CN106130072A - 一种具有岸电和能量回馈功能的复合电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有岸电和能量回馈功能的复合电源，包括整流器、逆变器、切换开关和控制器；所述控制器在船舶上的用电负载运行时，控制所述切换开关连通岸电输出通路，并控制所述逆变器逆变输出与岸电电源相同电压、相同频率的交流电源，通过岸电输出通路输出至所述船舶，为船舶上的用电负载供电；当船舶上的用电负载停止运行时，控制所述切换开关连通电网输出通路，并控制所述逆变器逆变输出与电网电源同频、同相、同幅值的交流电源，通过电网输出通路并入电网。本发明的复合电源将岸电电源和能量回馈电源复合成一个装置，使其拥有岸电和能量回馈设备的双重功能，在保障靠港船舶正常用电的同时，减少了不必要的能源浪费，具有明显的节能效果。

Description

一种具有岸电和能量回馈功能的复合电源

技术领域

本发明属于交流供电设备技术领域，具体地说，是涉及一种可以将岸电电源和能量回馈电源集成到一个设备中的复合型电源。

背景技术

目前的绝大多数船舶在海上作业时，都是利用船舶上配置的柴油发电机组产生的电能为船舶上的用电负载供电。由于柴油发电机组在运转过程中会产生大量的废气排放，因此在船舶停靠码头时，会对港区环境造成严重的污染。为了保护港区环境，现有的解决方案是“油改电技术”，即“岸电技术”。

岸电技术是指船舶停靠在码头时，停止船舶上的柴油发电机组的运转，将船舶用电改由岸电电站提供，以降低港区废气的排放量。目前的岸电电站为靠港船舶提供的供电电源通常为440V/60Hz的岸电电源，由于岸电电站的发电量是固定的，若船舶上的用电负载停止运行，则岸电电站发出的电能将无法得到利用，只能白白的消耗掉，从而造成能源的不必要浪费。

发明内容

本发明针对现有的岸电电源在靠港船舶上的用电负载停止运行时所存在的电能浪费问题，提出了一种兼具有岸电和能量回馈功能的复合电源，该复合电源可以在靠港船舶上的用电负载需要用电时，作为岸电电源为船舶上的用电负载供电；而在船舶上的用电负载停止运行时，可以将岸电电源的剩余电能回馈到电网中，以解决能源浪费的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有岸电和能量回馈功能的复合电源，包括接收三相交流输入电源并整流成直流电压输出的整流器、接收所述整流器输出的直流电压并逆变成交流电源输出的逆变器、连接在岸电输出通路和电网输出通路中用于对两条输出通路的通断状态进行选择切换的切换开关、以及根据船舶上用电负载的运行状况对所述逆变器和切换开关进行控制的控制器；其中，当船舶上的用电负载运行时，所述控制器控制所述切换开关连通岸电输出通路，并控制所述逆变器逆变输出与岸电电源相同电压、相同频率的交流电源，通过所述岸电输出通路输出至所述船舶，为所述船舶上的用电负载供电；当船舶上的用电负载停止运行时，所述控制器控制所述切换开关连通电网输出通路，并控制所述逆变器逆变输出与电网电源同频、同相、同幅值的交流电源，通过所述电网输出通路并入电网。

优选的，在所述逆变器中包括有三相全桥逆变电路以及与所述三相全桥逆变电路的三个输出端一一对应连接的三组L型感容滤波电路，所述三相全桥逆变电路接收所述整流器整流输出的直流电压，逆变成三相交流电压，分别通过所述的L型感容滤波电路滤波后，输出所述的交流电源。

为了在所述复合电源工作在岸电状态时，通过所述逆变器能够输出靠港船舶所需的岸电电源，所述控制器在船舶上的用电负载运行时，根据所述三相全桥逆变电路输出的三相交流电压的幅值U_L、输出频率f、滤波后的电容瞬时电压和电感瞬时电流以及所述逆变器输出的有功功率P，生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，控制所述逆变器逆变输出与岸电电源相同电压、相同频率的交流电源，过程如下：

(1)计算输出电压参考值U^*和输出频率参考值f^*，计算公式如下：

$U^{*}=U_n+\frac{P_n-P^{\′}}{m}$

$f^{*}=f_n+\frac{Q^{*}}{n};$

其中，U_n为所述岸电电源在额定功率下的输出电压的幅值；P_n为所述岸电电源的额定输出功率；f_n为所述岸电电源的额定输出频率；Q^*为给定的无功功率；P'为给定的有功功率P^*与所述P的差值经比例积分运算后的有功功率；m为有功功率的下垂系数，n为无功功率的下垂系数，利用以下计算公式求得：

