CN106487030B - 一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统及其控制方法 - Google Patents

一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统及其控制方法，所述系统包括功率变换单元，接收功率单元驱动器的触发信号，实现对岸电电源输入整流‑逆变控制；功率单元驱动器，用于接收单元控制器转发的PWM控制指令，实现对功率变换单元的统一PWM触发控制；单元控制器，用于采集信号的信号调理及控制保护动作触发，并转发中央控制器的PWM指令至功率单元驱动器；中央控制器，用于实现岸电电源系统的系统控制，通过控制算法，发出PWM控制指令，并通过光纤发送至单元控制器；滤波装置，对岸电电源输入或输出进行滤波处理，满足岸电电源对供电谐波的要求。本发明技术方案实现岸电电源容量的灵活配置，提高电源供电可靠性。

Description

一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及供电电源技术领域，更具体涉及一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统及其控制方法。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，船舶运输行业发展迅速，船舶停靠码头的次数与时间急剧增长。而现有船舶停靠时通常使用燃油制品如重油、柴油等发电来满足船舶停靠时的用电需求，对港口环境造成了巨大污染。为了有效解决日益突出的环境问题，降低港口停靠船舶的能源消耗和污染物排放，我国港口逐步使用陆地岸电电源对靠港船舶供电来满足靠港船舶的用电需求，取得了一定成效。
现有的陆地岸电电源一般采用移相变压器加功率变换单元的“高-高”供电方式与采用降压变压器、低压功率变换单元加升压变压器的“高-低-高”供电方式。这两种岸电电源都是从传统的工业变频、变压电源移植而来，没有充分考虑我国靠港船舶的用电特性。现靠港船舶除了供电制式的要求(如频率满足50Hz与60Hz两种要求，对应电压满足6.6kV、6kV或400V、450V等要求)外，由于靠港船舶的用电需求不同，导致靠港船舶的用电容量差异很大，同一码头的不同靠港船舶的用电需求从1MW到8MW各不相同。而且，由于船舶对用电可靠性要求较高，船上部分设备(如定向仪等)不能停电，以避免损坏设备或影响船舶系统的安全性。传统的“高-高”供电方式或“高-低-高”供电方式无法满足岸电电源容量的灵活配置要求，或者选择容量较大的电源满足所有供电容量需求而降低供电效率，或者选择容量较小的电源满足特定范围内的供电需求。另外，这两种供电电源的供电可靠性不高，任一功率单元的损坏，将导致整个电源的降额使用或供电终止，无法保证靠港船舶的正常运行。
发明内容：
本发明的目的是提供一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统及其控制方法，实现岸电电源容量的灵活配置，提高电源供电可靠性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，包括：
功率变换单元，接收功率单元驱动器的触发信号，实现对岸电电源输入整流-逆变控制，将输入电源变换为符合船舶需求频率及电压等级的供电电源；
功率单元驱动器，用于接收单元控制器转发的PWM控制指令，实现对功率变换单元的统一PWM触发控制；
单元控制器，用于采集信号的信号调理及控制保护动作触发，并转发中央控制器的PWM指令至功率单元驱动器；
中央控制器，用于实现岸电电源系统的系统控制，通过控制算法，发出PWM控制指令，并通过光纤发送至单元控制器；
滤波装置，对岸电电源输入或输出进行滤波处理，满足岸电电源对供电谐波的要求。
所述功率变换单元包括连接在同一直流母线上的整流子单元与逆变子单元；所述整流子单元用于实现将输入岸电电源的交流电变换为直流电；所述逆变子单元用于实现将直流电变换为符合输出要求的交流电。
所述整流子单元与逆变子单元均为连接在同一直流母线的包括IGBT的相同三相变换拓扑结构，实现整流与逆变子单元的互换；根据最大供电容量需求与整流或逆变子单元的单元容量，确定所述功率变换单元数量；所有所述整流子单元的输入来自各自的输入滤波装置，所有逆变子单元输出至各自的输出滤波装置。
所述功率单元驱动器一端连接所述功率变换单元，另一端连接所述单元控制器；每一个功率驱动器对应一个三相功率变换单元，并设置唯一编号作为构成功率控制矩阵的一项，若干个功率驱动器构成功率控制矩阵。
