許德智 ,張 威 ,楊瑋林 ,夏 巖

(1.江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院,江蘇無(wú)錫 214122;2.四川輕化工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,四川宜賓 643002)

1 引言

傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)是采用原動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)齒輪減速器驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方式.由于傳動(dòng)軸系、減速齒輪等機(jī)械裝備的存在,不僅占用船舶大量的寶貴空間,另外也使得原動(dòng)機(jī)的擺放位置也受到極大的限制[1-2].伴隨著現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,全電力推進(jìn)系統(tǒng)被提出用來(lái)解決這一難題[3].

全電力推進(jìn)系統(tǒng)由原動(dòng)機(jī)、電纜、變換器與推進(jìn)器等部件組成.根據(jù)配電方式的不同,電力推進(jìn)系統(tǒng)又有著交流/直流之分.與交流配電相比,直流配電有著如下的優(yōu)勢(shì)[4-6]:1)發(fā)電機(jī)組之間不需要同步控制,且發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)負(fù)載條件實(shí)時(shí)調(diào)整,從而提高發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率與帶載能力.2)去除了變壓器等大型設(shè)備,減少船舶的重量,提高空間利用率.3)不存在無(wú)功功率控制問(wèn)題,簡(jiǎn)化了復(fù)雜的功率分析與控制問(wèn)題.在這眾多益處的推動(dòng)力下,全電直流配電技術(shù)成為研究熱點(diǎn).

船舶直流配電網(wǎng)中通常會(huì)存在著各式各樣的負(fù)載,除了用于航行的推進(jìn)器,設(shè)備正常運(yùn)行的服務(wù)型負(fù)載,還有電磁彈射系統(tǒng)、電子激光武器和雷達(dá)等在較短的時(shí)間內(nèi)需要大量功率的高動(dòng)態(tài)脈沖型負(fù)載[7-9].船舶的突然加減速、電磁武器的使用,所帶來(lái)的負(fù)載其變化速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)電機(jī)的爬坡功率,發(fā)電機(jī)將很難快速地輸出足額的功率.必將導(dǎo)致直流配電網(wǎng)中出現(xiàn)發(fā)電與用電不平衡的現(xiàn)象,進(jìn)而帶來(lái)直流母線電壓波動(dòng)、發(fā)電機(jī)組輸出的電壓畸變與頻率震蕩,嚴(yán)重者威脅著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[10].為了解決這一問(wèn)題,儲(chǔ)能裝置常被引入到直流配電網(wǎng)中用于補(bǔ)償功率差值,穩(wěn)定直流母線電壓,改善電能質(zhì)量[11-14].

船舶直流微網(wǎng)中發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)能裝置分別通過(guò)各自的變換器與直流母線相連的,為功率變換器設(shè)計(jì)高效的控制器已經(jīng)成為廣大學(xué)者們的研究熱點(diǎn)之一.文獻(xiàn)[15]基于Hamilton函數(shù)方法,對(duì)帶有超導(dǎo)磁儲(chǔ)能裝置的船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種魯棒協(xié)調(diào)控制方案.文獻(xiàn)[16]提出了一種基于直流母線電壓和頻率下降的反推控制器用于電壓源型整流器(voltage source rectifier,VSR),解決不可預(yù)測(cè)的三相負(fù)載突變帶來(lái)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩,功率角和電壓振蕩.文獻(xiàn)[17]提出了一種用于雙向直流電/直流電(direct current/direct current,DC/DC)轉(zhuǎn)換器(DC-DC)的新型模型預(yù)測(cè)控制器,減輕脈沖功率負(fù)載的負(fù)面影響.文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了一種非線性的參數(shù)自適應(yīng)反推控制器,控制直流微網(wǎng)中的功率變換器在不同的工作條件下都能將直流母線電壓調(diào)節(jié)在可接受的范圍內(nèi).