$m=\frac{P_{max}-P_n}{U_n-U_{\min }}$

$n=\frac{Q_{max}}{f_{max}-f_n};$

式中，P_max为岸电电源在电压下降时允许输出的最大功率；Q_max为岸电电源达到频率最大允许值时输出的无功功率；U_mix为岸电电源允许的最小电压幅值；f_max为岸电电源允许输出的最大频率；

(2)对所述U^*与U_L的差值进行比例积分运算，生成电压变化量U_L'；对所述f^*与f的差值进行比例积分运算，生成频率变化量f'；对所述U_L'和f'进行dq变换，生成d轴参考分量u_Ld ^*和q轴参考分量u_Lq ^*；

(3)对滤波后的电容瞬时电压u_La、u_Lb、u_Lc进行dq变换，生成d轴电压分量u_Ld和q轴电压分量u_Lq；计算所述u_Ld ^*与u_Ld的差值，并进行比例积分运算后，生成d轴电流参考分量i_Ld ^*；计算所述u_Lq ^*与u_Lq的差值，并进行比例积分运算后，生成q轴电流参考分量i_Lq ^*；

(4)对滤波后的电感瞬时电流i_La、i_Lb、i_Lc进行dq变换，生成d轴电流分量i_Ld和q轴电流分量i_Lq；计算所述i_Ld ^*与i_Ld的差值，并进行比例积分运算后，生成d轴调制分量u_sd ^*；计算所述i_Lq ^*与i_Lq的差值，并进行比例积分运算后，生成q轴调制分量u_sq ^*；

(5)对所述u_sd ^*、u_sq ^*进行αβ变换，生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

(6)根据所述u_α ^*、u_β ^*生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，对所述逆变器中的六路开关管进行通断控制。

其中，所述岸电电源可以为440V/60Hz三相交流电源。

为了在所述复合电源工作在能量回馈状态时，通过所述逆变器能够输出与电网同频、同相、同幅值的电网电源，所述控制器在船舶上的用电负载停止运行时，根据所述逆变器输出的交流电源的三相电压U_lda、U_ldb、U_ldc和三相电流I_lda、I_ldb、I_ldc以及所述感容滤波电路中电感的电感量L_f和电网电压的角速度ω，生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，控制所述逆变器逆变输出与电网电源同频、同相、同幅值的交流电源，过程如下：

(1)对所述三相电压U_lda、U_ldb、U_ldc进行dq变换，解耦生成d轴电压分量U_ldd和q轴电压分量U_ldq；

(2)计算d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref，公式如下：

$\begin{array}{c}{I}_{dref}=\frac{P_{ref}}{U_{ldd}}\\ I_{qref}=\frac{Q_{ref}}{U_{ldq}}\end{array};$

其中，P_ref为有功功率参考值，Q_ref为无功功率参考值；

(3)对所述三相电流I_lda、I_ldb、I_ldc进行dq变换，解耦生成d轴电流分量I_d和q轴电流分量I_q；

(4)对所述I_dref与I_d的差值进行比例积分运算，生成d轴调制分量U_d'，对所述I_qref与I_q的差值进行比例积分运算，生成q轴调制分量U_q'；

计算d轴调制电压U_d和q轴调制电压U_q，公式如下：

$\begin{array}{c}{U}_d=U_{\mathrm{ldd}}+U_d\′-{\mathrm{\ωL}}_f{I}_q\\ U_d=U_{\mathrm{ldq}}+U_q\′-{\mathrm{\ωL}}_f{I}_d\end{array};$

(5)对所述U_d、U_q进行αβ变换，生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

(6)根据所述u_α ^*、u_β ^*生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，对所述逆变器中的六路开关管进行通断控制。

其中，所述电网电源可以为380V/50Hz三相交流电源。

作为所述整流器的一种优选电路构建方式，所述整流器优选采用由六个IGBT功率管连接而成的三相全桥整流器，所述控制器根据所述三相交流输入电源的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压的角速度ω_i，生成所述整流器所需的六路调制脉冲信号，过程为：

(1)对所述三相电流i_a、i_b、i_c进行dq变换，解耦生成d轴电流分量i_d和q轴电流分量i_q；

(2)计算d轴电流给定值i_d ^*与所述i_d的差值，生成d轴调制分量u_sd；

(3)对角速度给定值ω_i ^*与所述ω_i的差值进行比例积分运算，生成q轴电流参考量i_q ^*；

(4)计算q轴电流参考量i_q ^*与所述q轴电流分量i_q的差值，生成q轴调制分量u_sq；

(5)对所述u_sd、u_sq进行αβ变换，生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

(6)根据所述u_α ^*、u_β ^*生成六路调制脉冲信号，输出至所述整流器，对所述整流器中的六路开关管进行通断控制。

进一步的，根据所述α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*，采用电压矢量合成法生成所述的六路调制脉冲信号。

