CN106160501A - 一种自动调节电压的岸电电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调节电压的岸电电源，包括：变频器、隔离变压器、电流前馈单元、电压反馈单元和调节控制器：变频器的输出端与隔离变压器的一次侧相连，且变频器的输出端还与电流前馈单元的输入端相连；隔离变压器的二次侧与电压反馈单元的输入端相连；电流前馈单元用于采集变频器的输出电流，根据输出电流确定电压波动值，并将电压波动值传输至变频器的输入端；调节控制器用于根据系统输出设定值和隔离变压器的输出电压确定调节参数，根据调节参数调节变频器的输入值。该岸电电源增加电流前馈单元，由于变频器内部的电流采样速度较快，较现有的电压闭环控制反应快，可以有效的提高电压波动的恢复时间，缩短调节时间。

Description

一种自动调节电压的岸电电源

技术领域

本发明涉及工业控制领域中船舶岸电电源技术领域，具体地，涉及一种自动调节电压的岸电电源。

背景技术

中国船舶的电制为50Hz，然而国外大部分船舶的电制为60Hz，这就给国外船舶直接接用中国电网带来了困难，所以中国港口必须有电气设备将中国电网的50Hz工业用电转变为60Hz。与过去传统的发电机组式60Hz岸电电源相比，静止式岸电电源的噪声小，效率高，电气性能较好，而电压自动调节技术是岸电电源的一个关键技术，直接影响电气性能的好坏，从而研究60Hz岸电电源的电压自动调节技术是十分有必要的。

现有技术中，PI(Proportion Integration，比例积分)闭环控制通过具有电气隔离的电压变送器对隔离变压器的二次侧进行电压测量，将电压测量值反馈到变频器的模拟量输入端。然后由于变频器内部的PID(Proportion Integration Differentiation，比例积分微分)调节器对设定电压与反馈电压进行比较、调节之后修正变频器的电压输出，使得隔离变压器的二次电压与设定电压相同。

传统PI控制时，PI不能根据负载变化和岸电电源系统特性变化调节控制器参数，系统超调量较大，调节时间较长，抗干扰能力、控制精度和稳态特性较差。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中传统岸电电源调节时间长的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种自动调节电压的岸电电源。

本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源，包括：变频器、隔离变压器、电流前馈单元、电压反馈单元和调节控制器；变频器的输出端与隔离变压器的一次侧相连，且变频器的输出端还与电流前馈单元的输入端相连；隔离变压器的二次侧与电压反馈单元的输入端相连，电压反馈单元的输出端与调节控制器的输入端相连；调节控制器的输出端与变频器的输入端相连，且调节控制器预设系统输出设定值；变频器的输入端还用于与外部的电源相连，隔离变压器的二次侧还用于与外部的负载相连；电流前馈单元用于采集变频器的输出电流，根据输出电流确定电压波动值，并将电压波动值传输至变频器的输入端；电压反馈单元用于采集隔离变压器的输出电压，并将输出电压传输至调节控制器；调节控制器用于根据系统输出设定值和隔离变压器的输出电压确定调节参数，根据调节参数调节变频器的输入值。

在上述技术方案中，该岸电电源还包括：负载观测器；

变频器的输出端与电流前馈单元的输入端相连，具体包括：变频器的输出端通过负载观测器与电流前馈单元的输入端相连；

隔离变压器的二次侧也通过负载观测器与电流前馈单元的输入端相连；负载观测器用于动态跟踪变频器的输出量和隔离变压器的输出量，预测变频器的输出电流的变化值，并将变频器的输出电流的变化值传输至电流前馈单元。

在上述技术方案中，调节控制器包括PI控制器，PI控制器用于在确定调节参数后，根据调节参数调节变频器的输入值，调节参数包括比例系数和积分系数；或

调节控制器包括PID控制器，PID控制器用于在确定调节参数后，根据调节参数调节变频器的输入值，调节参数包括比例系数、积分系数和微分系数。

在上述技术方案中，调节控制器还包括：模糊控制器；模糊控制器用于获取根据系统输出设定值和输出电压确定的偏差和偏差变化率，对偏差和偏差变化率进行模糊化处理后确定调节参数变化量；调节控制器将调节参数变化量与初始的调节参数相结合后，确定最终的调节参数。