然而上述研究只關(guān)注了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,對(duì)包括超調(diào)量、收斂速度在內(nèi)的暫態(tài)性能沒(méi)有納入研究.預(yù)設(shè)性能控制是一種能夠同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)性能的控制方法[19],它通過(guò)定義性能函數(shù)和引入誤差轉(zhuǎn)換函數(shù),使得跟蹤誤差始終保持在由性能函數(shù)決定的邊界之內(nèi),同時(shí)保證閉環(huán)系統(tǒng)的收斂速度、減小超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差.文獻(xiàn)[20]針對(duì)一類未知非線性系統(tǒng)的控制問(wèn)題,通過(guò)反步法設(shè)計(jì)了一種時(shí)限預(yù)設(shè)性能自適應(yīng)模糊跟蹤控制器,在有限時(shí)間內(nèi)將跟蹤誤差收斂到固定區(qū)域,瞬態(tài)下的跟蹤性能也得到了優(yōu)化.文獻(xiàn)[21]針對(duì)自動(dòng)水下航行器面臨未知洋流和推進(jìn)器故障的特殊情況下,提出了一種具有規(guī)定暫態(tài)性能的自適應(yīng)區(qū)域跟蹤控制方案,實(shí)現(xiàn)洋流、模型不確定性和推進(jìn)器故障的補(bǔ)償,規(guī)定暫態(tài)性能的自適應(yīng)區(qū)域跟蹤.

眾所周知,終端滑?？刂?terminal sliding mode control,TSMC)是一種被廣泛地應(yīng)用在非線性系統(tǒng)中的控制方法,由于它在滑動(dòng)平面中引入了非線性函數(shù),使得滑動(dòng)平面的跟蹤誤差能夠在有限的時(shí)間內(nèi)收斂到零,另外與系統(tǒng)的參數(shù)及擾動(dòng)無(wú)關(guān),處于滑模運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)具有很好的魯棒性[22].

通過(guò)對(duì)母線電壓波動(dòng)原因的探究以及受上述控制思想的啟發(fā),本文首先在船舶系統(tǒng)中引入混合儲(chǔ)能系統(tǒng),彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)出力不足,接著嘗試將預(yù)設(shè)性能與終端滑模策略相結(jié)合,用于船舶直流微網(wǎng)系統(tǒng)中功率變換器的控制上,使得母線電壓的跟蹤誤差按照既定速度進(jìn)行收斂,并收斂到預(yù)定的區(qū)域之間,同時(shí)減小母線電壓上升到穩(wěn)態(tài)值過(guò)程中的超調(diào)量與調(diào)節(jié)時(shí)間,終端滑?？刂破鲗?shí)現(xiàn)功率指令的準(zhǔn)確跟蹤,迅速地響應(yīng)負(fù)載需求.

2 含有混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶直流微網(wǎng)

為了減輕脈負(fù)載突變給船舶直流母線電壓帶來(lái)的消極影響,在此將超級(jí)電容與蓄電池組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)引入微網(wǎng)系統(tǒng)中,其中發(fā)電機(jī)通過(guò)VSR與直流母線相連接,儲(chǔ)能單元通過(guò)DC-DC變換器與母線相連.則船舶直流微網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 船舶直流微網(wǎng)的基本拓?fù)銯ig.1 Basic topology of ship DC microgrid

2.1 VSR的數(shù)學(xué)模型

VSR是將同步發(fā)電機(jī)輸出的交流電變換成直流電的設(shè)備.為了簡(jiǎn)便控制器的設(shè)計(jì),假設(shè)變換器中的開關(guān)管為理想型,無(wú)功率損耗.根據(jù)基爾霍夫電壓、電流定律,得到它在三相ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型.

式中:Ea,Eb,Ec,分別為發(fā)電機(jī)的相電壓、線電流.si取值為0或1,當(dāng)sa=1時(shí),開關(guān)管S5導(dǎo)通,S6關(guān)斷.反之當(dāng)sa=0 時(shí),則相反.其他橋臂類似.

由于靜止三相ABC坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型的狀態(tài)量時(shí)變的交流量,設(shè)計(jì)控制器將面臨巨大困難,為此通過(guò)坐標(biāo)變換將模型轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下,可以得到

式中:Ed,Eq,id,iq分別為發(fā)電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的電壓、電流,md,mq為dq坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù).

