CN104158181B - 一种基于虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制方法，采用虚拟同步发电机控制策略，引入发电机的二阶机电暂态模型，通过合理利用模型中转动惯量J，使得逆变器具有与柴油发电机相似的电气和机械特性；构建实现系统下垂特性的功频控制器模块和励磁控制器控制策略对虚拟同步发电机进行控制；计算得到虚拟同步发电机的端电压作为合成调制波给入逆变器的空间矢量脉冲调制算法，经过调制输出具有与同步发电机相似的电气和机械特性并网电压，接入船舶有限电网。本发明的方法可平滑岸上电网的输出功率，能维持整个系统的稳定性。

Description

一种基于虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制方法

技术领域

本发明涉及岸电控制领域,特别是一种基于虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制方法。

背景技术

采用陆地电源对靠港船舶供电的方式称为“岸电技术”，是船舶泊靠码头时，停止所有的船舶柴油机电站运转，将船舶用电改由岸电电站提供，以达到降低港区污染废气的排放量。2006年，欧盟提出并通过了在欧盟范围内各个海港码头停泊船舶要使用岸电供电的法案2006/339/EC，建议成员国提出对使用岸电的优惠政策，并一起制订岸电电站国际标准，相互之间应就海港岸电供电交流经验，大力推广使用岸电。为了加强港口行业节能减排，我国交通运输部明确提出在“十二五”末，全国海港码头中一半以上超万吨级泊位要提供岸电，推广靠港船舶使用岸电是各大港口节能减排重点工作之一。多年来，国内外很多学者试图采用先进的“岸电电站装备”来彻底解决这个问题，但是如何提供稳定可靠的兆瓦级海港岸电电站装备一直是供电领域的一项重大技术难题和前沿技术。

我国港口码头提供的电网为380V/50Hz。船舶电网主流采用440V，频率为60Hz，通过电缆把电能从船舶电站经由中间变配电环节供给所有用电设备。绝大部分船舶靠港停驶期间用电功率小于3MVA。岸上电网给船舶供电兆瓦级可逆变流岸电装备逆变侧输出电压必须解决恒压恒频的问题。要求岸电电站使用时对电网无污染，无需加装无功补偿设备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制方法，平滑岸上电网的输出功率，根据负荷变化调整自身输出以维持系统功率平衡，电压频率稳定，维持整个系统的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制方法，适用于岸电供电装置，所述岸电供电装置包括n个并联的双PWM变换可逆变流模块；所述双PWM变换可逆变流模块包括全控三相半桥AC/DC模块和全控三相半桥DC/AC模块，所述全控三相半桥AC/DC模块与所述全控三相半桥DC/AC模块串联；所述n个双PWM变换可逆变流模块的n个全控三相半桥AC/DC模块分别通过输入滤波电感接入交流电源；所述n个双PWM变换可逆变流模块的n个全控三相半桥DC/AC模块分别通过输出滤波电感与并/离网滤波模块连接；所述并/离网滤波模块与船舶电网连接；该方法包括以下步骤：

1)双PWM变换可逆变流模块输入端接入380V/50Hz三相交流电源，全控三相半桥AC/DC模块将交流电转换为直流电；

2)构建虚拟同步发电机的二阶机电暂态模型：

$J\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}=M_T-M_e,{\stackrel{.}{E}}_0=\stackrel{.}{U}+{\stackrel{.}{I}R}_a+j{\stackrel{.}{I}X}_S;$

其中，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Ω为虚拟同步发电机的机械角速度，M_T为虚拟同步发电机的机械转矩，M_e为虚拟同步发电机的电磁转矩，为虚拟同步发电机的励磁电动势，为虚拟同步发电机的电枢端电压，为虚拟同步发电机的电枢电流，R_a为虚拟同步发电机的电枢电阻，X_S为虚拟同步发电机的同步电抗；调整二阶机电暂态模型中的转动惯量J，使得双PWM变换可逆变流模块具有与柴油发电机相似的电气特性和机械特性；Xs＝wL，w为双PWM变换可逆变流模块的输出额定频率，L为输出滤波电感值；

3)构建实现系统下垂特性的虚拟功频控制器模块对上述虚拟同步发电机进行控制，维持虚拟同步发电机稳定；构建虚拟励磁控制器对上述虚拟同步发电机进行控制，使虚拟同步发电机维持正常运行的电压水平；

