CN107332283B - 岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，通过同步旋转坐标系SRF与岸电电源并网电压相位θ_o同步；通过控制船舶电网电压u_g和岸电电源并网电压u_o在SRF上q轴的电压偏差Δu_q为零来实现电压相位同步控制；通过控制u_g和u_o在SRF上d轴的电压偏差Δu_d为零来实现电压幅值同步控制；该方法无需改变并网前后岸电电源的控制策略，即可实现电压相位、频率、幅值以及功率的平滑过渡。相对于传统相位同步控制方法，该方法节约了船舶电网电压锁相环，控制算法简单，占用控制资源较少；同时，采取的相位直接调节方法避免了对P‑f下垂控制的影响。并且，电压幅值和相位同步控制存在于同一个同步旋转坐标系上，控制算法统一，便于实施。

Description

岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法

技术领域

本发明涉及一种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法。

背景技术

近年来，船舶靠港期间产生的严重环境污染及其带来的众多社会问题已经引起了国际相关组织的广泛关注和重视。使用岸电电源代替船舶柴油发电机系统能够有效减少港区有害气体的排放，提高能源使用效率，对于节能减排、绿色经济和环境治理有着深远的意义。

当岸电电源并入船舶电网时，首先需要判断岸电电源是否满足并入船舶电网的条件，即岸电电源与船舶电网的电压相位和幅值偏差是否在可接受的范围之内。当满足条件时，岸电电源执行并网操作；否则，当并网条件不满足，则对需要对并入船舶电网的岸电电源进行电压相位(频率)和幅值的同步控制，消除并网暂态冲击，实现平滑过渡，以达到岸电电源友好并网的目的。

传统电压相位同步控制方法通常采集电网和电源电压相位，通过控制二者相位差为零，实现电压相位(频率)的同步控制；传统电压幅值同步控制方法通过采集电网和电源电压幅值，通过控制二者幅值差为零，实现电压幅值的同步控制。上述电压同步控制方法存在的主要问题是：第一，存在电压相位和幅值两个相对独立的控制算法，没有统一控制算法；第二，相位同步控制方法需要设置两个电压相位锁相环，即电网电压锁相环和电源电压锁相环，控制算法复杂，占用较多控制资源。

传统相位同步控制方法中，相位(频率)同步控制采用比较分析法，首先分析两种常见的相位同步控制方法，如图1所示。图1中，θ_o、θ_g分别为岸电电源并网电压u_o和船舶电网电压u_g的相位角；u_q、u_gq分别为u_o和u_g在SRF上q轴分量；k_θp、k_θ分为相位同步控制器的比例和积分系数。

传统相位同步控制参照图1，将两种常见的相位同步控制方法分别称为频率调节法或相位调节法，分别对应控制线路①和②。其中，频率调节法首先获取θ_g与θ_o的相位差Δθ，经过PI控制器输出频率补偿量ω_c，然后通过ω_c实时调节P-f控制器的输出频率ω，实现相位和频率同步；相位调节法的PI控制器输出相位补偿量θ_c，然后通过θ_c直接调节θ，实现相位和频率同步。

当采用频率调节法时，忽略相位指令θ_r和θ_o之间的微小偏差δ，可获得相位反馈控制系统闭环传递函数G_θ(s)：

根据式(1)，可获得该二阶系统的特征方程：

式中：自然频率

阻尼系数

可见，当k_θp＝0，即PI控制为纯积分控制时，有ξ＝0，特征方程(2)具有一对纯虚根

系统为等值振荡系统。因此，频率调节法不能采用纯积分控制器。通常，为了抑制振荡取值

然而，当k_θp≠0时，相位同步初始时刻Δθ的阶跃变化必然反映到ω_c中，从而造成系统频率的突变。

发明内容

本发明的目的是提供一种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，控制结构简单，具有较快的响应速度和控制精度解决现有技术中存在的存在电压相位和幅值两个相对独立的控制算法，没有统一控制算法；相位同步控制方法需要设置两个电压相位锁相环，即电网电压锁相环和电源电压锁相环，控制算法复杂，占用较多控制资源的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，包括以下步骤，

同步旋转坐标系SRF与岸电电源并网电压相位θ_o同步；

通过控制船舶电网电压u_g和岸电电源并网电压u_o在SRF上q轴的电压偏差Δu_q为零来实现电压相位同步控制；

通过控制u_g和u_o在SRF上d轴的电压偏差Δu_d为零来实现电压幅值同步控制。

进一步地，电压相位同步控制的控制方程为：

其中，θ_r为电压相位指令，θ为θ为p-f下垂控制器输出相位，

为积分控制器，u_gq为船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的q轴电压，u_q为岸电电源电压u_o在SRF上的q轴电压。