再进一步的，在所述复合电源的输入侧和输出侧还分别设置有用于检测电流、电压、功能因数和频率的检测装置，所述控制器根据所述检测装置输出的检测信号监控所述复合电源的运行状态，并在检测到所述三相交流输入电源的电压降低或者负载增加时，调宽所述六路调制脉冲信号的占空比，反之调窄所述六路调制脉冲信号的占空比，以使通过所述复合电源输出的电压稳定。

优选的，所述三相交流输入电源优选通过串联的电阻和电感进行滤波后，再传输至所述整流器的交流输入侧；在所述整流器的直流输出侧的两端并联有用于储能的电解电容，以进一步提高整流器输出的直流电压的稳定性。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的复合电源将岸电电源和能量回馈电源复合成一个装置，使其拥有岸电和能量回馈设备的双重功能，在船舶上的用电负载需要用电时工作于岸电状态，为船舶上的用电负载提供440V/60Hz的三相交流电源；在船舶上的用电负载停止运行时，作为能量回馈装置，将剩余的岸电电能转换成与电网同频、同相、同幅值的交流电源，回馈到电网中，以补充电网电能，缓解市电能源紧缺的现状。本发明的复合电源，其两种工作模式切换时间短，性能可靠，在保障靠港船舶正常用电的同时，减少了不必要的能源浪费，降低了生产成本，具有明显的节能效果。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的具有岸电和能量回馈功能的复合电源的一种实施例的总体电路原理框图；

图2是图1中整流器和逆变器的一种实施例的具体电路原理图；

图3是用于生成整流器所需的六路调制脉冲信号的控制流程图；

图4是复合电源工作在岸电状态时，用于生成逆变器所需的六路调制脉冲信号的控制流程图；

图5是复合电源工作在能量回馈状态时，用于生成逆变器所需的六路调制脉冲信号的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。

本实施例的复合电源为了实现岸电和能量回馈双重功能，在电路设计上采用整流器、逆变器、控制器、切换开关KM2等部件形成主电路拓扑结构，如图1所示，利用整流器对三相交流输入电源(例如AC380V的市电)进行整流变换，将交流输入电源转换成直流母线电压，输出至逆变器，以逆变生成负载所需的交流电源。对于逆变器逆变输出的交流电源的频率、相位和电压幅值，可以利用控制器输出的六路调制脉冲信号进行调节，以使复合电源在两种不同工作状态(岸电状态和能量回馈状态)下能够输出不同频率和幅值的交流电源，继而满足船舶负载的用电需求以及电网的并网要求。具体来讲，当控制器检测到靠港船舶上的用电负载处于运行状态时，控制复合电源工作在岸电状态，调节逆变器逆变输出的交流电源与靠港船舶所需的岸电电源相同电压、相同频率，例如440V/60Hz的三相交流电源，通过岸电输出通路传输至靠港船舶，为所述船舶上的用电负载供电。而当控制器检测到靠港船舶上的用电负载停止运行时，为了避免能源浪费，所述控制器可以将所述复合电源的工作状态切换至能量回馈状态，调节逆变器逆变输出的交流电源与电网电源同频、同相、同幅值，例如380V/50Hz的三相交流电源，通过电网输出通路并入电网，实现能量回馈。

为了使通过所述逆变器逆变输出的不同交流电源能够经由准确的路径传输至靠港船舶或者电网，本实施例在所述岸电输出通路和电网输出通路中设置切换开关KM2，控制器根据复合电源的工作状态控制切换开关KM2连通不同的输出通路，具体来讲，在复合电源工作在岸电状态时，控制切换开关KM2切断电网输出通路，连通岸电输出通路，将逆变器输出的交流电源传输至靠港船舶；而在复合电源工作在能量回馈状态时，控制切换开关KM2切断岸电输出通路，连通电网输出通路，将逆变器输出的交流电源回馈至电网，以补充市电。

本实施例的复合电源可以根据船舶上用电负载的运行状况自动调整其工作状态，其逆变器既具有无源逆变功能，又具有有源逆变功能，操作简单，运行可靠，通过在复合电源的输入侧设置电源开关KM1，可以对所述复合电源实现启停控制。

下面结合图2-图5，对本实施例的复合电源的具体软硬件设计进行详细阐述。

图2示出了复合电源中整流器和逆变器的具体电路结构。在本实施例中，整流器优选采用三相全桥整流器，对三相交流输入电源进行整流变换。整流桥可以采用六个二极管D7-D12搭建而成，也可以采用六个开关管(例如IGBT功率管等)K7-K12连接而成。为了获得高稳态性能的直流母线电压，本实施例优选采用六个IGBT功率管K7-K12构建三相整流桥，并在每一个IGBT功率管K7-K12的集电极和发射极之间并联反向恢复二极管D7-D12，以短路掉IGBT功率管在关断瞬间产生的自感反向电压。