在上述技术方案中，当调节控制器包括PI控制器时，将调节参数变化量与调节参数相结合后，确定最终的调节参数，具体包括：

最终的比例系数为：KP＝Kp+△Kp，Kp为初始的比例系数；

最终的积分系数为：KI＝Ki+△Ki，Ki为初始的积分系数；

调节参数变化量包括比例系数变化量△Kp和积分系数变化量△Ki。

在上述技术方案中，当调节控制器包括PID控制器时，将调节参数变化量与调节参数相结合后，确定最终的调节参数，具体包括：

最终的比例系数为：KP＝Kp+△Kp，Kp为初始的比例系数；

最终的积分系数为：KI＝Ki+△Ki，Ki为初始的积分系数；

最终的微分系数为：KD＝Kd+△Kd，Kd为初始的微分系数；

调节参数变化量包括比例系数变化量△Kp、积分系数变化量△Ki和微分系数变化量△Kd。

在上述技术方案中，该岸电电源还包括：有源电力滤波器，用于对变频器的输出量进行滤波处理；变频器的输出端与隔离变压器的一次侧相连，具体包括：变频器的输出端通过有源电力滤波器与隔离变压器的一次侧相连。

在上述技术方案中，电压反馈单元包括：电压测量模块和电压变换模块，电压测量模块和电压变换模块相连；电压测量模块用于采集隔离变压器的输出电压；电压变换模块用于获取电压测量模块采集的隔离变压器的输出电压，并对隔离变压器的输出电压进行变压处理，将进行变压处理后得到的输出电压传输至调节控制器。

在上述技术方案中，电压测量模块采集的隔离变压器的输出电压包括：输出电压和供电过程中的扰动电压。

本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源，在通过调节控制器进行反馈控制的基础上，增加电流前馈单元。该电流前馈单元通过对变频器的输出电流进行快速采样，然后根据电流信号的大小判断负载突加或突减的大小，计算岸电电源负载突然变化时所引起的电压波动，将这个电压波动值加到变频器输出电压的设定值通道上，从而达到快速补偿，使得电压降快速恢复。由于变频器内部的电流采样速度较快，较现有的电压闭环控制反应快，该岸电电源可以有效的提高电压波动的恢复时间，缩短调节时间。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中自动调节电压的岸电电源的第一结构图；

图2为本发明实施例中自动调节电压的岸电电源的第二结构图；

图3为本发明实施例中自动调节电压的岸电电源的第三结构图；

图4为本发明实施例中自动调节电压的岸电电源的第四结构图。

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描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

根据本发明实施例，提供了一种自动调节电压的岸电电源，图1为该岸电电源的结构图，具体包括：变频器10、隔离变压器20、电流前馈单元30、电压反馈单元40和调节控制器50。

具体的，变频器10的输出端与隔离变压器20的一次侧相连，且变频器10的输出端还与电流前馈单元30的输入端相连；隔离变压器20的二次侧与电压反馈单元40的输入端相连，电压反馈单元40的输出端与调节控制器50的输入端相连；调节控制器50的输出端与变频器10的输入端相连，且调节控制器50可以预设系统输出设定值；变频器10的输入端还可以与外部的电源相连，隔离变压器20的二次侧还可以与外部的负载相连。

其中，电流前馈单元30用于采集变频器10的输出电流，根据输出电流确定电压波动值，并将电压波动值传输至变频器10的输入端；电压反馈单元40用于采集隔离变压器20的输出电压，并将输出电压传输至调节控制器50；调节控制器50用于根据系统输出设定值和隔离变压器20的输出电压确定调节参数，并根据调节参数调节变频器10的输入值。

本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源，在通过调节控制器进行反馈控制的基础上，增加电流前馈单元。该电流前馈单元通过对变频器的输出电流进行快速采样，然后根据电流信号的大小判断负载突加或突减的大小，计算岸电电源负载突然变化时所引起的电压波动，将这个电压波动值加到变频器输出电压的设定值通道上，从而达到快速补偿，使得电压降快速恢复。由于变频器内部的电流采样速度较快，较现有的电压闭环控制反应快，该岸电电源可以有效的提高电压波动的恢复时间，缩短调节时间。

优选的，参见图2所示，本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源，还包括：负载观测器60。具体的，变频器10的输出端通过负载观测器60与电流前馈单元30的输入端相连；隔离变压器20的二次侧也通过负载观测器60与电流前馈单元30的输入端相连。

本发明实施例中，负载观测器60用于动态跟踪变频器10的输出量和隔离变压器20的输出量，预测变频器10的输出电流的变化值，并将变频器10的输出电流的变化值传输至电流前馈单元30。负载观测器通过提前预测电流的变化值，结合电压反馈单元可以进一步提高电压波动的恢复时间，可以改善系统动态性能，增强了系统抗干扰能力，极大地降低了负载电压扰动对岸电电源电压输出稳定性的影响。