2.2 蓄電池的工作數(shù)學(xué)模型

蓄電池作為直流微網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元,是一種可以循環(huán)充放電的設(shè)備.由于蓄電池的電壓與直流母線電壓等級(jí)不同,需要由雙向DC-DC變換器完成電壓轉(zhuǎn)換與能量傳輸?shù)娜蝿?wù).其工作模式有如下兩種:

當(dāng)蓄電池放電時(shí),能量經(jīng)過(guò)變換器傳輸?shù)街绷髂妇€上,由于蓄電池端電壓低于直流母線電壓,故變換器工作在升壓模式,此時(shí)S2關(guān)閉,S1斬波.

式中:為蓄電池的電流參考值,ib為蓄電池的工作電流,Ub為蓄電池的工作電壓,m1為開關(guān)管S1的開關(guān)函數(shù),取值0或1,i1為雙向DC-DC1的輸出電流.

當(dāng)蓄電池充電時(shí),變換器應(yīng)工作在降壓模式,此時(shí)S1關(guān)閉,S2斬波.

式中:m2為開關(guān)管S2的開關(guān)函數(shù),取值0或1.

綜上可以得到蓄電池工作的數(shù)學(xué)模型為

2.3 超級(jí)電容的工作數(shù)學(xué)模型

超級(jí)電容與蓄電池同樣都為電壓源型設(shè)備.與蓄電池相比,它的功率密度高,充放電速度快,非常適合為高功率脈沖型負(fù)載供電.它與直流微網(wǎng)的能量傳輸也由雙向DC-DC變換器來(lái)完成,故它的工作數(shù)學(xué)模型與蓄電池相似,如下所示:

式中:Usc為超級(jí)電容的端電壓,isc為超級(jí)電容的工作電流,為超級(jí)電容的參考電流,m3,m4分別為開關(guān)管S3,S4的開關(guān)函數(shù),取值0或1,i2為雙向DC-DC2的輸出電流.

2.4 功率變換器的整體數(shù)學(xué)模型

根據(jù)基爾霍夫電流定律,可以求得母線電容兩端的電壓Udc與負(fù)載電流iL存在如下關(guān)系:

式中iL為負(fù)載電流.

由功率守恒定律可知,VSR的交流側(cè)與直流側(cè)存在著有功功率相等的關(guān)系:

當(dāng)發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)態(tài)時(shí),Eq=0,將式(8)代到式(7)中可以得到

由式(2)(5)-(6)(9)可以獲得功率變換器的整體數(shù)學(xué)模型:

2.5 船舶負(fù)載的數(shù)學(xué)模型

將船舶系統(tǒng)中的負(fù)載按照用途大致分為如下3類:推進(jìn)器負(fù)載Pt、脈沖型功率負(fù)載Ph、服務(wù)型負(fù)載Ps.推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)螺旋槳在水中旋轉(zhuǎn),與水相互作用產(chǎn)生船舶航行的動(dòng)力,它所占比重最大.在靜水航行中的螺旋槳功率與轉(zhuǎn)速之間存在如下關(guān)系:

式中:sgn(·)為符號(hào)函數(shù),kt為阻轉(zhuǎn)矩系數(shù),ρ為海水的密度,n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速,d為螺旋槳的直徑.

脈沖型負(fù)載由電磁武器的使用所產(chǎn),具有持續(xù)時(shí)間短,速率變化快等特性,服務(wù)型負(fù)載是維持船舶正常運(yùn)作的基礎(chǔ),通常為生活用電、電子產(chǎn)品供電,不會(huì)出現(xiàn)大幅度波動(dòng).

3 船舶直流微網(wǎng)中的功率分配策略的設(shè)計(jì)

在海面的航行中,如遇突發(fā)狀況,船舶需要急?；蛘呒印p速,此時(shí)推進(jìn)器需要快速動(dòng)作,將產(chǎn)生大幅度波動(dòng)的推進(jìn)負(fù)載,另外電磁武器等高能設(shè)備的使用將帶來(lái)脈沖型負(fù)載.這些變化迅速的負(fù)載需要快速響應(yīng),但是發(fā)電機(jī)爬坡功率有限,調(diào)節(jié)能力不足以維持發(fā)電與用電之間的平衡,進(jìn)而造成母線電壓的波動(dòng).