在本实施例中，三相交流输入电源的三相电压U_a、U_b、U_c可以分别经由电阻R1、R2、R3和电感L4、L5、L6组成的串联支路进行滤波后，再传输至所述的整流器，进行交流-直流的整流变换。

为了获得高稳态性能的直流电压U，需要对整流器中的六个IGBT功率管K7-K12的通断时序进行精确地控制，为此，本实施例提出以下控制算法，生成六路调制脉冲信号PWM11、PWM12……PWM16，以用于控制所述的IGBT功率管K7-K12准确通断，将三相交流输入电源整流成稳定的直流电压U。结合图3所示，具体包括以下过程：

S301、对三相交流输入电源的三相电流i_a、i_b、i_c进行dq变换，将三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系，从而将输入的三相电流i_a、i_b、i_c解耦成两相旋转直流分量，生成d轴电流分量i_d和q轴电流分量i_q；

S302、设定d轴电流给定值i_d ^*，计算d轴电流给定值i_d ^*与所述d轴电流分量i_d的差值，生成d轴调制分量u_sd；

S303、设定角速度给定值ω_i ^*，计算角速度给定值ω_i ^*与三相交流输入电源的三相电压的角速度ω_i的差值，并对所述差值进行比例积分运算(PI运算)后，生成q轴电流参考量i_q ^*；

S304、计算所述q轴电流参考量i_q ^*与所述q轴电流分量i_q的差值，生成q轴调制分量u_sq；

S305、对所述d轴调制分量u_sd和q轴调制分量u_sq进行αβ变换，即从dq旋转坐标系变换到αβ静止坐标系，以生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

S306、根据所述α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*，采用电压矢量合成法，即利用两个非零矢量和两个零矢量合成一个等效的电压矢量的方法来得到电压空间矢量PWM波形(具体可参见王文亮，储能型永磁直驱风力发电系统并网运行控制研究[J]，第32-38页)，即生成六路调制脉冲信号PWM11、PWM12……PWM16输出至所述整流器，以对所述整流器中的六个IGBT功率管K7-K12的通断时序进行准确控制，进而将三相交流输入电源整流成高稳定性的直流电压U。

本实施例所提出的上述控制算法具有较好的稳态性能和动态性能，可以采用在控制器中编写相应的软件程序的方式，通过控制器生成所述的六路调制脉冲信号PWM11、PWM12……PWM16，输出至所述的整流器，以实现对整流器中的上下桥臂IGBT功率管K7-K12的通断控制。

此外，在所述整流器的直流输出侧的两端还可以进一步并联用于储存电荷的电解电容C0，以进一步稳定直流母线电压，进而有利于逆变器输出的交流电源稳定。

在本实施例中，所述逆变器优选采用三相全桥逆变器，如图2所示，包括由六个开关管K1-K6搭建形成三相全桥逆变电路以及与所述三相全桥逆变电路的三个输出端一一对应连接的三组滤波电路。作为本实施例的一种优选设计方案，所述三相全桥逆变电路优选采用六个带反向并联二极管D1-D6的IGBT功率管K1-K6搭建形成三相逆变桥，每一相逆变桥的上下桥臂的中间节点连接一组所述的滤波电路，以用于对逆变输出的其中一相交流电压进行滤波处理。在本实施中，所述滤波电路优选设计成由电感和电容连接而成的L型感容滤波电路，例如由电感L1和电容C1连接而成的第一组LC滤波电路，连接IGBT功率管K1、K2的中间节点；由电感L2和电容C2连接而成的第二组LC滤波电路，连接IGBT功率管K3、K4的中间节点；以及由电感L3和电容C3连接而成的第三组LC滤波电路，连接IGBT功率管K5、K6的中间节点。利用所述的三组LC滤波电路分别对三相全桥逆变电路逆变输出的三相交流电压U_L1、U_L2、U_L3进行滤波处理，滤除掉其中的高次谐波后，输出稳定的三相交流电源U₁、U₂、U₃，在岸电状态下为船舶上的用电负载供电，或者在能量回馈状态下直接并入电网。

为了使所述的三相全桥逆变电路能够根据复合电源的工作状态，将所述整流器整流输出的直流电压U逆变成岸电或者电网所对应的三相交流电源，需要对逆变桥中的上下桥臂的IGBT功率管K1-K6的通断时序进行准确的控制。为此，本实施例提出以下两种控制算法，在复合电源工作在岸电状态时，生成六路调制脉冲信号PWM21、PWM22……PWM26，控制逆变器输出440V/60Hz的岸电电源，通过岸电输出通路输出至船舶上的用电负载；而在复合电源工作在能量回馈状态时，调整脉冲信号的频率和占空比，生成另外六路调制脉冲信号PWM31、PWM32……PWM36，以控制逆变器输出380V/50Hz且与电网同相的交流电源，通过电网输出通路回馈至电网，以实现对电网能量的补充。

