CN109921429A - 船舶敏压负载稳压装置控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了船舶敏压负载稳压装置控制方法，包括无功补偿和有功补偿，包括以下步骤：利用传统的SSRF‑PLL检测电网三相电压相位角θS；实时采集系统三相电流Iabc，并转换成dq坐标系下的电流Id和Iq；实时采集变压器输出侧三相电压UT‑abc，并转换成dq坐标系下的变压器输出侧电压UTd和UTq；实时采集负载端三相电压UL‑abc，转换成dq坐标轴下的电压值ULd和ULq，实时计算负载端电压幅值ULf；基于所得数据控制调制波的生成，从而生成适当幅值和相位的电压串联至系统中，保证负载端电压恢复至额定值。本发明实现了一种通过输入有功加无功的方式，使敏压负载端电压在船舶电网波动下短时间恢复至额定值的控制方法。
Description
技术领域
本发明属于船舶电压敏感型负载(敏压负载)电压控制技术领域，具体涉及船舶敏压负载稳压装置控制方法。
背景技术
海上货物运输船舶需要船舶电力系统提供电力供应，以便维持机舱、通信、导航、船员日常生活等系统的正常运行。一旦船舶电网出现较大扰动，通讯导航设备、计算机设备等敏压负载端电压也会波动，若没有稳压设备，其端电压会持续产生波动，从而导致敏压设备失稳甚至失效。这不仅会导致船舶失稳失联，甚至会危及船舶及船员生命安全。因此，维持船舶电力系统以及敏压负载的电压稳定对船舶及人身安全具有十分重要的意义。
当前，船舶上使用的稳压设备多为不间断电源装置(Uninterruptible PowerSystem,UPS)，其技术途径基本上有两种：一是选取合适的陆用UPS装置整机，并对其进行加固和船用化处理；二是根据船用标准选用船用元器件重新设计和制造。虽然针对UPS很多专家学者对其进行不断地研究，并提出很多改进方案，但对于UPS本身来讲，由于其背靠背结构选用器件相对较多，导致高容量情况下造价相对较高，所以目前还是仅适用于小容量设备中。
相较于UPS，动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer，DVR)具有响应速度快，成本相对较低，维护保养方便等优势。其在陆地上已经有广泛应用，常用控制策略有三种：跌落前电压补偿控制法、同相电压补偿控制法、最小能量补偿控制法。同相电压补偿策略：要求跌落后的电网电压和补偿电压的相位相同，在此情况下将跌落后的电网电压幅值补偿至负荷侧所需要的稳定电压。该方法只能进行幅值的补偿，不能补偿相角变化。跌落前电压补偿策略：即完全电压补偿策略，是指补偿后的电网电压可完全恢复至电压跌落前的值，幅值和相位都没有变化。与同相电压补偿策略一样，在电压跌落时间较长时，负荷侧电压将得不到很好的补偿。并且通常负荷电压幅值可在90％-110％额定电压之间波动以及有一定的相位扰动的能力，没有必要将负荷电压完全补偿至额定值，因而其经济性较差，实际中很少采用。最小能量补偿策略：它通过使电网提供的有功功率最大化来实现DVR注入的有功功率最小化。通过减少DVR的有功注入，从而在一定直流侧储能容量下，使DVR可以补偿较长时间的电压跌落。
发明内容
本发明的目的在于从简从发，提供船舶敏压负载稳压装置控制方法——包括无功补偿和有功补偿，仅通过对负载端三相电压幅值、变压器输出侧的电压及系统电流进行检测与调节，即可在电网电压波动情况下快速恢复负载端电压。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
船舶敏压负载稳压装置控制方法，包括以下步骤：
1)相位检测模块利用传统的单同步坐标系软件锁相环(Single SynchronousReference Frame Software Phase Locked Loop，SSRF-PLL)检测电网三相电压相位角θS，用作所有dq与abc坐标之间的转换；