為了解決這一矛盾,蓄電電池和超級(jí)電容組成混合儲(chǔ)能單元被引入到船舶直流微網(wǎng)中用以彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)的出力不足.其中蓄電池能量密度高,功率密度低,承擔(dān)者差額功率中的低頻成份,超級(jí)電容功率密度高、充放電速度快,承擔(dān)差額功率中的高頻成份.船舶直流微網(wǎng)系統(tǒng)中的具體能量管理策略如下:

船舶直流微網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型以電流、電壓作為狀態(tài)量,因此需將蓄電池與超級(jí)電容的參考功率指令轉(zhuǎn)換成參考電流指令.

4 基于預(yù)設(shè)性能的終端滑模反推控制器的設(shè)計(jì)

4.1 預(yù)設(shè)性能的基本理論

引理1連續(xù)函數(shù)φ(t):在R+→R+范圍內(nèi)滿足如下兩個(gè)限制條件,則可稱φ(t)為性能函數(shù)[23]:

1)φ(t)的函數(shù)值大于零且隨時(shí)間嚴(yán)格單調(diào)遞減;

2)φ∞=

指數(shù)函數(shù)的特征與上述條件相接近,因此定義了如下的性能函數(shù):

式中:φ0,φ∞均為大于零的常數(shù),γ代表收斂速度,取正整數(shù).

為了將誤差λ限定在指定的范圍內(nèi),定義了如下的不等式約束:

在上、下邊界φ(t),-φ(t)的共同作用,誤差λ(t)將跟隨預(yù)設(shè)性能函數(shù)的速度進(jìn)行收斂.

在設(shè)計(jì)控制器的時(shí)候,如果不對(duì)不等式約束(17)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,則設(shè)計(jì)的過(guò)程將變得很復(fù)雜.因此,非常必要在設(shè)計(jì)控制器前先將其轉(zhuǎn)換成等式約束.定義轉(zhuǎn)換關(guān)系為

式中:ε為轉(zhuǎn)換所帶來(lái)的誤差,?(ε)為轉(zhuǎn)換函數(shù).除了要具有光滑、可逆且嚴(yán)格遞增的特性外,還需要滿足如下條件:

只要找到合適的轉(zhuǎn)換函數(shù)滿足上述條件,就可以將不等式(17)轉(zhuǎn)換成如下的等式約束:

這里選擇如下的?(ε):

因?yàn)?(ε)為可逆函數(shù),則它的反函數(shù)--轉(zhuǎn)換誤差ε(t)為

對(duì)ε(t)進(jìn)行求導(dǎo)可以得到

4.2 控制器的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性證明

為了穩(wěn)定直流母線電壓、蓄電池與超級(jí)電容輸出給定的參考功率,直接將數(shù)學(xué)模型中的狀態(tài)變量Udc,id,iq,ib,isc作為被控對(duì)象,控制框圖如圖2所示.

圖2 控制策略框圖Fig.2 Control strategy block diagram

帶有預(yù)設(shè)性能的終端滑模反推控制器的設(shè)計(jì)步驟如下.

首先定義各被控量的跟蹤誤差:

Step 1設(shè)計(jì)VSR的d軸電流虛擬控制器,并對(duì)式(25)兩邊求導(dǎo)可以得到

為了能使直流母線電壓跟蹤誤差e1的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)值都被限制在指定的范圍內(nèi),且按照預(yù)定的速度進(jìn)行收斂,在此引入預(yù)設(shè)性能函數(shù)φ(t),將原來(lái)的母線電壓誤差e1用轉(zhuǎn)換誤差ξ來(lái)代替,ξ的導(dǎo)數(shù)根據(jù)式(24)可以得到

為使直流母線電壓的控制環(huán)路穩(wěn)定,定義如下結(jié)構(gòu)的Lyapunov函數(shù):

對(duì)V1進(jìn)行求導(dǎo)可以得到

式中k1＞0為一個(gè)常量.

從式(50)可以得出,本文設(shè)計(jì)的基于預(yù)設(shè)性能的終端滑模反推控制器能夠使得船舶直流微電網(wǎng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)漸近穩(wěn)定.

