CN109301843B - 基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统，包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值P_ref和Q_ref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U^*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能。本发明能够平抑电源切换与船舶负荷波动对岸电电源的冲击，且可调度性良好，使岸电电源成为适应能力强的电网友好型电源，具有广泛的应用前景。

Description

基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统

技术领域

本发明涉及的是一种电网智能控制领域的技术，具体是一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统。

背景技术

现今国外船舶电网频率大多为60Hz而我国港口电网频率为50Hz，因此需要研究适合我国电制的岸电变频技术，将我国港口电网交流电变换成适合于外国船舶60Hz交流电，同时实现50Hz/60Hz双频供电。采用传统逆变控制方式的变频岸电电源，因其输出特性和调节操作与传统柴油发电机组的差异，并入船舶电网时将带来冲击。因此，为使电力电子逆变式岸电电源在功能上模拟发电机外特性，降低岸电电源并入船舶电网时对船舶电网的冲击，同时有效实现负荷的转移，逆变环节控制策略一般采用下垂控制策略。下垂控制虽然在离网运行时能取得良好的效果，但当船舶负载并网至岸电电源时，则可能会对岸电电源系统，尤其是对变频器产生不良冲击；此外，船舶上的电机负载、大型泵组在启停时，会对船舶电网造成冲击，由于下垂控制的岸电电源惯性较小，该类负荷突变容易引起电网振荡。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统，通过虚拟惯量常数的引入，使得岸电电源具有与柴油发电机相似的电气和机械外特性，即电源输出拥有较大惯性，在电网波动时仍能输出较为稳定的电压及频率，以达到更好的供电效果。该方法解决固定、高惯量常数带来的响应迟缓、动态响应性能差等问题，根据频率偏差幅度协调平衡稳定性与动态特性间的矛盾。考虑到无功调节特性，控制加入延时模块以更好模拟实际同步发电机电压变化过程。在此控制策略下的岸电电源能够平抑电源切换与船舶负荷波动对岸电电源的冲击，且可调度性良好，使岸电电源成为适应能力强的电网友好型电源，具有广泛的应用前景。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值P_ref和Q_ref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U^*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能。

所述的VSG控制层包括有功-频率模块、无功-电压控制模块和三相发生器模块以实现对电压、功率、频率的控制。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过层间划分可以使控制更加高效。虚拟同步发电机控制算法层中采用虚拟的惯量常数来模拟同步发电机中的转动惯量，控制转子运动所存储的动能，增加岸电电源惯量的调节尺度。该控制方法为岸电电源带来高惯性，使得虚拟同步发电机输出不会有较大的突变，在电网波动时仍能输出较为稳定的电压及频率，具备良好的控制效果。该控制方法能够缩短岸电电源在遭遇冲击后的震荡时间，降低震荡幅度，平抑扰动对岸电电源逆变器的冲击，使得岸电电源得以稳定输出，成为适应能力强的电网友好型电源。

附图说明

图1为岸电电源变频系统模型示意图；

图2为岸电电源变频器电路原理图；

图3为基于VSG的岸电电源三层控制拓扑结构示意图；

图4有功-频率控制示意图；

图5为无功-电压控制模块控制示意图；

图6为dq0坐标系中电压电流环控制器结构示意图；

图7为系统根轨迹图；

图8为自适应虚拟惯量常数H与岸电电源输出角频率ω关系曲线示意图；

图9为自适应惯性控制与固定惯性控制下岸电电源有功功率响应曲线示意图；

图10为自适应惯性控制与固定惯性控制下岸电电源无功功率响应曲线示意图；

图11为自适应惯性控制与固定惯性控制下岸电电源频率响应曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示，为岸电电源变频系统模型示意图，包括变频器和输出侧隔离变压器，该系统能适应靠港船舶的用电需求，提供岸电电源的正常接入服务。每个泊位分别由一套变压变频装置提供岸电电源。