进一步地，通过消除u_g和u_o在SRF上d轴的u_gd和u_d的电压偏差Δu_d，实现岸电电源和船舶电网的电压幅值同步，电压幅值同步控制的控制方程为：

其中，E_r为电压幅值指令，E为无功-电压Q-U下垂控制器的输出电压，

为积分控制器，u_gd为船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的d轴电压，u_d为岸电电源电压u_o在SRF上的d轴电压。

进一步地，由获得的电压相位指令θ_r和幅值指令E_r，获得岸电电源电压指令：

e_r＝E_r sinθ_r。

进一步地，具体控制步骤如下：

步骤1：并网前，并网开关T＝0分闸；控制开关K₁＝0分闸；控制开关K₂＝0分闸；

步骤2：通过锁相环PLL获取岸电电源并网电压相位θ_o；

步骤3：将三相abc坐标系中的船舶电网电压u_g通过同步旋转坐标变换C_abc-dq，获得SRF上d轴电压u_gd和q轴电压u_gq：

其中，

步骤4：将三相abc坐标系中的岸电电源电压u_o通过同步旋转坐标变换C_abc-dq，获得SRF上d轴电压u_d和q轴电压u_q：

步骤5：求取船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的q轴电压u_gq和岸电电源电压u_o在SRF上的q轴电压u_q的偏差Δu_q；求取船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的d轴电压u_gd和岸电电源电压u_o在SRF上的d轴电压u_d的偏差Δu_d；

步骤6：t₁时刻，接受到并网指令，令K₁＝K₂＝1，控制开关K₁、K₂合闸；同时，延时计数器T₁开始计数；

步骤7：将Δu_q送入积分控制器

积分控制器

输出补偿相位θ_c；

步骤8：将θ_c与有功-频率P-f下垂控制器的输出相位θ相叠加，获得系统电压相位指令θ_r；

步骤9：将Δu_d送入积分控制器

积分控制器

输出补偿电压E_c；

步骤10：将补偿电压E_c与无功-电压Q-U下垂控制器的输出电压E相叠加，获得系统电压幅值指令E_r；

步骤11：结合系统电压幅值指令E_r和系统电压相位指令θ_r，生成系统电压指令e_r＝E_r sinθ_r；

步骤12：t₂时刻，T₁延时结束，完成电压相位和幅值同步控制；

步骤13：令T＝1，并网开关T合闸，岸电电源并网；

步骤14：令K₂＝R(t)，开启功率同步控制：

步骤15：t₃时刻，功率同步控制结束，控制时间T₂＝t₃-t₂，K₂＝0。

本发明的有益效果是：该种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，无需改变并网前后岸电电源的控制策略，即可实现电压相位、频率、幅值以及功率的平滑过渡。相对于传统相位同步控制方法，由于将船舶电网电压的锁相控制融入到了该方法中，节约了船舶电网电压锁相环，控制算法简单，占用控制资源较少；同时，采取的相位直接调节方法避免了对P-f下垂控制的影响。并且，电压幅值和相位同步控制存在于同一个同步旋转坐标系上，控制算法统一，便于实施。