4)将虚拟同步发电机的电枢端电压作为SVPWM调制波的输入，输出脉冲控制双PWM变换可逆变流模块的开关器件，从而使双PWM变换可逆变流模块输出具有与同步发电机相似电气特性和机械特性的电压，接入船舶有限电网。

所述步骤2)中，虚拟同步发电机的电枢电流的获取方法为：采样船舶电网侧电流ila、ilb和ilc，利用Clark变换计算出船舶电网侧电流αβ分量x_α、x_β，然后利用Park变换计算x_α、x_β的d q分量x_d，x_q，解耦x_d，x_q后，对解耦后的x_d，x_q进行低通滤波处理，然后对低通滤波处理后的x_d，x_q进行反Park变换，输出y_α、,y_β；y_α、,y_β经过反Clark变换输出基波电流ilao，ilbo，ilco；则 $\stackrel{.}{I}=\left[\begin{array}{c}\mathrm{ilao}\\ \mathrm{ilbo}\\ \mathrm{ilco}\end{array}\right].$

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的方法可平滑岸上电网的输出功率；可以使船舶有限电网体现出同步发电机的电气和机械特性，可以依据负荷变化调整自身输出功率，具有同步发电机组下垂调节特性，可以根据负荷变化调整自身输出以维持系统功率平衡，电压频率稳定，能维持整个系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例岸电供电装置结构框图；

图2为本发明一实施例虚拟同步发电机岸电电源控制方法原理框图；

图3为本发明一实施例基波电流的提取方法原理图；

图4为本发明一实施例虚拟功频控制器控制原理图；

图5为本发明一实施例虚拟励磁控制器控制原理图。

具体实施方式

图1为本发明一实施例岸电供电装置结构框图，接入岸上电网输出交流电，经过可控整流输出谐波小的直流电。

图2为虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制算法原理框图，B点为可逆变流岸电并网点，U_VSG为系统具有同步发电机特性的输出电压；P_VSG、Q_VSG分别为岸电电源向电网输送的有功功率与无功功率，也即虚拟同步发电机向电网输送的功率；L_i、C_i分别为岸电电源逆变器低通LC滤波器的滤波电感和滤波电容，R_i为线路电阻(i＝a,b,c)；U_dc为直流电压。U_m、f、Q分别为B点处的端电压幅值、系统频率和无功功率；P_e、P_T和E0分别为虚拟电机输出有功功率(输出电磁功率)、原动机提供的机械功率和励磁电动势幅值；i为储能电池输出电流；U*为SVPWM控制算法的指令电压。

图2中虚拟同步发电机控制系统包括频率控制器、电压控制器和虚拟同步发电机算法，频率控制器的作用是根据输出电压频率的变化增加或减少系统的有功出力，电压控制器的作用是根据输出电压幅值的变化来增加或减少系统的无功出力，根据无功的大小再改变激磁电动势，虚拟同步发电机算法模块的作用是根据给定的机械功率和激磁电动势来模拟同步发电机的电气特性和机械特性。

图2中虚拟同步发电机本体建模公式采用同步发电机的二阶机电暂态模型

$J\frac{\mathrm{d\Ω}}{\mathrm{dt}}=M_T-M_e---\left(1\right)$

${\stackrel{.}{E}}_0=\stackrel{.}{U}+{\stackrel{.}{I}R}_a+j{\stackrel{.}{I}X}_S$

其中，J为转动惯量，Ω为机械角速度，MT为机械转矩，Me为电磁转矩，励磁电动势，为电枢端电压，为电枢电流，Ra为电枢电阻，Xs为同步电抗。取同步电机极对数为1，则电机电角速度ω等于机械角速度Ω，公式(1)可改写为：

$\left\{\begin{array}{c}J\frac{\mathrm{d\ω}}{\mathrm{dt}}=J\frac{d(\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_N)}{\mathrm{dt}}=M_T-M_e=\frac{1}{\mathrm{\ω}}(P_T-P_e)\\ \mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，ω_N是电角速度；，一般固定为需要输出额度电压角频率；θ是电角度；。

图3为基波电流的提取方法，旋转同步发电机的一个重要特点是具有较大的感性输出阻抗，能够有效抑制负荷扰动引起的电流变化量，并有利于多台同步发电机并联运行。同步电抗压降的计算涉及到电流微分量，很容易将电流中的谐波分量放大并引入到定子端电压中，经PWM调制后会进一步加剧滤波电感电流的谐波含量，甚至使系统失稳，同时也限制了同步电抗的选取范围。因此，必须对采样电流进行合适的处理才能有效模拟同步阻抗。本发明采用瞬时无功理论来提取基波电流。