优选的，本发明实施例中的调节控制器50可以包括PI控制器或PID控制器。PI控制器用于在确定调节参数后，根据调节参数调节变频器10的输入值，该调节参数包括比例系数和积分系数。PID控制器用于在确定调节参数后，根据调节参数调节变频器10的输入值，此时，调节参数包括比例系数、积分系数和微分系数。图3中以PI控制器为例，当包含PID控制器时岸电电源的结构与图3类似。

在图3中，调节控制器50还包括：模糊控制器。该模糊控制器用于获取根据系统输出设定值和输出电压确定的偏差E和偏差变化率Ec，对偏差E和偏差变化率Ec进行模糊化处理后确定调节参数变化量；调节控制器50将调节参数变化量与初始的调节参数相结合后，确定最终的调节参数。

具体的，当调节控制器50包括PI控制器时(即图3中所示的岸电电源)，上述将调节参数变化量与调节参数相结合后，确定最终的调节参数的步骤，具体包括：

最终的比例系数为：KP＝Kp+△Kp，Kp为初始的比例系数；

最终的积分系数为：KI＝Ki+△Ki，Ki为初始的积分系数；

调节参数变化量包括比例系数变化量△Kp和积分系数变化量△Ki。

当调节控制器50包括PID控制器时，上述将调节参数变化量与调节参数相结合后，确定最终的调节参数的步骤，具体包括：

最终的比例系数为：KP＝Kp+△Kp，Kp为初始的比例系数；

最终的积分系数为：KI＝Ki+△Ki，Ki为初始的积分系数；

最终的微分系数为：KD＝Kd+△Kd，Kd为初始的微分系数；

调节参数变化量包括比例系数变化量△Kp、积分系数变化量△Ki和微分系数变化量△Kd。

本发明实施例中采用模糊控制器和PI控制器(或PID控制器)结合的控制方式，与传统PI控制相比能明显改善系统的动态性能和稳态特性，减小系统超调量和系统的调节时间，可提高系统输出电压的控制精度；同时使用这种控制方式能使输出电压迅速恢复，极大提高电压恢复时间，动态性能得以提高，从而使得系统输出电压稳定技术得到进一步提高。

下面以图3中包含PI控制器的岸电电源为例，该岸电电源的具体工作过程如下：将电压反馈单元采集的装置的实际输出电压与系统输出设定值相比较，得出偏差E及偏差变化率Ec。偏差E及偏差变化率EC作为模糊控制器的输入值，模糊控制器经过模糊化，模糊推理，解模糊输出调节参数变化量ΔKp和ΔKi。ΔKp和ΔKi与原来的Kp和Ki值相加得到新的KP和KI值，即KP＝Kp+ΔKp，KI＝Ki+ΔKi。不同的KP、KI值，系统的输出也不相同。由于最终的KP、KI值是根据系统的输出变化而变化，所以能更加适合整个岸电电源系统，从而可以更加优异地控制整个系统的电压稳定的输出。

优选的，参见图4所示，本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源还包括：有源电力滤波器APF。变频器10的输出端通过有源电力滤波器与隔离变压器20的一次侧相连，有源电力滤波器APF用于对变频器10的输出量进行滤波处理。

优选的，参见图4所示，电压反馈单元40包括：电压测量模块和电压变换模块，且电压测量模块和电压变换模块相连。

具体的，电压测量模块用于采集隔离变压器20的输出电压；电压变换模块用于获取电压测量模块采集的隔离变压器20的输出电压，并对隔离变压器20的输出电压进行变压处理，将进行变压处理后得到的输出电压传输至调节控制器50。且该电压测量模块采集的隔离变压器20的输出电压包括：岸电电源的输出电压和供电过程中的扰动电压。

本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源，在通过调节控制器进行反馈控制的基础上，增加电流前馈单元。该电流前馈单元通过对变频器的输出电流进行快速采样，然后根据电流信号的大小判断负载突加或突减的大小，计算岸电电源负载突然变化时所引起的电压波动，将这个电压波动值加到变频器输出电压的设定值通道上，从而达到快速补偿，使得电压降快速恢复。由于变频器内部的电流采样速度较快，较现有的电压闭环控制反应快，该岸电电源可以有效的提高电压波动的恢复时间，缩短调节时间。

本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源，采用模糊控制器和PI控制器(或PID控制器)结合的控制方式，与传统PI控制相比能明显改善系统的动态性能和稳态特性，减小系统超调量和系统的调节时间，可提高系统输出电压的控制精度；同时使用这种控制方式能使输出电压迅速恢复，极大提高电压恢复时间，动态性能得以提高，从而使得系统输出电压稳定技术得到进一步提高。

