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导语
船舶运行工况具有较强的动态性,受推进、操纵及船载电力设备启停和工况切换等因素影响,船舶负荷呈现出频繁波动和快速变化的特征。在此类动态负载环境下,船用DC-DC变换器在工程应用中通常采用闭环控制,伴随负荷的频繁变化,系统可能存在电压波动加剧、动态响应迟滞,甚至母线电压振荡抑制能力劣于开环控制的问题。
针对上述问题,集美大学俞万能教授团队采用递推最小二乘法辨识变换器系统参数,结合PV曲线分析不同控制策略的负载依赖性,综合考虑全负载范围内的动态性能指标评估结果,构建涵盖幅值与相位误差的多目标函数,并采用遗传算法进行全局优化,实现DC-DC控制参数的自适应调整。
研究背景
随着“双碳”战略的深入推进与新能源技术的快速发展,船舶行业正加速向绿色化、电气化方向转型。船舶直流微电网凭借结构紧凑、功率分配灵活等优势,已成为新型船舶动力系统的重要组成形式。然而,在动态负载环境下,负荷功率频繁突变易引发直流母线电压振荡,并伴随能量协调控制困难及变换器动态响应不一致等问题,严重制约船舶直流电网的稳定运行与动态性能。
论文所解决的问题及意义
船舶动态负载主要包括电力推进负载和生活/服务性负载,其中电力推进负载功率等级高、响应快且负载波动剧烈,而船舶直流微电网系统容量小、负荷集中且运行环境复杂,在动态负载环境下母线电压易发生频繁波动,导致闭环控制系统的调节效果各异,甚至在抑制电压振荡方面不及开环控制。因此,实现PI参数的自适应动态调节,以提升控制系统在突变负载条件下的响应速度和稳态恢复能力,仍是亟待解决的关键问题。
论文方法及创新点
1、基于混杂系统理论的DC-DC数学模型
考虑到实际变换器通常表现为“黑箱”模型,具体参数未知且随时间发生变化,且系统中中存在连续动态部分和离散事件部分,故采用混杂系统理论对DC-DC变换器进行建模,其等效模型如图1所示。
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图1 Boost型DC-DC变换器混杂系统模型
2、基于PV曲线的负载依赖性分析
在船舶直流微电网中,DC-DC变换器常采用闭环控制和开环控制。传统观点认为闭环控制性能优于开环,但在某些控制参数配置下,闭环控制效果劣于开环控制,导致母线电压波动增大且恢复时间延长。为验证这一观点,设计P-V曲线提取系统4个关键参数指标:突加负载后电压恢复过程中出现的最大电压跃升V1,突加负载瞬间最大电压跌落V2,稳态电压值V3,以及突卸负载瞬间最大电压跃升V4。分析结果如图2所示。
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图2 PV曲线分析结果
基于上述分析结果,在全负载范围内V3基本维持在稳态点附近,误差较小,因此重点对V1、V2和V4进行综合评估,据此确定参数优化范围,结果如图3~图5所示。
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图3 全负载范围内参数指标V1
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图4 全负载范围内参数指标V2
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图5 全负载范围内参数指标V4
3、面向动态负载环境的PI参数优化方法
以最小化负载变化前后闭环输出阻抗的幅值误差与相位误差为目标,构建PI控制参数自适应调整模型,通过优化PI控制参数组合,以实现系统在全负载范围内的动态响应性能保持稳定,提升直流母线电压扰动的抑制能力。
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为了拟合负载突变前后闭环控制输出阻抗的整体频域特性,采用遗传算法对自适应控制策略的参数进行优化,优化过程如下:
(1)在约束函数设定的控制参数范围内,随机生成多组 (Kp, Ki) 组合,将其作为初始种群中的个体。
(2)基于输出阻抗幅值和相位误差目标函数,计算每个个体的适应度J(Kp, Ki),以加权目标函数的误差最小化为标准进行适应度评估,筛选出性能较优的个体。
(3)执行选择、交叉和变异操作,使种群不断进化,从而提升参数优化效果。在迭代过程中,不断更新Kp、Ki参数,推动误差函数J(Kp, Ki)逐步向最优解收敛。
(4)通过设定收敛阈值或最大迭代次数,得到约束集内最优的控制参数组合。
全负载范围内自适应PI参数优化流程图及控制框图如图6、图7所示。
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图6 全负载范围内自适应PI参数优化流程
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图7 面向动态负载环节的自适应控制策略
结论
1)采用混杂系统理论对DC-DC进行建模,结合RLS对所建模型进行求解,有效地辨识了DC-DC内部元器件参数,参数辨识结果与实际值之间的相对误差低于4%。
2)结合P-V曲线揭示了闭环控制的动态响应存在负载依赖性。在全负载范围内对所提参数指标进行评估,明确了系统控制参数全局选取范围。
3)相较于传统闭环控制方法,在负载突变瞬间,所提方法对负载引起的电压突变平均降幅超过30%,系统从振荡恢复至稳态的时间缩短18%以上,对母线电压的振荡抑制能力平均提升30%。
团队介绍
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团队自2000年起长期从事智能全电船研究与工程落地,紧扣智能全电船的环境感知、避障控制、动力保障3方面的技术瓶颈,打造了智能感知、精准控制、可靠运行并具有自主知识产权的新一代智能全电船。团队具有博导、硕导、电机员、电子电气工程师、博士/硕士研究生共40余人;承担国家级、省市级、校企合作、国防项目等30余项;授权专利42件;发表高水平论文80余篇,SCI/EI收录40余篇;获中国航海科技奖、市科技进步奖等3项。
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俞万能
教授/院长,博导、硕导,福建省近海小型绿色智能船舶系统工程研究中心主任。研究方向为船舶电力推进及其控制、多能源船舶微网系统、船舶智能控制等方面。
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廖卫强
教授,硕导,福建省近海小型绿色智能船舶系统工程研究中心副主任,电气工程专业负责人。研究方向为新能源船舶综合电力推进系统、无人船智能控制系统、在役船舶锂电池组检测技术等方面。
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董鑫
博士研究生,研究方向为新能源船舶电力系统建模与稳定性分析、多变换器系统耦合特性研究等方面。
本工作成果发表在2026年第12期《电工技术学报》,论文标题为"动态负载环境下船舶直流变换器自适应控制策略"。本课题得到国家自然科学基金项目、福建省中青年教师教育科研项目、厦门市自然科学基金项目和福建省自然科学基金面上项目资助。
引用本文
董鑫, 张长坤, 俞万能, 廖卫强, 陈垚. 动态负载环境下船舶直流变换器自适应控制策略[J]. 电工技术学报, 2026, 41(12): 4146-4159. Dong Xin, Zhang Changkun, Yu Wanneng, Liao Weiqiang, Chen Yao. Adaptive PI Control Strategy for Shipboard DC Converters in Dynamic Load Environments. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(12): 4146-4159.
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