所述功率单元驱动器包括连接于所述单元控制器与功率变换单元间的IGBT驱动电路。
所述单元控制器一端连接所述中央控制器，另一端连接所述功率单元驱动器；所有所述整流子单元的功率驱动器连接至一个整流单元控制器；所有所述逆变单元的功率驱动器连接至一个逆变单元控制器。
所述单元控制器包括连接所述中央控制器与功率单元驱动器之间的保护控制电路与信号采集电路；所述信号采集电路采集功率变换单元的电量信号与非电量信号，并对信号进行调理，将调理后的信号传送至所述中央控制器和保护控制电路。
所述滤波装置包括输入滤波装置与输出滤波装置；
所述输入滤波装置一端连接岸电电源输入侧三相交流母线，另一端连接所述整流功率子单元，每一个输入滤波装置对应一个所述整流子单元；所述输出滤波装置一端连接所述逆变功率子单元，另一端连接岸电电源输出侧三相交流母线，每一个输出滤波装置对应一个所述逆变子单元。
一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统的控制方法，包括：
对功率控制矩阵进行初始化设置；
接收电源容量设定，检测各功率变换单元状态；
根据电源容量设定及单元控制器采集的各功率变换单元累计运行时间，设定实际参与控制的功率控制矩阵；
对本次功率控制矩阵之外的功率单元驱动器闭锁输出；
中央控制器依据设定输出PWM控制信号至功率控制矩阵相应的功率单元驱动器，通过光纤实现信号的统一触发；
运行过程中检测到功率单元运行异常，投入备用整流子单元或逆变子单元，维持岸电电源的正常功率输出，并将异常功率单元的功率单元驱动器退出控制序列，闭锁输出并报警；
中央控制器重新设定新的功率控制矩阵。
当所述功率变换单元数量变化，对功率控制矩阵进行初始化设置。
和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果
1、本发明技术方案可依据靠港船舶的用电容量需求，灵活配置岸电电源容量，减少功率器件开关损耗，避免电源“大马拉小车”问题；
2、本发明技术方案在多种容量需求下，保证电源的供电效率；
3、本发明技术方案整流、逆变单元采用相同的拓扑结构，每种功率单元互为备用，通过中央控制器对功率控制矩阵的选择、控制，提高了供电的可靠性，同时，维护更换方便；
4、本发明技术方案所有功率单元采用共母线结构，由中央控制器统一控制，通过对中央控制器及功率单元驱动器的简单配置，可方便实现岸电电源容量的扩容。
附图说明
图1为本发明实施例中一种基于矩阵变换控制的船用岸电电源系统结构图；
图2为本发明实施例中一种基于矩阵变换控制的船用岸电电源功率控制矩；
图3为本发明实施例中一种基于矩阵变换控制的船用岸电电源控制流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。
实施例1：
本例的发明提供一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统及其控制方法，所述系统如图1、图2所示，该系统包括功率变换单元，功率单元驱动器、单元控制器、中央控制器及滤波装置；所述功率变换单元用于接收功率单元驱动器的触发信号，实现对岸电电源输入整流-逆变控制，将输入电源变换为符合船舶需求频率及电压等级的供电电源；所述功率单元驱动器，用于接收单元控制器转发的PWM控制指令，实现对功率变换单元的统一PWM触发控制；所述单元控制器，用于采集信号的信号调理及控制保护动作触发，并转发中央控制器的PWM指令至功率单元驱动器；所述中央控制器，用于实现岸电电源系统的系统控制，通过控制算法，发出PWM控制指令，并通过光纤发送至单元控制器；所述滤波装置，对岸电电源输入/输出进行滤波处理，满足岸电电源对供电谐波的要求。
功率变换单元包含连接在同一直流母线上的整流子单元与逆变子单元。功率变换单元数量依据最大供电容量与功率变换单元单位容量配置，整流子单元与逆变子单元1:1配置，整流子单元与逆变子单元容量相同，一个整流子单元(或逆变子单元)的容量作为功率变换单元的单位容量。如最大供电容量3000KVA，整流子单元容量500KVA,逆变单子元容量也为500KVA，则功率变换单元单位容量为500KVA，需配置6个整流单元，逆变单元按1:1配置，同样需配置6个逆变单元；所述功率变换单元的整流子单元用于实现将输入岸电电源的交流电变换为直流电，逆变子单元用于实现将直流电变换为符合输出要求的交流电。整流与逆变子单元采用IGBT，以减少谐波影响。