附图说明

图1是传统相位同步控制方法实现相位同步控制的原理框图。

图2是本发明实施例一种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法的说明示意图。

图3是本发明实施例中岸电电源平滑并入船舶电网同步控制时序图。

图4是实施例的相位同步控制方法实现相位同步控制的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

基于岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，控制原理如图2，控制时序如图3，包含以下步骤：

(1)同步旋转坐标系(SRF)与岸电电源并网电压相位θ_o同步。

(2)通过控制船舶电网电压u_g和岸电电源并网电压u_o在SRF上q轴的电压偏差Δu_q为零来实现电压相位同步控制。

(3)通过控制u_g和u_o在SRF上d轴的电压偏差Δu_d为零来实现电压幅值同步控制。

实施例的具体控制步骤如下：

步骤1：并网前，并网开关T＝0分闸；控制开关K₁＝0分闸；控制开关K₂＝0分闸。

步骤2：通过锁相环(PLL)获取岸电电源并网电压相位θ_o。

步骤3：将三相abc坐标系中的船舶电网电压u_g通过同步旋转坐标变换C_abc-dq，获得SRF上d轴电压u_gd和q轴电压u_gq：

其中，

步骤4：将三相abc坐标系中的岸电电源电压u_o通过同步旋转坐标变换C_abc-dq，获得SRF上d轴电压u_d和q轴电压u_q：

步骤5：求取u_gq和u_q的偏差Δu_q；求取u_gd和u_d的偏差Δu_d。

步骤6：t₁时刻，接受到并网指令，令K₁＝K₂＝1，控制开关K₁、K₂合闸；同时，延时计数器T₁开始计数。

步骤7：将Δu_q送入积分控制器

积分控制器

输出补偿相位θ_c。

步骤8：将θ_c与有功-频率(P-f)下垂控制器的输出相位θ相叠加，获得系统电压相位指令θ_r。

步骤9：将Δu_d送入积分控制器

积分控制器

输出补偿电压E_c。

步骤10：将E_c与无功-电压(Q-U)下垂控制器的输出电压E相叠加，获得系统电压幅值指令E_r。

步骤11：结合E_r和θ_r，生成系统电压指令e_r＝E_r sinθ_r。

步骤12：t₂时刻，T₁延时结束，完成电压相位和幅值同步控制。

步骤13：令T＝1，开关T合闸，岸电电源并网。

步骤14：令K₂＝R(t)，开启功率同步控制：

步骤15：t₃时刻，功率同步控制结束，控制时间T₂＝t₃-t₂，K₂＝0。

该种基于岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，参照图2，详细控制原理与方案如下：

岸电电源在并入船舶电网时，必须满足岸电电源与船舶电网接口电压的幅值、频率和相位的一致性条件，才能消除并网暂态冲击，实现平滑过渡。图1中的传统相位同步控制方法存在的另一个问题是，虽然并网后有Δθ＝0，但由于ω_c≠0，造成ω和ω_r存在偏差，从而影响P-f下垂控制，造成并网后岸电电源输出功率的偏差。

当采用相位调节方法时，相位反馈控制系统为典型一阶控制系统，

为了抑制相位同步初始时刻θ_c的跃变，令相位同步控制器的比例k_θp＝0，将PI控制简化为纯积分控制。同时，由于频率积分控制器的隔离作用，θ_c只对频率积分控制器的输出相位θ产生影响，通过调节θ实现微网相位和频率的同步，并不影响频率积分控制器的输入频率ω_r，从而不对P-f下垂控制产生影响。

实施例的新型相位同步控制，参照图4，实施例方法，一方面，采用了相位调节方法，积分控制器输出相位补偿量θ_c，直接调节岸电电源并网电压相位与船舶电网同步，从而避免了传统控制方法①存在的对P-f下垂控制影响问题。另一方面，该方法通过消除SRF中q轴上u_gq和u_q的电压偏差Δu_q，实现岸电电源和船舶电网的电压相位同步。由于无需获取船舶电网相位角θ_g，省略了船舶电网电压相位的PLL。事实上，根据PLL基本原理，船舶电网电压的相位锁存功能已经融入到了本发明所提相位同步控制策略中。

实施例的相位控制方法的控制方程：

其中，θ_r为电压相位指令，θ为p-f下垂控制器输出相位，

为积分控制器，u_gq为船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的q轴电压，u_q为岸电电源电压u_o在SRF上的q轴电压。

实施例的岸电电源并网电压幅值同步控制原理参照图2。图2中，u_d为u_o的d轴分量，由于SRF与

同步，则实际控制中可用u_d等效代替U_o。实施例方法通过消除SRF中d轴上u_gd和u_d的电压偏差Δu_d，实现岸电电源和船舶电网的电压幅值同步。控制方程为：

其中，E_r为电压幅值指令，E为无功-电压Q-U下垂控制器的输出电压，

为积分控制器，u_gd为船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的d轴电压，u_d为岸电电源电压u_o在SRF上的d轴电压。

实施例的电压指令生成如下：根据上述本发明的电压同步控制方法获得的电压相位和幅值指令θ_r、E_r，可以获得岸电电源电压指令：

e_r＝E_r sinθ_r

根据指令电压e_r，采用相关的控制算法，可以实现岸电电源输出电压和功率的控制。

实施例同步控制时序分析如下：岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制时序如图3所示。参照图3，T表示并网电力开关，K₁和K₂分别表示相位同步和幅值同步控制的控制开关，0表示开关分断，1表示开关闭合。