本实施例中，岸电电源变频器采用多个独立的H桥功率单元串联实现高压输出，包括移相变压器和功率单元，其中：功率单元包括整流单元和逆变单元。

如图2所示，以24脉波变频器为例，移相变压器采用多重化设计，将网侧的高压变换成二次侧的多组低电压，二次侧绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间形成固定相位差，产生多脉冲整流方式，使得变压器二次侧各绕组(功率单元的输入)的谐波电流相互抵消，不反映到高压侧，从而有效改善电网的电流波形，基本上消除变频器对电网的谐波污染。变压器各二次绕组相互独立，并单独为一个功率单元供电，所以每个功率单元的主回路相对独立，并且工作在低电压状态。各功率单元之间的相对电压，由变压器二次绕组的绝缘承担，功率单元之间不存在串联均压问题。三相有多个功率单元，变频器的总输出电压由各功率单元的输出电压串联叠加而得到，虽然每个单元输出的都是等幅PWM电压波形，但各单元输出相互之间有确定的相位偏移，串联叠加以后，在变频器输出侧得到的是正弦阶梯状PWM波形。

如图3所示，为本实施例涉及的一种基于虚拟同步发电机(virtual synchronousgenerator，VSG)技术的船舶岸电电源控制系统，其采用三相电压源型逆变器，其中：A点为岸电电源并网点，该系统包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值P_ref和Q_ref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U^*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能。

图3中的逆变电路为三相全桥逆变，PWM信号在驱动电路的驱动下控制逆变桥中开关管的通断，输出电压经过LC滤波电路后经过线路连入陆地电网交流母线，L_f和C分别是滤波器电感、电容，Z_L为线路阻抗。

所述的VSG控制层选取等效的同步发电机模型，即发电机转子机械方程为

其中：P_m为输入的机械功率，P_out为并网连接点VSG的实际输出机械功率，H为虚拟惯量常数。

所述的VSG控制层包括有功-频率模块、无功-电压控制模块和三相发生器模块以实现对电压、功率、频率的控制，其中：

所述的有功-频率模块在岸电电源运行时，外接陆地大电网能提供频率支撑，其频率ω_grid被钳位，依靠阻尼项k(ω-ω_grid)控制电源频率，采用有功-频率下垂控制，模拟电力系统一次调频功能，具体为：

其中：D为有功下垂系数，P_ref和ω_ref为输出侧参考有功功率以及角频率，其满足下垂控制关系：

P为VSG控制下逆变器端口输出的有功功率，P_m为输入的机械功率，k为阻尼系数，H为优化后的VSG的虚拟惯量常数，岸电电源转子机械方程满足

如图5所示，所述的无功-电压控制模块通过内置的PI控制器以比例积分PI进行具有一阶延迟的精确无功功率优化控制，该PI控制器下无功功率的响应速度会较快，而同步发电机在实际运行时，无功功率缓慢变化，避免可能产生的剧烈波动，经一定时间后系统可过渡至新的稳定点。由于优化控制策略中加入一阶延迟部分，优化无功功率的调节过程，降低冲击的影响，具体为：当电压控制的目标依赖于岸电电源的工作状态，运行时电压指令为E₁＝E_set-D_QQ，其中：Q为VSG控制下岸电电源端口输出的无功功率，D_Q为无功下垂因子，而E_set为虚拟同步机机端电压参考值；当船舶负载接入变化时，电压指令需增加E₂以反映无功功率误差调节，

其中：Q_ref为输出无功功率参考值。

所述的电压电流控制层通过内置的内环控制器以补偿LC滤波器带来的逆变器输出电压减小、降低三相不对称负荷变化对输出电压的不对称影响，使得逆变器输出端口电压趋于稳定的参考值以及响应有功-频率层和无功-电压控制模块的参考值以精确模拟同步发电机特性，具体为：内环控制器的岸电电源直流电容的方程为