下面结合图4、图5，对用于控制逆变器中的IGBT功率管K1-K6通断的六路调制脉冲信号的生成方法进行具体阐述。

当复合电源工作在岸电状态时，为了控制逆变器输出440V/60Hz的岸电电源，本实施例采用功率控制+电压电流双环控制的方式设计控制算法，如图4所示，具体包括以下过程：

S401、利用低压下输出阻抗成阻性的特性，引入电压-频率下垂特性控制，根据给定的有功功率P^*、给定的无功功率Q^*以及逆变器输出的用功功率P，计算输出电压参考值U^*和输出频率参考值f^*，计算公式如下：

$U^{*}=U_n+\frac{P_n-P^{\′}}{m}$

$f^{*}=f_n+\frac{Q^{*}}{n};$

其中，U_n为岸电电源在额定功率下的输出电压的幅值；P_n为岸电电源的额定输出功率；f_n为所述岸电电源的额定输出频率；P'为给定的有功功率P^*与逆变器输出的用功功率P的差值经比例积分运算后的有功功率；m为有功功率的下垂系数，n为无功功率的下垂系数，可以利用以下公式计算求得：

$m=\frac{P_{max}-P_n}{U_n-U_{\min }}$

$n=\frac{Q_{max}}{f_{max}-f_n};$

式中，P_max为岸电电源在电压下降时允许输出的最大功率；Q_max为岸电电源达到频率最大允许值时输出的无功功率；U_mix为岸电电源允许的最小电压幅值；f_max为岸电电源允许输出的最大频率。

S402、将所述输出电压参考值U^*和输出频率参考值f^*作为功率控制部分的参考量，与三相全桥逆变电路输出的三相交流电压的幅值U_L和输出频率f通过PI调节，以生成电压电流双环控制部分的参考量u_Ld ^*、u_Lq ^*；

具体来讲，计算所述输出电压参考值U^*与三相全桥逆变电路输出的三相交流电压的幅值U_L的差值，并对所述差值进行比例积分运算，生成电压变化量U_L'。同时，计算所述输出频率参考值f^*与三相全桥逆变电路的输出频率f的差值，并对所述差值进行比例积分运算，生成频率变化量f'。然后，对所述电压变化量U_L'和频率变化量f'进行dq变换，生成d轴参考分量u_Ld ^*和q轴参考分量u_Lq ^*。

S403、将所述d轴参考分量u_Ld ^*和q轴参考分量u_Lq ^*作为所述电压电流双环控制部分中电压外环的参考量，与滤波后的电容瞬时电压进行比例积分运算，以生成电流内环的电流参考分量i_Ld ^*、i_Lq ^*；

具体来讲，首先对三相全桥逆变电路逆变输出的三相交流电压经LC滤波电路滤波后形成的电容瞬时电压u_La、u_Lb、u_Lc进行dq变换，将三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系，从而将三相电容瞬时电压u_La、u_Lb、u_Lc解耦成两相旋转直流分量，生成d轴电压分量u_Ld和q轴电压分量u_Lq。然后，计算所述d轴参考分量u_Ld ^*与所述d轴电压分量u_Ld的差值，并对所述差值进行比例积分运算后，生成d轴电流参考分量i_Ld ^*；同时，计算所述q轴参考分量u_Lq ^*与所述q轴电压分量u_Lq的差值，并对所述差值进行比例积分运算后，生成q轴电流参考分量i_Lq ^*。

S404、将所述d轴电流参考分量i_Ld ^*和q轴电流参考分量i_Lq ^*作为所述电压电流双环控制部分中电流内环的参考量，与滤波后的电感瞬时电流进行比例积分运算，以生成调制分量u_sd ^*、u_sq ^*；

具体来讲，可以首先对三相全桥逆变电路逆变输出的三相电流经LC滤波电路滤波后形成的电感瞬时电流i_La、i_Lb、i_Lc进行dq变换，解耦生成d轴电流分量i_Ld和q轴电流分量i_Lq。然后，计算所述d轴电流参考分量i_Ld ^*与所述d轴电流分量i_Ld的差值，并对所述差值进行比例积分运算后，生成d轴调制分量u_sd ^*；同时，计算所述q轴电流参考分量i_Lq ^*与所述q轴电流分量i_Lq的差值，并对所述差值进行比例积分运算后，生成q轴调制分量u_sq ^*。

S405、对所述d轴调制分量u_sd ^*和q轴调制分量u_sq ^*进行αβ变换，即从dq旋转坐标系变换到αβ静止坐标系，以生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