并网前，并网开关T＝0分闸；控制开关K₁＝K₂＝0分闸。

t₁时刻，接受到并网指令。令K₁＝K₂＝1，控制开关K₁、K₂合闸，启动同步控制；同时，延时计数器T₁开始计数。

t₂时刻，延时时间T₁，完成了电压相位和幅值的同步控制。令T＝1，开关T合闸，岸电电源并网。

并网后，t₂～t₃阶段，进行并网功率同步，以消除电压幅值同步控制对Q-U下垂控制的影响，确保岸电电源并网后能够正确输出无功功率。

具体控制措施：令K₂＝0，取消电压同步控制环节，消除E_c对无功-电压下垂控制的影响。为了抑制E_r突变，K₂从1转变0的过程设置斜坡控制函数R(t)：

式中，T₂为下降时间常数，且有T₂＝t₃-t₂，对应并网功率同步时间。

t₃时刻，整个并网控制过程结束。

该种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，无需改变并网前后岸电电源的控制策略，即可实现电压相位、频率、幅值以及功率的平滑过渡。相对于传统相位同步控制方法，由于将船舶电网电压的锁相控制融入到了该方法中，节约了船舶电网电压锁相环，控制算法简单，占用控制资源较少；同时，采取的相位直接调节方法避免了对P-f下垂控制的影响。并且，电压幅值和相位同步控制存在于同一个同步旋转坐标系上，控制算法统一，便于实施。

Claims (2)

1.一种岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

同步旋转坐标系SRF与岸电电源并网电压相位θ_o同步；

通过控制船舶电网电压u_g和岸电电源并网电压u_o在SRF上q轴的电压偏差Δu_q为零来实现电压相位同步控制，电压相位同步控制的控制方程为：

其中，θ_r为电压相位指令，θ为p-f下垂控制器输出相位，

为积分控制器，u_gq为船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的q轴电压，u_q为岸电电源电压u_o在SRF上的q轴电压；

通过控制u_g和u_o在SRF上d轴的电压偏差Δu_d为零来实现电压幅值同步控制，电压幅值同步控制的控制方程为：

其中，E_r为电压幅值指令，E为无功-电压Q-U下垂控制器的输出电压，

为积分控制器，u_gd为船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的d轴电压，u_d为岸电电源电压u_o在SRF上的d轴电压；

具体控制步骤如下：

步骤1：并网前，并网开关T＝0分闸；控制开关K₁＝0分闸；控制开关K₂＝0分闸；

步骤2：通过锁相环PLL获取岸电电源并网电压相位θ_o；

步骤3：将三相abc坐标系中的船舶电网电压u_g通过同步旋转坐标变换C_abc-dq，获得SRF上d轴电压u_gd和q轴电压u_gq：

其中，

步骤4：将三相abc坐标系中的岸电电源电压u_o通过同步旋转坐标变换C_abc-dq，获得SRF上d轴电压u_d和q轴电压u_q：

步骤5：求取船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的q轴电压u_gq和岸电电源电压u_o在SRF上的q轴电压u_q的偏差Δu_q；求取船舶电网电压u_g在同步旋转坐标系SRF上的d轴电压u_gd和岸电电源电压u_o在SRF上的d轴电压u_d的偏差Δu_d；

步骤6：t₁时刻，接受到并网指令，令K₁＝K₂＝1，控制开关K₁、K₂合闸；同时，延时计数器T₁开始计数；

步骤7：将Δu_q送入积分控制器

积分控制器

输出补偿相位θ_c；

步骤8：将θ_c与有功-频率P-f下垂控制器的输出相位θ相叠加，获得系统电压相位指令θ_r；

步骤9：将Δu_d送入积分控制器

积分控制器

输出补偿电压E_c；

步骤10：将补偿电压E_c与无功-电压Q-U下垂控制器的输出电压E相叠加，获得系统电压幅值指令E_r；

步骤11：结合系统电压幅值指令E_r和系统电压相位指令θ_r，生成系统电压指令e_r＝E_rsinθ_r；

步骤12：t₂时刻，T₁延时结束，完成电压相位和幅值同步控制；

步骤13：令T＝1，并网开关T合闸，岸电电源并网；

步骤14：令K₂＝R(t)，开启功率同步控制：

步骤15：t₃时刻，功率同步控制结束，控制时间T₂＝t₃-t₂，K₂＝0。

2.如权利要求1所述的岸电电源平滑并入船舶电网的同步控制方法，其特征在于，由获得的电压相位指令θ_r和幅值指令E_r，获得岸电电源电压指令：

e_r＝E_rsinθ_r。

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