z源逆變器[3-4]可以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)功率變換的升降壓功能，非常適應(yīng)新能源電壓變化范圍大的情況，所以在電動(dòng)汽車[5-6]、新能源發(fā)電[7-8]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)[9-10]等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。但傳統(tǒng)的Z源逆變器也有一定的缺陷，如升壓能力有限、起動(dòng)電流大等。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)Z源逆變器的電路拓?fù)鋬?yōu)化[11-13]和調(diào)制策略[14]進(jìn)行了研究，以完善Z源逆變器的性能。

由于存在兩種能源混合供電模式，高效合理的能量分配是混合動(dòng)力船舶動(dòng)力系統(tǒng)控制的核心。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在混合動(dòng)力汽車和火車的整車優(yōu)化及能量管理方面做了大量的研究[15]。但在混合動(dòng)力船舶技術(shù)目前尚處在不斷探索和研究的階段，國(guó)外有不少科研機(jī)構(gòu)提出了一些相關(guān)理論和方法， 并在軍用艦艇和民用船舶領(lǐng)域有所實(shí)現(xiàn)，澳洲復(fù)合船能源專家Doctor Robert Dane 于2001 年開(kāi)發(fā)了世界第一艘太陽(yáng)能/風(fēng)帆復(fù)合型船舶，德國(guó)Planet Solar 公司建造了世界上最大的太陽(yáng)能動(dòng)力船，并于2010年實(shí)現(xiàn)了環(huán)球航行。國(guó)內(nèi)在混合動(dòng)力船舶領(lǐng)域方面的研究起步較晚，成功應(yīng)用的例子并不多，以光伏電池和超級(jí)電容作為能源的混合動(dòng)力電力推進(jìn)船舶方面的研究幾乎是空白。

本論文將一種新型的Z源變流器應(yīng)用到混合能源動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，以光伏電池組作為船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的主電源、以超級(jí)電容作為輔助電源，二者共同為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電來(lái)驅(qū)動(dòng)船舶。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及升降壓原理

混合動(dòng)力船舶新型Z源電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)控制原理圖Fig.1 System control schematic diagram

圖2是Z源等效電路，L0為電機(jī)等效直流電感，R0為電機(jī)等效直流電阻，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，Z源變換器只有2種工作狀態(tài)，即直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，在直通狀態(tài)時(shí)，等效電路如圖2(a)所示。

(1)

式中：VL為電感電壓；VPN為直流鏈電壓；非直通狀態(tài)如圖2(b)所示，可得

(2)

穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期電感平均電壓為0，所以：

(3)

式中：T為開(kāi)關(guān)周期；T0為直通時(shí)間。由式(3)得

(4)

式中：D0=T0/T為直通占空比，相比傳統(tǒng)拓?fù)洌滦屯負(fù)涞腪源逆變器電壓應(yīng)力能大大減小[1]，直流鏈峰值電壓可為

(5)

式中：B為升壓因子，所以輸出的正弦波調(diào)制電壓峰值為

(6)

式中：M為正弦脈寬調(diào)制因子。所以逆變器升降壓由M與B的乘積決定，通過(guò)合適的M與B可實(shí)現(xiàn)升降壓功能。

圖2 Z源逆變器等效電路Fig.2 Z-source inverter equivalent circuit

2 系統(tǒng)的控制策略

2.1 直流側(cè)電容電壓控制

對(duì)于圖2所示的電路，取電容電壓uC、電感電流iL、負(fù)載電流i0為狀態(tài)變量，直通時(shí)占空比為d0，由在此開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的等效電路圖2(a)，得其狀態(tài)空間方程為

(7)

非直通狀態(tài)下，占空比為1-d0，由在此開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的等效電路圖2(b)，得其狀態(tài)方程為

(8)

將兩個(gè)狀態(tài)方程(7)、(8)平均，可得到一個(gè)開(kāi)關(guān)周期平均狀態(tài)方程：

(9)

假設(shè)狀態(tài)變量可表示為直流穩(wěn)態(tài)變量與小信號(hào)分量之和，即

(10)

(11)

由式(11)可以推導(dǎo)出小信號(hào)模型Z源電容電壓對(duì)直通占空比的傳遞函數(shù)Gud(s)為

(1-2D0)L0+LR0(I0-2IL)-(VPV-2VC)L]s+

(2VC+VPV)(1-2D0)R0}/G(s)