S406、根据所述α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*，采用电压矢量合成法，即利用两个非零矢量和两个零矢量合成一个等效的电压矢量的方法来实现SVPWM(空间矢量脉宽调制)，以生成六路调制脉冲信号PWM21、PWM22……PWM26，输出至所述逆变器，对所述逆变器中的六个IGBT功率管K1-K6进行通断控制，进而将整流器整流输出的直流电压U逆变成440V/60Hz的岸电电源，通过切换开关KM2选通的岸电输出通路传输至靠港船舶，为船舶上的用电负载供电。

本实施例在控制算法中设计功率控制部分和电压电流双环控制部分两个环节，其中，功率控制部分可以提高整个系统的实时性，同时加入比例积分PI控制器，可以提高输出电压的稳定性。将功率控制部分的输出作为电压电流双环控制部分的参考量，并在电压电流双环控制部分中以电容瞬时电压反馈控制作为外环，以电感瞬时电流反馈控制作为内环，进行比例积分负反馈控制，通过引入电感电流内环可以提高系统的稳定性，同时对包含在环内的扰动可以起到及时的调节作用，从而改善整个逆变系统的性能，实现对逆变输出的岸电电源的动态、精确控制。

同理，上述控制算法也可以采用在控制器中编写相应软件程序的方式，通过控制器生成所述的六路调制脉冲信号PWM21、PWM22……PWM26，输出至所述的逆变器，以实现对逆变器中的上下桥臂IGBT功率管K1-K6的通断控制，继而输出稳定的440V/60Hz的岸电电源，满足靠港船舶的用电需求。

当复合电源工作在能量回馈状态时，为了使逆变器能够输出与电网同频、同相、同幅值的电网电源，本实施例采用电压定向矢量控制方法，即通过调节电网侧的d、q轴电流，保持直流侧电压的稳定，实现有功功率和无功功率的解耦，进而对流向电网的无功功率实现有效控制，保证复合电源发出的有功功率能够全部流入电网。

如图5所示，本实施例的电压定向矢量控制方法具体包括以下过程：

S501、设定有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref；

S502、对逆变器输出的三相电压U_lda、U_ldb、U_ldc(即通过LC滤波电路滤波后输出的三相电压)进行dq变换，将三相静止abc坐标系变换到两相旋转dq坐标系，从而将逆变器输出的三相电压U_lda、U_ldb、U_ldc解耦成两相旋转直流分量，生成d轴电压分量U_ldd和q轴电压分量U_ldq；

S503、计算d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref，公式如下：

$\begin{array}{c}{I}_{dref}=\frac{P_{ref}}{U_{ldd}}\\ I_{qref}=\frac{Q_{ref}}{U_{ldq}}\end{array}.$

S504、对逆变器输出的三相电流I_lda、I_ldb、I_ldc(即通过LC滤波电路滤波后输出的三相电流)进行dq变换，解耦生成d轴电流分量I_d和q轴电流分量I_q；

S505、计算所述d轴电流参考值I_dref与所述d轴电流分量I_d的差值，并通过PI控制器对所述差值进行比例积分运算后，生成d轴调制分量U_d'，同时，计算所述q轴电流参考值I_qref与所述q轴电流分量I_q的差值，并通过PI控制器对所述差值进行比例积分运算后，生成q轴调制分量U_q'。

S506、计算d轴调制电压U_d和q轴调制电压U_q，公式如下：

$\begin{array}{c}{U}_d=U_{\mathrm{ldd}}+U_d\′-{\mathrm{\ωL}}_f{I}_q\\ U_d=U_{\mathrm{ldq}}+U_q\′-{\mathrm{\ωL}}_f{I}_d\end{array};$

其中，ω为电网电压的角速度，L_f为所述LC滤波电路中电感L1/L2/L3的电感量，在本实施例中，所述电感L1、L2、L3的电感量相等。

S507、对所述d轴调制电压U_d和q轴调制电压U_q进行αβ变换，从dq旋转坐标系变换到αβ静止坐标系，以生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*。

S508、根据所述α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*，采用电压矢量合成法来实现SVPWM(空间矢量脉宽调制)，生成六路调制脉冲信号PWM31、PWM32……PWM36，输出至所述逆变器，对所述逆变器中的六个IGBT功率管K1-K6进行通断控制，进而将整流器整流输出的直流电压U逆变成与电网同频、同相、同幅值的电网电源，例如380V/50Hz的电网电源，通过切换开关KM2选通的电网输出通路并入电网，实现能量回馈功能。

本实施例在控制算法中设计电流环控制，将有功功率和无功功率进行解耦，得到电感电流的参考值，与实际测得的电感电流相比较，得到的误差信号经过瞬时电流环PI控制器作为逆变桥调制电压信号。采用PI控制器可使稳态误差为0，同时利用锁相环技术，可使通过该控制得到的交流电源获得频率上的支撑。

