一种用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制方法及装置
1.本发明涉及一种用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制方法及装置。
背景技术：
2.现有船舶岸电系统不间断切换技术，存在两个主要技术问题是并网以及负荷转供。在并网环节，现有技术一般采用并网预同步，虽然可有效实现并网过程中的频率与电压稳定，但并网预同步环节需要同时检测船舶与岸基系统的电压与频率，以保证可以顺利并网，这既增加了技术成本，也增加了相应的设备成本。在负荷转供阶段，现存的常用方法一般是基于下垂特性的变流器控制，下垂特性可以将有功功率与系统频率紧密联合起来，这种方法主要通过系统真实频率与参考频率做差(真实电压与参考电压做差)，然后通过下垂系数得到所需有功(或无功)功率指令，做到有功功率输出对系统频率进行调节，无功功率输出对系统电压进行调节。然而，下垂控制虽可以模拟功率输出，却不能做到频率的无差调节，这对系统稳定性有极大的影响，更加难以解决负荷转供所带来的频率波动。
技术实现要素：
3.本发明的目的在于提供一种用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制方法及装置，能够实现岸电系统电网频率无差调节，有效降低并网成本。
4.基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
5.1、一种用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制方法，包括如下步骤：
6.步骤1：获得岸电系统变流器输出电压u
abc
、输出电流i
abc
和电网频率ω，将变流器输出电压u
abc
、输出电流i
abc
经过帕克变换获得输出电压d轴分量ud、输出电压q轴分量uq，输出电流d轴分量id、输出电流q轴分量iq；
7.步骤2：基于输出电压d轴分量ud、电网频率ω，通过电压幅度频率外环控制单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，
8.步骤3：基于指令值i
dref
和i
qref
、输出电流d轴分量id、输出电流q轴分量iq，通过电流内环控制单元调节，获得岸电系统变流器输出电压d轴分量参考值v
dref
、输出电压q轴分量参考值v
qref
；
9.步骤4：将岸电系统变流器输出电压d轴分量参考值v
dref
、输出电压q轴分量参考值v
qref
经过反帕克变换获得岸电系统变流器输出电压vs,将输出电压vs输出至pmw模块，pmw模块产生pmw信号控制岸电系统的变流器。
10.进一步地，步骤2中，当港区不需要对系统容量进行直接调度时，通过电压幅度频率外环控制单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
11.进一步地，步骤2中，通过如下公式获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，
12.i
dref
＝g
p1
(s)(ω
ref-ω)
13.i
qref
＝g
q1
(s)(u
dref-ud)
14.其中，g
p1
(s)为频率-有功电流函数，g
q1
(s)为电压-无功电流函数，ω为锁相环得
到的电网频率，ud为岸电系统变流器输出电压d轴分量，ω
ref
为电网频率参考值，u
dref
为电压参考值，i
dref
以及i
qref
为电流内环指令值。
15.进一步地，频率-有功电流函数g
p1
(s)和电压-无功电流函数g
q1
(s)为以下任何形式之一，
16.a.比例控制器
17.g
p1
(s)＝k
ωp
；g
q1
(s)＝k
up
18.其中，k
ωp
为频率-有功电流比例系数，k
up
为电压-无功电流比例系数；
19.b.比例积分微分控制器
20.g
p1
(s)＝k
ωp
+k
ωi
/s+sk
ωd
；g
q1
(s)＝k
up
+k
ui
/s+sk
ud
21.其中，k
ωp
、k
ωi
、k
ωd
为频率-有功电流比例、积分、微分系数，k
up
、k
ui
、k
ud
为电压-无功电流比例、积分、微分系数，s为微分因子。