5 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文所提出的基于預(yù)設(shè)性能的終端滑模反推控制器、功率分配策略應(yīng)用在船舶直流微電網(wǎng)上的有效性與優(yōu)越性,在本節(jié)中,通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)算法的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證.首先,在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建船舶直流微電網(wǎng)系統(tǒng),其中能量供給單元與功率變換器的基本參數(shù)如表1所示.

表1 船舶直流微網(wǎng)系統(tǒng)的基本參數(shù)Table 1 Marine DC microgrid system parameters

其次,在推進(jìn)負(fù)載部分,考慮船舶的航行途中可能出現(xiàn)的突然加減速的情況,在仿真中設(shè)定了如圖3所示的螺旋槳速度變化曲線,在t=2 min時(shí),螺旋槳開始啟動(dòng),緩慢地加速到n=90 r/min,在t=5 min時(shí),轉(zhuǎn)速開始快速下降到零,接著螺旋槳開始進(jìn)入反轉(zhuǎn),并在t=7.5 min時(shí)加速到n=100 r/min,隨后螺旋槳開始減速并進(jìn)入正轉(zhuǎn),在t ＞10 min階段維持在n=73 r/min.由式(11)可以計(jì)算得到Pt,推進(jìn)負(fù)載曲線如圖4所示.

圖3 螺旋槳速度設(shè)定曲線Fig.3 Propeller speed setting curve

圖4 各種負(fù)載需求曲線Fig.4 Various load demand curves

服務(wù)型負(fù)載Ps在t=1 min 時(shí)接入母線,并逐漸增大到最大功率110 kW附近;脈沖型負(fù)載Ph在t=11 min時(shí)接入母線,單次最大功負(fù)荷160 kW,每次持續(xù)時(shí)間3 s 左右;兩者功率曲線如圖4所示.

接著,按照第3節(jié)中的功率分配策略,將直流母線上的負(fù)載分別分配到發(fā)電機(jī)、蓄電池、超級(jí)電容上,其中系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts=10 μs,一階低通濾波器時(shí)間常數(shù)τ=1 μs,分配結(jié)果如圖5所示.

圖5 各能量單元的參考功率曲線Fig.5 Reference power curve of each energy unit

最后,將所設(shè)計(jì)的控制器代入到控制系統(tǒng)中,得到PWM控制功率變換器動(dòng)作,控制器的基本參數(shù)如表2所示.

表2 控制器的參數(shù)Table 2 Controller parameters

設(shè)定船舶微網(wǎng)直流母線額定電壓=800 V,圍繞穩(wěn)定直流母線電壓和控制功率變換器輸出參考功率的目標(biāo)進(jìn)行仿真,預(yù)設(shè)性能終端滑模反推控制器的控制效果如圖6-11所示.

圖6為負(fù)載需求響應(yīng)曲線.結(jié)合圖7-8可以看出:在t ＜2 min階段,服務(wù)型負(fù)荷逐漸增大到100 kW附近;在2 min ≤t ＜5 min階段,螺旋槳開始啟動(dòng)并逐漸加速,母線上的負(fù)載逐漸增大,但是沒(méi)有超出發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)能力范圍,混合儲(chǔ)能系統(tǒng)不需要參與調(diào)節(jié)出力;在5 min ≤t ＜10 min這段時(shí)間內(nèi),螺旋槳轉(zhuǎn)速的突變,使得母線上負(fù)載出現(xiàn)了大幅度波動(dòng),由于發(fā)電機(jī)受爬坡功率的限制,出力將會(huì)不足,需要混合儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)彌補(bǔ)差額功率;在10 min ≤t ＜15 min階段,電磁武器投入使用,給母線帶來(lái)了脈沖型負(fù)載,此時(shí)超級(jí)電容迅速充放電,蓄電池協(xié)同配合以滿足負(fù)荷需要.在整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)階段,直流微網(wǎng)系統(tǒng)均能夠?qū)ω?fù)載作出快速地響應(yīng),到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率波動(dòng)僅在0.3 kW以內(nèi).

圖7為蓄電池的輸出功率跟蹤情況,可以看出蓄電池全程迅速、準(zhǔn)確地跟蹤參考功率.當(dāng)t ＜5 min時(shí),蓄電池?zé)o需輸出功率,穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差僅有0.2 kW,之后參與系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié),其中功率指令Pcb變化緩慢,但是需要蓄電池調(diào)節(jié)的時(shí)間較超級(jí)電容要長(zhǎng),實(shí)際的輸出功率都在參考功率上、下0.3 kW附近.