其中：U_o为电容端电压，也是逆变器输出电压，I_C、I分别为滤波电容、电感电流，I_o为输出电流；如图6所示，当三相平衡时，旋转dq0坐标系中控制变量由正弦量变为直流量，由三相电量参数降为d、q轴两组变量，从而使得系统静态误差和变量数减少，更加便于控制。

同步发电机的转动惯量与转子运动所储存的动能相关，体现同步发电机旋转特性。正是由于这种高惯性，同步发电机输出不会有较大的突变，在电网波动时仍能输出较为稳定的电压及频率。而在虚拟同步发电机算法中，由于VSG的虚拟惯量常数H为虚拟量，增加调节尺度，其值可以取到比实际中同步发电机更小或更大，以达到更好的控制效果。

所述的VSG的虚拟惯量常数H，通过自适应惯性控制策略实现优化，具体为：

①根据岸电电源转子机械方程

建立以陆地电网母线角频率波动为输入，频率波动为输出的系统传递函数：

其中：

δ_s和E_s是功率为P_ref和Q_ref时岸电电源的输出电压参量，该系统传递函数的的特征根为

增益为

如图7所示，为虚拟惯量常数H从0.002不断减小时系统根轨迹图，如图可见，当虚拟惯量常数H过高会造成系统的特征根绝对值减小，截止频率减小，系统稳定裕度降低。另外，已有仿真结果也显示，虚拟惯量常数H过高会造成系统响应迟缓，某些时刻动态波动加剧，不利于系统的正常运行。

②虚拟惯量常数H与岸电电源输出频率ω满足

其中：k_a为自适应控制系数，H与ω关系曲线如图8所示。

如图8所示，深色区域为暂态响应迟钝区，此区域包括稳定运行点S，此点附近斜率较小，惯量常数随频率波动变化极小。整个迟钝区控制参数基本维持不变。当频率偏移达到1/k_a时，虚拟惯量常数减小为最大值的一半。当角频率继续偏移则进入灵敏区，故1/k_a成为两个区域的分界处，k_a可以用于调节迟钝区和灵敏区的相对大小。

③当系统稳定运行点S处，即ω＝ω_ref时，由于虚拟惯量配置的大小受储能的约束，由于储能与系统动能相等，即

其中：C_DC是直流电压源侧的储能电容；U_DC是直流电压源的电压值，ω为系统运行角频率，得到

系统稳定运行时，有功-频率模块在S点附近运行，因为此时虚拟惯量常数较大，故频率波动变化较为缓慢，输出量运行曲线较为平滑。而当系统受到外界大扰动时，频率偏移区域将越过虚线部分进入灵敏区，此区域斜率较大，虚拟惯量常数将随着频率偏移的增加而不断减小，系统特征根绝对值增加，动态稳定性不断增强。这时虚拟转子角速度将较迅速的变化以应对外界扰动，避免输出突变，有效减小输出量的超调。而当频率偏移过大时，曲线将越发靠近渐近线，虚拟惯量常数接近零，但始终大于零，使得系统的稳定性不受到破坏。

虚拟惯量常数H对系统的影响并不是单调的。一方面，惯量常数的增加可以有效平抑扰动，使外界因素对系统造成的偏移超调量下降；另一方面，惯量常数的降低又使得系统的响应速度加快，能更迅速的应对外界扰动，同时提高系统的稳定裕度。因此，根据实际工况进行惯量常数的自适应控制是十分必要的。

本实施例在PSCAD/EMTDC软件中搭建基于虚拟同步发电机技术的岸电电源模型。仿真中，岸电电源整流侧等效为1.6kV恒压源，储能电容150μF，滤波电感1mH，电容400μF。岸电电源出口电压等级为380V。自适应惯性控制中k₁＝0.02，k₂＝0.04，α＝0.05，β＝0.015。