所有功率变换单元连接到同一直流母线上，任一整流子单元的输入端连接至各自的输入滤波电路，任一逆变子单元的输出端连接至各自的输出滤波电路；
所有功率变换单元采用相同的三相变换拓扑结构，实现功率变换单元的互为备用；
如图2所示，功率驱动器与功率变换单元一一对应，每个功率驱动器设置唯一地 址，所有功率控制器构成功率控制矩阵。整流子单元对应的功率驱动器的地址依次设置为 A11，A12，…A1n，逆变子单元对应的功率驱动器的地址依次设置为A21，A22，…A2n，所有功率控 制器构成功率控制矩阵功率驱动器一端连接功率变换单元，一端连接单元 控制器。当功率驱动器属于该次控制的功率控制矩阵时，功率驱动器接收单元控制器转发 的PWM控制输出，并根据控制指令触发PWM控制或闭锁PWM控制，控制功率变单元工作，当功 率驱动器不属于该次控制的功率控制矩阵时，功率驱动器闭锁控制输出，退出控制；所述功 率单元驱动器包含连接于单元控制器与功率变换单元间的IGBT驱动电路。
单元控制器的信号采集电路采集岸电电源运行时功率单元的各种信息量，包括直流母线电压、电流，交流输出电压、电流，频率等电量信息及功率单元温度、运行累计时间等非电量信息；所述单元控制器包含连接于中央控制器与功率单元驱动器之间的保护控制电路与信号采集电路；
单元控制器对采集到的信息进行调理，转送到中央控制器及单元控制器的保护电路，由保护电路对各功率单元进行保护；
单元控制器通过光纤转发中央控制器的PWM控制指令至功率驱动器，由功率驱动器控制功率单元的导通与关闭，同时，保护电路根据调理后的采样信号实现整个单元的保护控制；每个岸电电源包含两个单元控制器，分别对应各整流子单元的功率驱动器与逆变子单元的功率驱动器；
所述单元控制器一端连接于中央控制器，一端连接于功率单元驱动器。
所述中央控制器包含岸电电源控制电路及PWM输出控制电路；所述中央控制器根据外部输出功率设定及功率单元状态信号，在由功率驱动器构成的功率控制矩阵中选择相应功率驱动器及功率单元，通过整流及逆变算法，通过光纤信号统一发送PWM控制信号至单元控制器，实现岸电电源的统一控制；
所述滤波装置包含输入滤波装置与输出滤波装置；
所述输入滤波装置一端连接于岸电电源输入侧三相交流母线，一端连接于整流功率子单元，每一个输入滤波装置对应一个整流子单元；输出滤波装置一端连接于逆变功率子单元，一端连接于岸电电源输出侧三相交流母线，每一个输出滤波装置对应一个逆变子单元，满足50Hz与60Hz输出条件下的滤波要求，满足岸电电源输出谐波技术指标；
中央控制器实现对岸电电源的系统级控制，控制流程如图3所示。
①当功率单元数量变化(如增容或检修)，对功率控制矩阵进行初始化设置。如供 电容量3000KVA，功率单元容量500KVA,配置12个功率单元，功率控制矩阵1为当容量增至4000KVA，需增加4个功率单元，逆变子单元与整流子单元 各增加2个，功率控制矩阵变换为功率控制矩阵2：新增加的功 率驱动器需要相应设置地址；
②接收电源容量设定，检测各功率单元状态，如果某个功率单元状态异常，将该功率单元相应的功率驱动器移除功率控制矩阵，重新设定功率控制矩阵；
③根据电源容量设定及单元控制器采集的各功率单元累计运行时间，设定实际参 与控制的功率控制矩阵。依据上例，如本次电源容量设定为2000KVA,A11-A18累计运行时间 分别为100h，120h，150h，80h，110h，230h，200h，180h，A21-A28累计运行时间分别为130h， 100h，90h，90h，110h，200h，90h，130h。根据设定容量及功率单元容量确定本次参与控制的 整流子单元数量为4个，逆变子单元数量为4个。为了提高系统运行寿命，分别将运行累计运 行时间较短的功率单元的功率单元驱动器置入功率控制矩阵，则本次功率控制矩阵变换为 功率控制矩阵3
④本次功率控制矩阵之外的功率单元驱动器闭锁输出；
⑤中央控制器依据设定好的程序输出PWM控制信号至功率控制矩阵相应的功率单元驱动器，通过光纤实现信号的统一触发；
⑥运行过程中检测到功率单元运行异常，如温度超过限定值等，投入备用整流子单元或逆变子单元，维持岸电电源的正常功率输出，并将异常功率单元的功率单元驱动器退出控制序列，闭锁输出并报警；
⑦中央控制器重新设定新的功率控制矩阵。
滤波电路包含交流输入滤波电路与交流输出滤波电路，每个整流子单元三相交流输入分别接入一路交流输入滤波电路，所有整流子单元的输入滤波电路分别并联至岸电电源交流输入母线，各输入滤波电路设计参数一致；每个逆变子单元三相交流输出分别接入一路交流输出滤波电路，所有逆变子单元的输出滤波电路分别并联至岸电电源交流输出母线，各输出滤波电路设计参数一致，满足50Hz/60Hz交流输出滤波要求。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：包括：