圖8為超級(jí)電容的輸出功率跟蹤曲線,超級(jí)電容承擔(dān)著差額功率中的高頻部分,指令變化較蓄電池更加突然,尤其是在電磁武器投入使用的階段,但是超級(jí)電容同樣能夠完美地跟蹤指令,輸出足額的功率,穩(wěn)態(tài)誤差也保持在0.2 kW以內(nèi).

圖8 超級(jí)電容輸出功率跟蹤曲線Fig.8 SC output power tracking curve

圖10為直流母線電壓跟蹤情況,其中(a)反映了無(wú)混合儲(chǔ)能(no hybrid energy storage system,nHESS)情況下的船舶直流母線電壓,從中可以看出,由于發(fā)電機(jī)出力的不足,母線電壓在船舶突然加減速期間上下波動(dòng)了將近40 V,在電磁武器使用階段,電壓跌落到770 V左右.

圖9 不同控制器下的電壓跟蹤誤差收斂曲線Fig.9 Convergence curve of voltage tracking error under different controllers

圖10 直流母線電壓跟蹤情況曲線Fig.10 DC bus voltage tracking curve

為了解決負(fù)載波動(dòng)帶來(lái)的船舶直流母線電壓波動(dòng)問(wèn)題,在引入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)先進(jìn)的控制器,并將其與PI,BC兩種控制器進(jìn)行效果比較,從圖9-10中可以看出本文控制器具有如下的優(yōu)越性能:1)在預(yù)設(shè)性能函數(shù)的約束作用下,直流母線電壓在從零上升到額定電壓的過(guò)程中,僅產(chǎn)生了50 V的超調(diào)量,是其他兩種方法的一半,且調(diào)節(jié)時(shí)間最短;2)在5 min ≤t ＜10 min階段,推進(jìn)器負(fù)載大幅度造成的母線電壓跌落僅在上、下2 V左右,另外兩種方法作用下的母線電壓波動(dòng)較大,將近5 V;3)當(dāng)10 min ≤t ＜15 min 時(shí),PFTSMC 作用下的電壓跌落不到2 V,遠(yuǎn)小于PI 與BC,且再次恢復(fù)到額定電壓用時(shí)少;4)PFTSMC作用下的電壓誤差全程被限制在上、下4 V之內(nèi),另外兩種方法作用下的電壓偏差超過(guò)了此設(shè)定值.

圖11為4個(gè)滑動(dòng)模態(tài)平面曲線,滑模面一直在零附近徘徊,且抖振很小,從而說(shuō)明了閉環(huán)控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的.

圖11 滑模面S1,S2,S3,S4Fig.11 Sliding mode surface S1,S2,S3,S4

6 結(jié)論

由于負(fù)載的突變,發(fā)電機(jī)受爬坡功率的制約很難快速響應(yīng),這將很容易導(dǎo)致船舶的發(fā)電側(cè)與用電側(cè)之間產(chǎn)生功率失衡,進(jìn)而造成直流母線電壓的波動(dòng).為了解決這一問(wèn)題,在船舶直流微網(wǎng)中引入混合儲(chǔ)能裝置用以彌補(bǔ)發(fā)電機(jī)出力不足的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)了一種基于預(yù)設(shè)性能的終端滑模反推控制策略.首先建立船舶直流微網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型,接著對(duì)負(fù)載功率進(jìn)行合理分配,最后將控制器作用在功率變化器上.從仿真的結(jié)果中可以看出,無(wú)論是出現(xiàn)突加負(fù)載、甩負(fù)荷以及電磁武器使用,直流的母線電壓均能夠穩(wěn)定在額定值附近、且受負(fù)載波動(dòng)的影響較PI、反推控制器小,且波動(dòng)范圍能夠很好地被限制在預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi),明顯比其他兩種控制器優(yōu)越.

后期的工作將著力研究效率更高的功率分配控制策略,并對(duì)基于預(yù)設(shè)性能的終端滑模反推控制器進(jìn)行改進(jìn),以取得更優(yōu)的控制效果.