同样的，上述控制算法也可以采用在控制器中编写相应软件程序的方式，通过控制器生成所述的六路调制脉冲信号PWM31、PWM32……PWM36，输出至所述的逆变器，以实现对逆变器中的上下桥臂IGBT功率管K1-K6的通断控制，继而输出与电网同频、同相、同幅值的电网电源，满足并网要求。

为了使控制器能够准确地获取到三相交流输入电源以及通过逆变器逆变输出的交流电源的各项参数，以用于上述控制算法的计算，本实施例在所述复合电源的输入侧和输出侧还分别设置了用于检测电流、电压、电能、功能因数和频率等参数的检测装置和显示仪表，利用所述检测装置对复合电源输入侧和输出侧的电流、电压、功率、频率进行检测，并生成相应的检测信号发送至所述的控制器，从而实现控制器对所述复合电源运行状态的实时监测。所述控制器在监测到输入到复合电源的三相交流输入电源的电压降低或者船舶上的用电负载增加时，可以将其输出的六路调制脉冲信号的占空比调宽，反之将其输出的六路调制脉冲信号的占空比调窄，以使复合电源输出的交流电压保持稳定。

本实施例的复合电源集岸电与能量回馈功能于一体，主要适用于船舶行业，例如采用60Hz供电制式的船舶(修船和造船业)，或者采用60Hz供电制式的冷藏集装箱、生产线设备、浅海固定平台和其他设备等，在保证负载正常用电的同时，还能将多余的电量反馈给电网，减少了不必要的能源消耗，并降低了生产成本。

当然，以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，包括：

整流器，接收三相交流输入电源，并整流成直流电压输出；

逆变器，接收所述整流器输出的直流电压，并逆变成交流电源输出；

切换开关，连接在岸电输出通路和电网输出通路中，用于对两条输出通路的通断状态进行选择切换；

控制器，根据船舶上用电负载的运行状况对所述逆变器和切换开关进行控制；其中，当船舶上的用电负载运行时，所述控制器控制所述切换开关连通岸电输出通路，并控制所述逆变器逆变输出与岸电电源相同电压、相同频率的交流电源，通过所述岸电输出通路输出至所述船舶，为所述船舶上的用电负载供电；当船舶上的用电负载停止运行时，所述控制器控制所述切换开关连通电网输出通路，并控制所述逆变器逆变输出与电网电源同频、同相、同幅值的交流电源，通过所述电网输出通路并入电网。

2.根据权利要求1所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，在所述逆变器中包括有三相全桥逆变电路以及与所述三相全桥逆变电路的三个输出端一一对应连接的三组L型感容滤波电路，所述三相全桥逆变电路接收所述整流器整流输出的直流电压，逆变成三相交流电压，分别通过所述的L型感容滤波电路滤波后，输出所述的交流电源。

3.根据权利要求2所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，在所述船舶上的用电负载运行时，所述控制器根据所述三相全桥逆变电路输出的三相交流电压的幅值U_L、输出频率f、滤波后的电容瞬时电压和电感瞬时电流以及所述逆变器输出的有功功率P，生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，控制所述逆变器逆变输出与岸电电源相同电压、相同频率的交流电源，过程如下：

(1)计算输出电压参考值U^*和输出频率参考值f^*，计算公式如下：

$U^{*}=U_n+\frac{P_n-P^{\′}}{m}$

$f^{*}=f_n+\frac{Q^{*}}{n};$

其中，U_n为所述岸电电源在额定功率下的输出电压的幅值；P_n为所述岸电电源的额定输出功率；f_n为所述岸电电源的额定输出频率；Q^*为给定的无功功率；P'为给定的有功功率P^*与所述P的差值经比例积分运算后的有功功率；

m为有功功率的下垂系数，n为无功功率的下垂系数，利用以下计算公式求得：

$m=\frac{P_{max}-P_n}{U_n-U_{\min }}$

$n=\frac{Q_{max}}{f_{max}-f_n};$

式中，P_max为岸电电源在电压下降时允许输出的最大功率；Q_max为岸电电源达到频率最大允许值时输出的无功功率；U_mix为岸电电源允许的最小电压幅值；f_max为岸电电源允许输出的最大频率；

(2)对所述U^*与U_L的差值进行比例积分运算，生成电压变化量U_L'；对所述f^*与f的差值进行比例积分运算，生成频率变化量f'；对所述U_L'和f'进行dq变换，生成d轴参考分量u_Ld ^*和q轴参考分量u_Lq ^*；

