集美大学俞万能教授团队提出一种面向动态负载环境的船舶直流变换器自适应控制策略

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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。

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。

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。

图3 全负载范围内参数指标V1

图4 全负载范围内参数指标V2

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。

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。

图6 全负载范围内自适应PI参数优化流程

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

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。

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。

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。

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.