功率变换单元，接收功率单元驱动器的触发信号，实现对岸电电源输入整流-逆变控制，将输入电源变换为符合船舶需求频率及电压等级的供电电源；
功率单元驱动器，用于接收单元控制器转发的PWM控制指令，实现对功率变换单元的统一PWM触发控制；
单元控制器，用于采集信号的信号调理及控制保护动作触发，并转发中央控制器的PWM指令至功率单元驱动器；
中央控制器，用于实现岸电电源系统的系统控制，通过控制算法，发出PWM控制指令，并发送至单元控制器；
滤波装置，对岸电电源输入或输出进行滤波处理，满足岸电电源对供电谐波的要求；
基于所述矩阵控制的船用岸电电源系统的控制方法，包括：
对功率控制矩阵进行初始化设置；
接收电源容量设定，检测各功率变换单元状态；
根据电源容量设定及单元控制器采集的各功率变换单元累计运行时间，设定实际参与控制的功率控制矩阵；
对本次功率控制矩阵之外的功率单元驱动器闭锁输出；
中央控制器依据设定输出PWM控制信号至功率控制矩阵相应的功率单元驱动器，通过光纤实现信号的统一触发；
运行过程中检测到功率单元运行异常，投入备用整流子单元或逆变子单元，维持岸电电源的正常功率输出，并将异常功率单元的功率单元驱动器退出控制序列，闭锁输出并报警；
中央控制器重新设定新的功率控制矩阵。
2.如权利要求1所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：所述功率变换单元包括连接在同一直流母线上的整流子单元与逆变子单元；所述整流子单元用于实现将输入岸电电源的交流电变换为直流电；所述逆变子单元用于实现将直流电变换为符合输出要求的交流电。
3.如权利要求2所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：所述整流子单元与逆变子单元均为连接在同一直流母线的包括IGBT的相同三相变换拓扑结构，实现整流与逆变子单元的互换；根据最大供电容量需求与整流子单元或逆变子单元的单元容量，确定所述功率变换单元数量；所有所述整流子单元的输入来自各自的输入滤波装置，所有逆变子单元输出至各自的输出滤波装置。
4.如权利要求1所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：所述功率单元驱动器一端连接所述功率变换单元，另一端连接所述单元控制器；每一个功率驱动器对应一个三相功率变换单元，并设置唯一编号作为构成功率控制矩阵的一项，若干个功率单元驱动器构成功率控制矩阵。
5.如权利要求1或4所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：所述功率单元驱动器包括连接于所述单元控制器与功率变换单元间的IGBT驱动电路。
6.如权利要求2所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：所述单元控制器一端连接所述中央控制器，另一端连接所述功率单元驱动器；所有所述整流子单元的功率驱动器连接至一个整流单元控制器；所有所述逆变单元的功率驱动器连接至一个逆变单元控制器。
7.如权利要求1或6所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：所述单元控制器包括连接所述中央控制器与功率单元驱动器之间的保护控制电路与信号采集电路；所述信号采集电路采集功率变换单元的电量信号与非电量信号，并对信号进行调理，将调理后的信号传送至所述中央控制器和保护控制电路。
8.如权利要求2所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：所述滤波装置包括输入滤波装置与输出滤波装置；
所述输入滤波装置一端连接岸电电源输入侧三相交流母线，另一端连接所述整流子单元，每一个输入滤波装置对应一个所述整流子单元；所述输出滤波装置一端连接所述逆变子单元，另一端连接岸电电源输出侧三相交流母线，每一个输出滤波装置对应一个所述逆变子单元。
9.如权利要求1所述的一种基于矩阵控制的船用岸电电源系统，其特征在于：当所述功率变换单元数量变化，对功率控制矩阵进行初始化设置。
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