(12)

電感電流對(duì)直流占空比的傳遞函數(shù)Gid(s)：

(13)

式中：G(s)=CLL0s3+CLR0s2+[2L(1-D0)2+

L0(1-2D0)2]s+(1-2D0)2R0。

Gud(s) 對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有重要影響，對(duì)Gud(s)分析發(fā)現(xiàn)，該傳遞函數(shù)中存在一個(gè)右半平面零點(diǎn)，屬于非最小相位系統(tǒng)，為減少非最小相位對(duì)系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可以通過(guò)選擇Z源網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，使右半平面的零點(diǎn)盡可能的遠(yuǎn)離虛軸，減小右平面零點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)采用電流內(nèi)環(huán)控制和電壓外環(huán)控制的雙閉環(huán)控制。直流鏈電壓的穩(wěn)定對(duì)逆變器的輸出交流電壓穩(wěn)定有直接的影響，但直流鏈電壓由于存在直通零電壓，使方波信號(hào)給直流鏈電壓的檢測(cè)和反饋帶來(lái)很大麻煩，所以通過(guò)控制電容電壓間接控制直流鏈電壓穩(wěn)定，雙環(huán)控制電路如圖3所示。

圖3 Z源電容電壓雙環(huán)控制Fig.3 Capacitor voltage double-loop control

圖3中，Gud(s)、Gid(s)如式(12)、(13)，電壓環(huán)輸出作為電感電流的給定，內(nèi)環(huán)是電感電流環(huán)，GM(s)為直通占空比和調(diào)制信號(hào)的傳遞函數(shù)：

(14)

式中Vtri為三角載波信號(hào)的幅值。

圖3中，電流內(nèi)環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)和電壓外環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(15)

(16)

式中：Gic為內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器，其目的為了保證電流的快速響應(yīng)；Gvc為外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器，其目的為了保證電容電壓穩(wěn)定。電流、電壓調(diào)節(jié)器方程為：

(17)

為了保證閉環(huán)控制系統(tǒng)具有足夠的相位裕度和幅值裕度，可以分別選擇2個(gè)閉環(huán)的剪切頻率wc和相位裕度q，控制器的wz和wp可表示為[15]

(18)

控制器的放大倍數(shù)為

(19)

根據(jù)仿真，電流環(huán)的剪切頻率選擇為開(kāi)關(guān)頻率的1/10，即1 kHz, 電流控制器的K0=4.5,wz=1 950，wp=20 000；電壓環(huán)的剪切頻率為100 Hz，電流控制器的K0=40,wz=140，wp=2 900，此時(shí)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)有65°的相位裕度和14.7 dB的幅值裕度，表明系統(tǒng)的有足夠的穩(wěn)定性。

2.2 交流側(cè)推進(jìn)電機(jī)控制

將空間矢量調(diào)制和傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制(direct torque control，DTC)結(jié)合起來(lái)獲得恒定的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，如圖1所示。當(dāng)船舶啟動(dòng)時(shí)，速度較低時(shí)，Z源逆變器工作在低頻區(qū)，電機(jī)需要的電壓較低，直流鏈電壓不需升壓，所以Z源逆變器不需要直通零狀態(tài)，直流鏈電最大值保持在較低水平，通過(guò)調(diào)整Z源逆變器調(diào)制因子M，使其逐漸增大來(lái)使電機(jī)逐漸升壓；在船速較高時(shí)，Z源逆變器工作在高頻段，當(dāng)直流鏈電壓最大值不足以得到所需的交流電壓時(shí)，引入直通零狀態(tài)，調(diào)整直通占空比D0使直流鏈電壓最大值隨輸出交流電壓的變化而變化，此時(shí)保證逆變器調(diào)制因子M為一恒值。通過(guò)協(xié)調(diào)計(jì)算后，求得用于控制的直流鏈電壓最大給定值和逆變器調(diào)制因子值，然后通過(guò)這2個(gè)值分別得到控制直通信號(hào)和非直通狀態(tài)時(shí)Z源逆變器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，直流側(cè)產(chǎn)生的直通信號(hào)D0和交流側(cè)產(chǎn)生的PWM信號(hào)合成，送至驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)Z源逆變器。