22.进一步地，步骤2中，当港区需要对系统容量进行直接调度时，基于输出电压d轴分量ud、电网频率ω，通过电压幅度频率外环控制单元和功率外环单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
23.进一步地，步骤2中，通过电压幅度频率外环控制单元调节获得功率外环单元的指令值p
ref
和q
ref
，具体公式如下，
24.p
ref
＝g
p3
(s)(ω
ref-ω)
25.q
ref
＝g
q3
(s)(u
dref-ud)
26.其中，g
p3
(s)与g
q3
(s)为频率-有功函数、电压-无功函数，ω为锁相环得到的电网频率，ud为岸电系统变流器输出电压d轴分量，ω
ref
为电网频率参考值，u
dref
为电压参考值，p
ref
、q
ref
为功率外环单元的指令值。
27.进一步地，步骤2中，基于指令值p
ref
和q
ref
、岸电系统变流器输出有功功率p和无功功率q，通过功率外环单元调节获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
28.进一步地，步骤2中，通过功率外环单元调节获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，具体公式如下，
29.i
dref
＝g
p4
(s)(p
ref-p)
30.i
qref
＝g
q4
(s)(q
ref-q)
31.其中，g
p4
(s)与g
q4
(s)为有功-有功电流函数、无功-无功电流函数，
32.p
ref
、q
ref
为功率外环控制单元的指令值，p、q为岸电系统变流器输出有功、无功功率，i
dref
、i
qref
为电流内环控制单元的指令值。
33.进一步地，步骤1中，通过锁相环获得电网频率ω。
34.2、一种用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制装置，用于执行上述的方法。
35.本发明具有的有益效果：
36.本发明获得岸电系统变流器输出电压u
abc
、输出电流i
abc
和电网频率ω，将变流器输出电压u
abc
、输出电流i
abc
经过帕克变换获得输出电压d轴分量ud、输出电压q轴分量uq，输出电流d轴分量id、输出电流q轴分量iq；基于输出电压d轴分量ud、电网频率ω，通过电压幅度频率外环控制单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，基于指令值i
dref
和i
qref
、输出电流d轴分量id、输出电流q轴分量iq，通过电流内环控制单元调节，获得岸电系统变流器输出电压d轴分量参考值v
dref
、输出电压q轴分量参考值v
qref
；将岸电系统变流器输出
电压d轴分量参考值v
dref
、输出电压q轴分量参考值v
qref
经过反帕克变换获得岸电系统变流器输出电压vs,将输出电压vs输出至pmw模块，pmw模块产生pmw信号控制岸电系统的变流器。本发明通过幅频外环控制单元，能够在并网阶段自主跟踪电网电压以及频率，不需其他检测环节并实现有效平稳并网，进而有效降低成本。
37.本发明当港区不需要对系统容量进行直接调度时，通过电压幅度频率外环控制单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
38.通过如下公式获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，
39.i
dref
＝g
p1
(s)(ω
ref-ω)
40.i
qref
＝g
q1
(s)(u
dref-ud)
41.其中，g
p1
(s)为频率-有功电流函数，g
q1
(s)为电压-无功电流函数，ω为锁相环得到的电网频率，ud为岸电系统变流器输出电压d轴分量，ω
ref
为电网频率参考值，u
dref
为电压参考值，i
dref
以及i
qref
为电流内环指令值。
42.频率-有功电流函数g
p1
(s)和电压-无功电流函数g
q1
(s)为以下任何形式之一，
43.a.比例控制器
44.g
p1
(s)＝k
ωp
；g
q1
(s)＝k
up
45.其中，k
ωp
为频率-有功电流比例系数，k
up
为电压-无功电流比例系数；
46.b.比例积分微分控制器
47.g
p1
(s)＝k
ωp
+k
ωi
/s+sk
ωd
；g
q1
(s)＝k
up
+k
ui
/s+sk
ud
48.其中，k
ωp
、k
ωi
为频率-有功电流比例、积分、微分系数，k