本发明实施例提供的一种自动调节电压的岸电电源，采用负载观测器与模糊控制相结合的电压自动调节方法，负载观测器对观测值进行前馈扰动补偿，动态性能和静态性能都更加优异，在现有技术的基础上有很明显的提高，将模糊控制这种智能控制方式应用于岸电电源的系统中，使得输出电压更加稳定。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图4为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自动调节电压的岸电电源，其特征在于，包括：变频器、隔离变压器、电流前馈单元、电压反馈单元和调节控制器；

所述变频器的输出端与所述隔离变压器的一次侧相连，且所述变频器的输出端还与所述电流前馈单元的输入端相连；所述隔离变压器的二次侧与所述电压反馈单元的输入端相连，所述电压反馈单元的输出端与所述调节控制器的输入端相连；所述调节控制器的输出端与所述变频器的输入端相连，且所述调节控制器预设系统输出设定值；所述变频器的输入端还与外部的电源相连，所述隔离变压器的二次侧还与外部的负载相连；

所述电流前馈单元用于采集所述变频器的输出电流，根据所述输出电流确定电压波动值，并将所述电压波动值传输至所述变频器的输入端；

电压反馈单元用于采集所述隔离变压器的输出电压，并将所述输出电压传输至所述调节控制器；

所述调节控制器用于根据所述系统输出设定值和所述隔离变压器的输出电压确定调节参数，并且根据所述调节参数调节所述变频器的输入值。

2.根据权利要求1所述的岸电电源，其特征在于，还包括：负载观测器；

所述变频器的输出端与所述电流前馈单元的输入端相连，具体包括：所述变频器的输出端通过所述负载观测器与所述电流前馈单元的输入端相连；

所述隔离变压器的二次侧也通过所述负载观测器与所述电流前馈单元的输入端相连；

所述负载观测器用于动态跟踪变频器的输出量和隔离变压器的输出量，预测所述变频器的输出电流的变化值，并将所述变频器的输出电流的变化值传输至所述电流前馈单元。

3.根据权利要求1或2所述的岸电电源，其特征在于，

所述调节控制器包括PI控制器，所述PI控制器用于在确定调节参数后，根据所述调节参数调节所述变频器的输入值，所述调节参数包括比例系数和积分系数；或

所述调节控制器包括PID控制器，所述PID控制器用于在确定调节参数后，根据所述调节参数调节所述变频器的输入值，所述调节参数包括比例系数、积分系数和微分系数。

4.根据权利要求3所述的岸电电源，其特征在于，所述调节控制器还包括：模糊控制器；

所述模糊控制器用于获取根据所述系统输出设定值和所述输出电压确定的偏差和偏差变化率，并对所述偏差和所述偏差变化率进行模糊化处理后确定调节参数变化量；所述调节控制器将所述调节参数变化量与初始的调节参数相结合后，确定最终的调节参数。

5.根据权利要求4所述的岸电电源，其特征在于，当所述调节控制器包括PI控制器时，所述将所述调节参数变化量与所述调节参数相结合后，确定最终的调节参数，具体包括：

最终的比例系数为：KP＝Kp+△Kp，Kp为初始的比例系数；

最终的积分系数为：KI＝Ki+△Ki，Ki为初始的积分系数；

所述调节参数变化量包括比例系数变化量△Kp和积分系数变化量△Ki。

6.根据权利要求4所述的岸电电源，其特征在于，当所述调节控制器包括PID控制器时，所述将所述调节参数变化量与所述调节参数相结合后，确定最终的调节参数，具体包括：

最终的比例系数为：KP＝Kp+△Kp，Kp为初始的比例系数；

最终的积分系数为：KI＝Ki+△Ki，Ki为初始的积分系数；

最终的微分系数为：KD＝Kd+△Kd，Kd为初始的微分系数；

所述调节参数变化量包括比例系数变化量△Kp、积分系数变化量△Ki和微分系数变化量△Kd。

7.根据权利要求4-6任一所述的岸电电源，其特征在于，还包括：有源电力滤波器，用于对所述变频器的输出量进行滤波处理；

所述变频器的输出端与所述隔离变压器的一次侧相连，具体包括：所述变频器的输出端通过所述有源电力滤波器与所述隔离变压器的一次侧相连。

8.根据权利要求4-6任一所述的岸电电源，其特征在于，所述电压反馈单元包括：电压测量模块和电压变换模块，所述电压测量模块和所述电压变换模块相连；

所述电压测量模块用于采集所述隔离变压器的输出电压；所述电压变换模块用于获取所述电压测量模块采集的所述隔离变压器的输出电压，并对所述隔离变压器的输出电压进行变压处理，将进行变压处理后得到的输出电压传输至所述调节控制器。

9.根据权利要求8所述的岸电电源，其特征在于，所述电压测量模块采集的所述隔离变压器的输出电压包括：输出电压和供电过程中的扰动电压。