3 混合動(dòng)力船舶能量控制策略

能量控制策略的總體目標(biāo)是盡可能提高船舶動(dòng)力系統(tǒng)的效率，控制策略的原則是：1)光伏電池組運(yùn)行在最大功率點(diǎn)附近；2)保持推進(jìn)電機(jī)工作在高效率區(qū)；3)維持超級(jí)電容荷電狀態(tài)(SOC)在一定的范圍，避免過(guò)度的充放電導(dǎo)致超級(jí)電容效率降低，在船舶航行中及時(shí)回收制動(dòng)時(shí)的能量，超級(jí)電容SOC的控制采用門限電平法，設(shè)置超級(jí)電容的最低門限值SOCL和最高門限值為SOCH，船舶正常航行時(shí)，超級(jí)電容的SOC維持在SOCL與SOCH之間。

混合動(dòng)力船舶運(yùn)行時(shí)有4種工作狀態(tài)：1)船舶需要功率適中時(shí)，由光伏電池提供船舶需要的平均功率，且超級(jí)電容SOCSCOH，超級(jí)電容不接受船舶制動(dòng)時(shí)的電能，制動(dòng)能量通過(guò)電阻消耗。

系統(tǒng)進(jìn)入哪種工況由整船能量控制器依據(jù)駕駛員的指令、天氣狀況、當(dāng)前船速和超級(jí)電容SOC來(lái)判斷。

推進(jìn)電機(jī)的需求功率隨時(shí)在變化，光伏電池的輸出功率可表示為

PPV=VPVIPV

(20)

在一定的光照和溫度下，光伏電池的V-I特性就確定了，所以當(dāng)控制光伏電池的輸出電壓VPV，即雙向DC/DC變換器的輸出電壓就控制了光伏電池的輸出功率和電流。

同時(shí)，通過(guò)控制直通占空比和調(diào)制因子就可以得到逆變器的期望輸出電壓vo，從而控制了逆變器的輸出功率，輸出功率為

(21)

式中：Im是負(fù)載電流，cosφ是負(fù)載功率因數(shù)。所以超級(jí)電容的充放電功率為

(22)

混合能量控制系統(tǒng)有3大功能模塊構(gòu)成，分別是動(dòng)態(tài)檢測(cè)模塊、狀態(tài)控制模塊和協(xié)調(diào)控制模塊。由于光伏發(fā)電的特殊性，混合能量控制的核心便是減弱光伏電池的動(dòng)態(tài)過(guò)程。光伏電池自身機(jī)理及響應(yīng)的滯后性決定了輸出功率不適應(yīng)頻繁變化，所以光伏電池提供負(fù)載平均功率，故根據(jù)當(dāng)前的天氣狀況、船舶當(dāng)前狀態(tài)等信息對(duì)光伏電池輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，可在電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)功率變化時(shí)提前調(diào)節(jié)Z源逆變器。

光伏電池是一個(gè)多輸入多輸出非線性復(fù)雜的系統(tǒng)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的非線性映射能力，可以映射任意非線性系統(tǒng)，本文采用三層BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)光伏電池的輸出功率進(jìn)行預(yù)測(cè)。按天氣建立了晴天、多云、陰天和雨天4個(gè)預(yù)測(cè)子模型，如圖4所示。模型的輸入變量有5個(gè)，分別是天氣類型G(t+1)，分別對(duì)應(yīng)晴天、多云、陰天和雨天，t時(shí)刻的輸出功率P(t)，光照強(qiáng)度S(t+1)，當(dāng)前溫度T(t+1)，時(shí)間L(t+1)，輸出是6∶00～18∶00的12個(gè)時(shí)間點(diǎn)的預(yù)測(cè)功率P1(t+1)…P12(t+1)，預(yù)測(cè)表達(dá)式為P(t+1)=f[G(t+1),P(t),S(t+1),L(t+1),T(t+1)]

(23)

圖4 光伏電池功率預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)Fig.4 Predictive network of PV cell power

首先以光伏電池的典型輸入輸出數(shù)據(jù)作為樣本，訓(xùn)練具有一定精度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出P(t+1)盡量逼近光伏電池的實(shí)際輸出P。BP網(wǎng)絡(luò)采用非線性Sigmoid函數(shù)，輸出被限定在[0,1]，而期望輸出往往不在此區(qū)間，所以輸入輸出數(shù)據(jù)必須進(jìn)行歸一化處理。