up
、k
ui
为电压-无功电流比例、积分、微分系数，s为微分因子。
49.本发明通过上述方法实现电压幅度频率外环控制单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，进一步保证能够实现岸电系统电网频率无差调节可靠性。
50.本发明当港区需要对系统容量进行直接调度时，基于输出电压d轴分量ud、电网频率ω，通过电压幅度频率外环控制单元和功率外环单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
51.通过电压幅度频率外环控制单元调节获得功率外环单元的指令值p
ref
和q
ref
，具体公式如下，
52.p
ref
＝g
p3
(s)(ω
ref-ω)
53.q
ref
＝g
q3
(s)(u
dref-ud)
54.其中，g
p3
(s)与g
q3
(s)为频率-有功函数、电压-无功函数，ω为锁相环得到的电网频率，ud为岸电系统变流器输出电压d轴分量，ω
ref
为电网频率参考值，u
dref
为电压参考值，p
ref
、q
ref
为功率外环单元的指令值。
55.基于指令值p
ref
和q
ref
、岸电系统变流器输出有功功率p和无功功率q，通过功率外环单元调节获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
56.通过功率外环单元调节获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，具体公式如下，
57.i
dref
＝g
p4
(s)(p
ref-p)
58.i
qref
＝g
q4
(s)(q
ref-q)
59.其中，g
p4
(s)与g
q4
(s)为有功-有功电流函数、无功-无功电流函数，p
ref
、q
ref
为功率
外环控制单元的指令值，p、q为岸电系统变流器输出有功、无功功率，i
dref
、i
qref
为电流内环控制单元的指令值。
60.本发明通过上述方法实现并网环节以及负荷转移环节频率与功率的统一控制，有效增强系统运行稳定性。
附图说明
61.图1是本发明用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制原理图；
62.图2是三相静止abc、两相静止αβ和旋转dq坐标系的空间矢量关系图；
63.图3是船舶与岸电系统并网系统pwm变流器的矢量形式等效电路图。
具体实施方式
64.下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
65.实施例一：
66.用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制方法
67.如图1所示，本发明用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制方法包括如下步骤：
68.步骤1：获得岸电系统变流器输出电压u
abc
、输出电流i
abc
和电网频率ω，将变流器输出电压u
abc
、输出电流i
abc
经过帕克变换获得输出电压d轴分量ud、输出电压q轴分量uq，输出电流d轴分量id、输出电流q轴分量iq。
69.电网频率ω通过锁相环获得。
70.步骤2：基于输出电压d轴分量ud、电网频率ω，通过电压幅度频率外环控制单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
71.第一种情况，当港区不需要对系统容量进行直接调度时，通过电压幅度频率外环控制单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
72.通过如下公式获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，
73.i
dref
＝g
p1
(s)(ω
ref-ω)
74.i
qref
＝g
q1
(s)(u
dref-ud)
75.其中，g
p1
(s)为频率-有功电流函数，g
q1
(s)为电压-无功电流函数，ω为锁相环得到的电网频率，ud为岸电系统变流器输出电压d轴分量，ω
ref
为电网频率参考值，u
dref
为电压参考值，i
dref
以及i
qref
为电流内环指令值。
76.频率-有功电流函数g
p1
(s)和电压-无功电流函数g