(3)对滤波后的电容瞬时电压u_La、u_Lb、u_Lc进行dq变换，生成d轴电压分量u_Ld和q轴电压分量u_Lq；计算所述u_Ld ^*与u_Ld的差值，并进行比例积分运算后，生成d轴电流参考分量i_Ld ^*；计算所述u_Lq ^*与u_Lq的差值，并进行比例积分运算后，生成q轴电流参考分量i_Lq ^*；

(4)对滤波后的电感瞬时电流i_La、i_Lb、i_Lc进行dq变换，生成d轴电流分量i_Ld和q轴电流分量i_Lq；计算所述i_Ld ^*与i_Ld的差值，并进行比例积分运算后，生成d轴调制分量u_sd ^*；计算所述i_Lq ^*与i_Lq的差值，并进行比例积分运算后，生成q轴调制分量u_sq ^*；

(5)对所述u_sd ^*、u_sq ^*进行αβ变换，生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

(6)根据所述u_α ^*、u_β ^*生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，对所述逆变器中的六路开关管进行通断控制。

4.根据权利要求3所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，所述岸电电源为440V/60Hz三相交流电源。

5.根据权利要求2所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，在所述船舶上的用电负载停止运行时，所述控制器根据所述逆变器输出的交流电源的三相电压U_lda、U_ldb、U_ldc和三相电流I_lda、I_ldb、I_ldc以及所述感容滤波电路中电感的电感量L_f和电网电压的角速度ω，生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，控制所述逆变器逆变输出与电网电源同频、同相、同幅值的交流电源，过程如下：

(1)对所述三相电压U_lda、U_ldb、U_ldc进行dq变换，解耦生成d轴电压分量U_ldd和q轴电压分量U_ldq；

(2)计算d轴电流参考值I_dref和q轴电流参考值I_qref，公式如下：

$\begin{array}{c}{I}_{dref}=\frac{P_{ref}}{U_{ldd}}\\ I_{qref}=\frac{Q_{ref}}{U_{ldq}}\end{array}$

其中，P_ref为有功功率参考值，Q_ref为无功功率参考值；

(3)对所述三相电流I_lda、I_ldb、I_ldc进行dq变换，解耦生成d轴电流分量I_d和q轴电流分量I_q；

(4)对所述I_dref与I_d的差值进行比例积分运算，生成d轴调制分量U_d'，对所述I_qref与I_q的差值进行比例积分运算，生成q轴调制分量U_q'；

计算d轴调制电压U_d和q轴调制电压U_q，公式如下：

$\begin{array}{c}{U}_d=U_{ldd}+{U_d}^{\′}-{\mathrm{\ωL}}_f{I}_q\\ U_q=U_{ldq}+{U_q}^{\′}-{\mathrm{\ωL}}_f{I}_d\end{array};$

(5)对所述U_d、U_q进行αβ变换，生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

(6)根据所述u_α ^*、u_β ^*生成六路调制脉冲信号，输出至所述逆变器，对所述逆变器中的六路开关管进行通断控制。

6.根据权利要求5所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，所述电网电源为380V/50Hz三相交流电源。

7.根据权利要求1所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，所述整流器为由六个IGBT功率管连接而成的三相全桥整流器，所述控制器根据所述三相交流输入电源的三相电流i_a、i_b、i_c和三相电压的角速度ω_i，生成所述整流器所需的六路调制脉冲信号，过程为：

(1)对所述三相电流i_a、i_b、i_c进行dq变换，解耦生成d轴电流分量i_d和q轴电流分量i_q；

(2)计算d轴电流给定值i_d ^*与所述i_d的差值，生成d轴调制分量u_sd；

(3)对角速度给定值ω_i ^*与所述ω_i的差值进行比例积分运算，生成q轴电流参考量i_q ^*；

(4)计算q轴电流参考量i_q ^*与所述q轴电流分量i_q的差值，生成q轴调制分量u_sq；

(5)对所述u_sd、u_sq进行αβ变换，生成α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*；

(6)根据所述u_α ^*、u_β ^*生成六路调制脉冲信号，输出至所述整流器，对所述整流器中的六路开关管进行通断控制。

8.根据权利要求3至7中任一项所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，根据所述α轴分量u_α ^*和β轴分量u_β ^*，采用电压矢量合成法生成所述的六路调制脉冲信号。

9.根据权利要求8所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，在所述复合电源的输入侧和输出侧分别设置有用于检测电流、电压、功能因数和频率的检测装置，所述控制器根据所述检测装置输出的检测信号监控所述复合电源的运行状态，并在检测到所述三相交流输入电源的电压降低或者负载增加时，调宽所述六路调制脉冲信号的占空比，反之调窄所述六路调制脉冲信号的占空比。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的具有岸电和能量回馈功能的复合电源，其特征在于，所述三相交流输入电源通过串联的电阻和电感进行滤波后，传输至所述整流器的交流输入侧，在所述整流器的直流输出侧的两端并联有用于储能的电解电容。