基于以上的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示，Pd為期望輸出，P(t+1)為實(shí)際輸出，U(t)為控制量，PR(t+1)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)輸出，可從當(dāng)前系統(tǒng)信息中預(yù)測(cè)出未來(lái)I步的輸出PR(t+I)，誤差函數(shù)E(t+1)反饋給性能指標(biāo)函數(shù)J，利用預(yù)測(cè)控制器求出優(yōu)化的控制量U(t)。

圖5 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Predictive control system structure diagram

4 混合動(dòng)力船舶仿真和試驗(yàn)

4.1 仿真分析

為了驗(yàn)證以上原理和控制策略的正確性，對(duì)圖1所示混合動(dòng)力船舶，利用Matlab/Simulink平臺(tái)構(gòu)建仿真模型， Z源逆變器采用三次諧波注入升壓控制，仿真參數(shù)如下：Z源網(wǎng)絡(luò):L1=L2=4 mH，C1=C2=500 mF,開(kāi)關(guān)頻率:10 kHz。

假設(shè)光伏電池的輸出電壓VPV=160 V，當(dāng)D0=0.311，M=0.861, 由式(4)、(5)、(6)可以算出穩(wěn)態(tài)時(shí)，VC=130.5 V，VPN=420 V，vo=180 V。

圖6是仿真曲線，其中圖6(a)是采用新型Z源逆變器的仿真曲線，圖6(b)是傳統(tǒng)Z源逆變器的仿真曲線?？梢钥闯鯲PN穩(wěn)態(tài)時(shí)被升壓到420 V時(shí)，新型Z源電容電壓逐漸上升，最終穩(wěn)定在VC=130 V；而傳統(tǒng)的Z源逆變器的電容電壓在電源接通瞬間馬上充電到90 V左右，然后上升最終充電到VC=290 V，而電感電流沖擊也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于新型Z源逆變器，所以傳統(tǒng)的Z源逆變器啟動(dòng)初期的電壓電流沖擊很可能損壞逆變器，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖6 Z源逆變器的仿真曲線仿真曲線Fig.6 Z-source inverter simulation curves

圖7是推進(jìn)電機(jī)負(fù)載變化時(shí)，逆變器輸出電流i、電容電壓VC的變化曲線,由于采用電容電壓閉環(huán)控制，電容電壓維持在給定值附近。

圖7 逆變器電容電壓、輸出電流變化曲線Fig.7 Curves of capacitor and inverter output current

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)混合動(dòng)力船舶運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：

1)超級(jí)電容額定容量1 000 F,等效電阻0.31 mΩ；

2)推進(jìn)電機(jī)采用鼠籠電機(jī)，UN=380 V，PN=3 kW，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=0.201 kg·m2。

圖8(a)是電機(jī)速度曲線，0～0.5 s時(shí)電機(jī)帶額定負(fù)載起動(dòng)；0.45～1 s時(shí),電機(jī)在800 r/min速度下帶額定負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行；1～2 s電機(jī)以120%TN進(jìn)行過(guò)載運(yùn)行；2～3 s，電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)，速度逐漸降低到0。圖8(b)、(c)是當(dāng)混合動(dòng)力船舶工作在不同模式下的光伏電池和超級(jí)電容輸出功率曲線，由圖可以看出，光伏電池提供船舶的額定功率，而超級(jí)電容在加速狀態(tài)下提供瞬態(tài)的峰值功率，過(guò)載時(shí)提供過(guò)載部分功率，同時(shí)當(dāng)船舶制動(dòng)時(shí)，還吸收制動(dòng)功率。8(d)是超級(jí)電容的SOC曲線，從響應(yīng)曲線可以看出，0～0.45 s時(shí)，峰值加速功率由超級(jí)電容提供，超級(jí)電容的SOC逐漸下降，混合動(dòng)力船舶工作在工況2；0.5～1 s時(shí)4電機(jī)帶額定負(fù)載在800 r/min速度下穩(wěn)定運(yùn)行，超級(jí)電容不提供電流，額定功率都由光伏電池提供，超級(jí)電容的SOC維持不變，混合動(dòng)力船舶工作在工況1；1～2 s電機(jī)在800 r/min速度下，帶120%TN負(fù)載進(jìn)行運(yùn)行，額定功率仍由光伏電池提供，而超級(jí)電容提供過(guò)載功率，混合動(dòng)力船舶工作在工況4；2～3 s，電機(jī)減速進(jìn)行再生制動(dòng)，制動(dòng)能量回饋給超級(jí)電容，同時(shí)光伏電池也對(duì)超級(jí)電容充電，混合動(dòng)力船舶工作在工況3，超級(jí)電容的SOC逐漸上升。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