q1
(s)为以下任何形式之一，
77.a.比例控制器
78.g
p1
(s)＝k
ωp
；g
q1
(s)＝k
up
79.其中，k
ωp
为频率-有功电流比例系数，k
up
为电压-无功电流比例系数；
80.b.比例积分微分控制器
81.g
p1
(s)＝k
ωp
+k
ωi
/s+sk
ωd
；g
q1
(s)＝k
up
+k
ui
/s+sk
ud
82.其中，k
ωp
、k
ωi
为频率-有功电流比例、积分、微分系数，k
up
、k
ui
为电压-无功电流比例、积分、微分系数，s为微分因子。
83.第二种情况，当港区需要对系统容量进行直接调度时，基于输出电压d轴分量ud、电网频率ω，通过电压幅度频率外环控制单元和功率外环单元调节，获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
84.通过电压幅度频率外环控制单元调节获得功率外环单元的指令值p
ref
和q
ref
，具体公式如下，
85.p
ref
＝g
p3
(s)(ω
ref-ω)
86.q
ref
＝g
q3
(s)(u
dref-ud)
87.其中，g
p3
(s)与g
q3
(s)为频率-有功函数、电压-无功函数，ω为锁相环得到的电网频率，ud为岸电系统变流器输出电压d轴分量，ω
ref
为电网频率参考值，u
dref
为电压参考值，p
ref
、q
ref
为功率外环单元的指令值。
88.基于指令值p
ref
和q
ref
、岸电系统变流器输出有功功率p和无功功率q，通过功率外环单元调节获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
。
89.通过功率外环单元调节获得电流内环控制单元的指令值i
dref
和i
qref
，具体公式如下，
90.i
dref
＝g
p4
(s)(p
ref-p)
91.i
qref
＝g
q4
(s)(q
ref-q)
92.其中，g
p4
(s)与g
q4
(s)为有功-有功电流函数、无功-无功电流函数，p
ref
、q
ref
为功率外环控制单元的指令值，p、q为岸电系统变流器输出有功、无功功率，i
dref
、i
qref
为电流内环控制单元的指令值。
93.步骤3：基于指令值i
dref
和i
qref
、输出电流d轴分量id、输出电流q轴分量iq，通过电流内环控制单元调节，获得岸电系统变流器输出电压d轴分量参考值v
dref
、输出电压q轴分量参考值v
qref
。
94.通过电流内环控制单元调节，获得岸电系统变流器输出电压d轴分量参考值v
dref
、输出电压q轴分量参考值v
qref
，具体公式如下：
[0095][0096]
其中，id以及iq为流过滤波器电感lf的电流测量值i
abc
经过帕克变换得到的d轴分量id以及q轴分量iq，i
dref
以及i
qref
为电流内环控制单元的指令值，g
p2
(s)与g
q2
(s)为电流内环控制单元函数，其表现形式与幅频外环控制器单元的函数相同。
[0097]
步骤4：将岸电系统变流器输出电压d轴分量参考值v
dref
、输出电压q轴分量参考值v
qref
经过反帕克变换获得岸电系统变流器输出电压vs,将输出电压vs输出至pmw模块，pmw模块产生pmw信号控制岸电系统的变流器。
[0098]
下面进一步详细说明本发明用于船舶岸电系统的变流器跟网型控制方法的推导过程。
[0099]
如图2所示，三相静止abc、两相静止αβ和旋转dq坐标系的空间矢量关系图中，θ为d轴与α轴之间的夹角，θ＝ωt+θ0，θ0为初始时刻两轴间的夹角；ω为任意速电角速度。
[0100]
由三相静止abc坐标系到两相静止αβ坐标系的变换简称为3s/2s变换，采用恒相幅值原则的3s/2s变换关系可用如下变换矩阵来表示。
[0101][0102]
由两相静止αβ坐标系到三相静止abc坐标系的变换矩阵则为
[0103][0104]
从两相静止αβ坐标系到两相任意速旋转dq坐标系的变换简称为2s/2r变换，其变换矩阵如下
[0105][0106]
逆变换矩阵应为
[0107][0108]
因此可以得到电压矢量与电流矢量从三相静止abc坐标系到两相旋转dq坐标系变换为
[0109][0110][0111]
通过图1和图2可以得到船舶与岸电系统并网系统pwm变流器的矢量形式等效电路。
[0112]
由图3可以得到在同步速ω1旋转dq坐标系中船舶与岸电系统并网系统pwm变流器电压方程的矢量形式为