为验证本方法效果，将自适应惯性控制方案与固定惯性控制方案进行对比仿真。仿真设定船舶接入岸电运行0s时岸电系统功率突增，岸电电源输出有功从由0增加至0.3MW，无功从0增加至0.1MVar。5s后船舶负荷突增，负荷有功从由0.3MW增加至1.2MW，无功从0.1MVar增加至0.4MVar，但岸电电源输出指令不变，始终为有功0.3MW，无功0.1MVar。

固定惯性控制下，当阻尼系数较小时，岸电电源有功输出响应较快，但波动较大，输出有功几次超调后最终趋于稳定，在参考值附近运行；当阻尼系数较大时，输出有功几次超调后显著减低，但岸电电源输出响应较慢，稳定时间较长。

而采用自适应惯性控制后，输出有功小于有功设定值时，阻尼控制系数k较小，系统响应速度较快，而当有功功率大于有功设定值时，阻尼控制系数k较大，系统超调降低。采用自适应惯性控制后，系统输出有功动态特性明显增强，又由于有功输出更加稳定准确，无功和频率特性对比于固定惯性控制也有所增强。

综上，采用自适应惯性控制的岸电电源输出特性更为优良，能够更好的应对系统出现的干扰，保持稳定的输出，具有更强的动态特性。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (1)

1.一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统，包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值P_ref和Q_ref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U^*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能；

所述的VSG控制层包括有功-频率模块、无功-电压控制模块和三相发生器模块以实现对电压、功率、频率的控制；

所述的有功-频率模块在岸电电源运行时，外接陆地大电网能提供频率支撑，其频率ω_grid被钳位，依靠阻尼项k(ω-ω_grid)控制电源频率，采用有功-频率下垂控制，模拟电力系统一次调频功能；

所述的模拟，具体为：

其中：D为有功下垂系数，P_ref和ω_ref为输出侧参考有功功率以及角频率，其满足下垂控制关系：

P为VSG控制下逆变器端口输出的有功功率，P_m为输入的机械功率，k为阻尼系数，H为优化后的VSG的虚拟惯量常数，岸电电源转子机械方程满足

所述的无功-电压控制模块通过内置的PI控制器以比例积分PI进行具有一阶延迟的精确无功功率优化控制，具体为：当电压控制的目标依赖于岸电电源的工作状态，运行时电压指令为E₁＝E_set-D_QQ，其中：Q为VSG控制下岸电电源端口输出的无功功率，D_Q为无功下垂因子，而E_set为虚拟同步机机端电压参考值；当船舶负载接入变化时，电压指令需增加E₂以反映无功功率误差调节，

其中：Q_ref为输出无功功率参考值；

所述的电压电流控制层通过内置的内环控制器以补偿LC滤波器带来的逆变器输出电压减小、降低三相不对称负荷变化对输出电压的不对称影响，使得逆变器输出端口电压趋于稳定的参考值以及响应有功-频率层和无功-电压控制模块的参考值以精确模拟同步发电机特性；

所述的内环控制是指：内环控制器的岸电电源直流电容的方程为

其中：U_o为电容端电压，也是逆变器输出电压，I_C、I_L分别为滤波电容电流与滤波电感电流，I_o为输出电流；当三相平衡时，旋转dq0坐标系中控制变量由正弦量变为直流量，由三相电量参数降为d、q轴两组变量，从而使得系统静态误差和变量数减少，更加便于控制；

所述的VSG的虚拟惯量常数H，通过自适应惯性控制策略实现优化，具体为：

①根据岸电电源转子机械方程

建立以陆地电网母线角频率波动为输入，频率波动为输出的系统传递函数：

其中：

δ_s和E_s是功率为P_ref和Q_ref时岸电电源的输出电压参量，该系统传递函数的特征根为

增益为

②虚拟惯量常数H与岸电电源输出频率ω满足

其中：k_a为自适应控制系数；

③当系统稳定运行点，即ω＝ω_ref时，由于虚拟惯量配置的大小受储能的约束，由于储能与系统动能相等，即

其中：C_DC是直流电压源侧的储能电容；U_DC是直流电压源的电压值，ω为系统运行角频率，得到

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