图4所示功频控制器随着负荷的变化自动改变输出机械功率的大小，维持系统稳定。频率控制器包括一次调频和二次调频控制，其中f^*为频率的给定量(例如60Hz)，f为实际测得的岸电供电装置的频率，一次调频采用比例环节，由于负荷一直是变化的，为了防止控制器一直处于调制状态，所以加入死区时间，当频率的变化量大于0.03Hz时再进行调节，一次调频是有差调节，当频率变化量超过电力系统的规定时就要闭合开关K，进行二次调频，二次调频采用PI调节器，所以可以实现频率的无差控制。ΔP1、ΔP2分别为一、二次调频控制得到的有功变化量，P^* _ref为有功功率指令，输出PT为频率控制器最终得到的机械功率，限幅单元是限制功率的输出在逆变器的容量范围。

图5所示为励磁控制器，其中U*为电压幅值给定，Uo为逆变器(双PWM变换可逆变流模块)输出端电压，I^* _f为空载励磁电流，目的是控制逆变器开机时自动产生一个空载励磁电流给定。当负荷无功功率增大(或减小)时，逆变电源输出端电压Uo减小(或增大)，这时需要调整系统的无功功率，根据电压幅值的变化，确定励磁电流的变化量，然后由励磁调节器来调整励磁电压E^*，从而维持正常运行的电压水平；△I_f是电压差量经过PI控制后产生电流差量控制信号；Ke是P控制系数。

Claims (1)

1.一种基于虚拟同步发电机的可逆变流岸电控制方法，适用于岸电供电装置，所述岸电供电装置包括n个并联的双PWM变换可逆变流模块；所述双PWM变换可逆变流模块包括全控三相半桥AC/DC模块和全控三相半桥DC/AC模块，所述全控三相半桥AC/DC模块与所述全控三相半桥DC/AC模块串联；所述n个双PWM变换可逆变流模块的n个全控三相半桥AC/DC模块分别通过输入滤波电感接入交流电源；所述n个双PWM变换可逆变流模块的n个全控三相半桥DC/AC模块分别通过输出滤波电感与并/离网滤波模块连接；所述并/离网滤波模块与船舶电网连接；其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)双PWM变换可逆变流模块输入端接入380V/50Hz三相交流电源，全控三相半桥AC/DC模块将交流电转换为直流电；

2)构建虚拟同步发电机的二阶机电暂态模型：

其中，J为虚拟同步发电机的转动惯量，Ω为虚拟同步发电机的机械角速度，M_T为虚拟同步发电机的机械转矩，M_e为虚拟同步发电机的电磁转矩，为虚拟同步发电机的励磁电动势，为虚拟同步发电机的电枢端电压，为虚拟同步发电机的电枢电流，R_a为虚拟同步发电机的电枢电阻，X_s为虚拟同步发电机的同步电抗；X_s＝wL，w为双PWM变换可逆变流模块的输出额定频率，L为输出滤波电感值；调整二阶机电暂态模型中的转动惯量J，使得双PWM变换可逆变流模块具有与柴油发电机相似的电气特性和机械特性；

3)构建实现系统下垂特性的虚拟功频控制器模块对上述虚拟同步发电机进行控制，维持虚拟同步发电机稳定；构建虚拟励磁控制器对上述虚拟同步发电机进行控制，使虚拟同步发电机维持正常运行的电压水平；

4)将虚拟同步发电机的电枢端电压作为SVPWM调制波的输入，输出脉冲控制双PWM变换可逆变流模块的开关器件，从而使双PWM变换可逆变流模块输出具有与同步发电机相似电气特性和机械特性的电压，接入船舶电网；

还包括，所述步骤2)中，虚拟同步发电机的电枢电流的获取方法为：采样船舶电网侧电流ila、ilb和ilc，利用Clark变换计算出船舶电网侧电流αβ分量x_α、x_β，然后利用Park变换计算x_α、x_β的dq分量x_d，x_q，解耦x_d，x_q后，对解耦后的x_d，x_q进行低通滤波处理，然后对低通滤波处理后的x_d，x_q进行反Park变换，输出y_α,y_β；y_α,y_β经过反Clark变换输出基波电流ilao，ilbo，ilco；则