[0113][0114]
其中，ug为船舶同步机电压矢量,且ug＝u
gd
+ju
gq
,在并网系统中通常有ug＝us；
[0115]
ig为岸基系统pwm变流器输入电流矢量,且ig＝i
gd
+ji
gq
；
[0116]vg
为岸基系统pwm变流器交流测电压矢量,且vg＝v
gd
+jv
gq
；
[0117]
rg为并网系统等效电阻；
[0118]
lg为并网系统等效电感；
[0119]
pg为岸基系统pwm变流器的输出功率。
[0120]
另外，通过图3可以得到岸基系统pwm变流器向电网输出的有功(无功)功率分别为
[0121][0122][0123]
在同步速ω1旋转dq坐标系中采用d轴电网电压定向后，就可以得到u
sd
＝|us|＝us，u
sq
＝0，其中us为相电压峰值，这里就可以由式(8)和式(9)简化为
[0124][0125][0126]
式(10)中，pg小于零表示pwm变流器工作于整流状态，从电网吸收能量；pg大于零表示pwm变流器处于逆变状态，能量从直流侧回馈到电网。式(11)中，qg小于零表示pwm变流器呈现容性特性，从电网吸收超前的无功；qg大于零表示pwm变流器呈感性特性，从电网吸收滞后的无功。所以采用电网电压定向后，电流矢量的d、q轴分量i
gd
、i
gq
实际上分别代表了变流器的有功、无功电流分量。
[0127]
根据式(7)可得基于d轴电网电压定向的变流器交流侧输出电压的dq分量形式为
[0128][0129]
其中令
[0130][0131]
为了消除静差，引入积分环节，根据式(13)可设计出电流控制器(电流内环控制单元)为
[0132][0133]
其中，分别为d、q轴的电流指令，k
igp
、k
igi
分别为电流控制器的比例、积分系数。
[0134]
式(14)表示了电流控制器(电流内环控制单元)的输出电压，代入式(12)可得pwm变流器输出电压参考值为
[0135][0136]
式(15)表明，由于引入了电流状态反馈量ω1lgi
gq
、ω1lgi
gd
来实现解耦，同时又引入电网扰动电压项和电阻压降rgi
gd
、rgi
gq
来进行前馈补偿，从而实现了d、q轴电流的独立控制，可提高系统的动态解耦性能。
[0137]
通过式(10)和式(11)可以得到有功(无功)功率与电流矢量的d、q轴分量i
gd
、i
gq
之间的关系，这里就可以通过功率来控制电流i
gd
、i
gq
输出的给定，从而类似于式(14)所示的电流控制器，功率控制器(功率外环单元)可设计为
[0138][0139][0140]
其中，p
*
、q
*
为有功(无功)功率的指令值，k
pgp
、k
pgi
分别为功率控制器的比例、积分系数。
[0141]
在此之后，重点关注有功功率指令值p
*
、q
*
的产生，这里使用的幅频外环闭环控制，也依旧采取了上述控制器的设计，从而达到了频率与有功功率的统一控制，电压与无功功率的统一控制。其控制器(电压幅度频率外环控制单元)设计为
[0142][0143][0144]
其中，为频率的指令值，k
ωgp1
、k
ωgi1
分别为频率控制器的比例、积分系数；为电容电压的指令值，k
vgp1
、k
vgi1
分别为频率控制器的比例、积分系数。
[0145]
进一步，通过式(16)、(17)、(18)、(19)可以看出，频率ω1和电容电压v1与有功电流以及无功电流有直接的强相关联系，如果除去中间的功率环节，那么幅频外环控制与功率外环控制可以合成一个外环控制，其控制器可以设计为：
[0146][0147]
[0148]
其中，为频率的指令值，k
ωgp2
、k
ωgi2
分别为频率控制器的比例、积分系数；为电容电压的指令值，k
vgp2
、k
vgi2
分别为频率控制器的比例、积分系数。
[0149]
于是，由式(15)、(16)、(17)、(18)、(19)、(20)和(21)可以得到如图1所示的岸基系统pwm变流器基于幅频闭环控制的幅频外环(或幅频-功率外环)、电流内环的跟网型控制框图。
[0150]
实施例二：
[0151]
电压源型逆变器的并网预同步控制装置
[0152]
用于执行上述的方法。
[0153]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
[0154]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