構(gòu)造了8 kW的試驗(yàn)電路，試驗(yàn)電路參數(shù)采用仿真電路參數(shù)。圖9是電容電壓uC、直流鏈電壓VPN、電動(dòng)機(jī)線電壓uab的波形，由圖可以看出穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容電壓uC、直流鏈電壓VPN與圖6(a)仿真波形基本一致。

當(dāng)負(fù)載功率開(kāi)始是3 kW，10 s后突變到5 kW,30 s后減少到0.5 kW，45 s又回到3 kW，光伏電池和超級(jí)電容的輸出電流波形如圖10所示，從曲線可以看出，光伏電池提供穩(wěn)態(tài)電流，而超級(jí)電流提供動(dòng)態(tài)電流，負(fù)載功率小時(shí)，光伏電池除了給負(fù)載提供功率，還同時(shí)給超級(jí)電容充電。

圖8 電機(jī)速轉(zhuǎn)、光伏電池和超級(jí)電容的輸出功率、SOC曲線Fig.8 Curves of motor speed, PV power and super capacitor power, SOC

圖9 直流鏈電壓波形Fig.9 DC-link voltage waveform

圖10 光伏電池和超級(jí)電容電流Fig.10 Curves of PV cell and Super capacitor current

5 結(jié)論

本文提出了以光伏電池為主電源超級(jí)電容為輔助電源的混合動(dòng)力船舶，其推進(jìn)逆變器采用新型Z源逆變器，經(jīng)過(guò)對(duì)其工作原理和控制策略的研究得到以下結(jié)論：

1)新型Z源逆變器可解決光伏電池輸出電壓變化比較大的問(wèn)題，同時(shí)還可以減少Z源網(wǎng)絡(luò)的電容電壓應(yīng)力和起動(dòng)沖擊電流。將其應(yīng)用到混合動(dòng)力船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，可維持推進(jìn)電機(jī)的電壓恒定。

2)采用雙閉環(huán)控制既可以控制直流鏈電壓的穩(wěn)定，還可以使推進(jìn)系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)過(guò)程，克服穩(wěn)態(tài)時(shí)經(jīng)常過(guò)載。

3)仿真和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果較為接近說(shuō)明本文所提出的混合動(dòng)力船舶Z源推進(jìn)系統(tǒng)和相應(yīng)控制策略的有效性，為設(shè)計(jì)新能源船舶提供了一種新的思路，具有很強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

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本文引用格式：

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Study of a Z-source electrical propulsion system for a hybrid power boat

GAN Shihong1, GU Wei2, CHU Jianxin2, WANG Jiayi1, GAO Diju1

(1.Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2.Scientific Research Academy, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

We investigated a type of hybrid power boat in order to solve the environmental pollution problem caused by the ship emission. The hybrid power boat uses photovoltaic (PV) cell and a super capacitor as the main power supply and auxiliary power supply, respectively. The electrical propulsion system of the hybrid power boat used the novel Z-source inverter. Details about the operating principle and control strategy of the hybrid power propulsion system were investigated. The stability of the DC-link voltage was maintained by the dual loop control, and the controller was designed based on a small signal model. The predictive model of the PV cell output power was established by applying a three-layer BP neural network. Furthermore, we designed the power predictive system of the PV cell. The output power of the PV cell and the super capacitor was controlled by the shoot-through duty cycle and the modulation factor. Finally, simulation and experiment results indicated that the PV cell delivered average power, and that the super capacitor provided the transient power and absorbed the regenerative braking power when the boat was running. These results verified the validity of the proposed control strategies.

hybrid power; new energy; boat; electrical propulsion; Z source inverter; control strategy ;BP neural network; photovoltaic cell

2016-04-19.

日期：2017-04-27.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61304186)；上海市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(14ZR1419100)；上海海事大學(xué)校基金項(xiàng)目(20130430).

甘世紅(1970-)，男，副教授.

甘世紅，E-mail:shgan@shmtu.edu.cn.

10.11990/jheu.201604054

TM464

A

1006-7043(2017)07-1015-08

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170427.1413.054.html