2)系统电流检测模块实时采集系统三相电流Iabc，并通过abc至dq坐标转换模块转换成dq坐标系下的电流Id和Iq；
3)变压器输出侧电压检测模块实时采集变压器输出侧三相电压UT-abc，并通过abc至dq坐标转换模块转换成dq坐标系下的变压器输出侧电压UTd和UTq；
4)电压幅值检测模块实时采集负载端三相电压UL-abc，通过abc至dq坐标转换将其转换成dq坐标轴下的电压值ULd和ULq，通过公式实时计算出负载端电压幅值ULf；
5)补偿控制模块基于步骤2)-步骤4)所得数据控制调制波的生成，从而生成适当幅值和相位的电压串联至系统中，保证负载端电压恢复至额定值。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的步骤5)中，调制波包括有功指令值Ud和无功指令值Uq。
上述的步骤5)中，补偿控制模块包括无功补偿控制模块和有功补偿控制模块。
上述的无功补偿控制模块生成的有功指令值Ud的计算方法为：把变压器输出侧电压d轴分量UdT与指令值-UqTIq/Id进行比较，UqT为变压器输出侧电压q轴分量，Id为系统电流d轴分量，Iq为系统电流q轴分量，将比较差值做PI调节后再作为调制波有功指令值Ud。
上述的无功补偿控制模块生成的无功指令值Uq的计算方法为：把负载电压幅值ULf与给定值的差经过PI调节后再与Iq做差，其差值再经PI调节从而得到无功指令值Uq。
上述的有功补偿控制模块生成的有功指令值Ud的计算方法为：把负载电压幅值ULf与给定值的差经过PI调节后再与UTd做差，再经过PI调节，其结果作为调制波有功指令值Ud。
上述的有功补偿控制模块生成的无功指令值Uq的计算方法为：将0与Iq做差，从而保证系统中的无功部分得到全部补偿，再经过PI调节，其结果作为调制波无功指令值Uq。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明实现了一种通过输入有功加无功的方式，使敏压负载端电压在船舶电网波动下短时间恢复至额定值的控制方法；
(2)与船用UPS相比，减少了使用元器件数量，节省成本。而且相比于船用UPS一般仅作为失电时的短时间电源供应作用，此方法不仅可做应急电源，还可实现在船舶运行期间电压波动情况下的稳压作用，应用手段增加；
(3)与陆地上DVR的控制策略以及级联多电平逆变器结构相比，本发明控制思路简单，利用元器件少，并且在容量一定的范围内，仅通过输入无功功率就可以实现敏压负载端电压在电网波动情况下恢复至额定值的效果，经济性好。
(4)有功补偿策略实现了在无功补偿策略补偿能力不够条件下的敏压负载端电压稳压。
附图说明
图1为本发明的船舶敏压负载稳压装置结构图；
图2为本发明的无功补偿过程系统各参数向量图；
图3为本发明的无功补偿极限范围系统各参数向量图；
图4为本发明的有功补偿过程系统各参数向量图；
图5为本发明的系统控制框图；
图6为本发明的相位检测模块；
图7为本发明的系统电流检测模块；
图8为本发明的变压器输出侧电压检测模块；
图9为本发明的电压幅值检测模块；
图10为本发明的补偿控制模块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的船舶敏压负载稳压装置控制方法的实施，首先需要对DVR进行船用化改造，由于大部分船舶电网线制为中性点不接地的三相三线制，且蓄电池在船舶应用十分广泛，技术相对成熟。如图1虚线框内所示，具体改造为：储能单元采用蓄电池结构，逆变器选用三相全桥结构，滤波器采用RLC结构，耦合单元采用变压器。逆变器的三相全桥结构相对于陆地上多采用的级联多电平逆变器结构使用器件少，极大的节省成本。
本发明的补偿原理为：
以电压跌落为例，无功补偿策略补偿过程如图2(a)至(b)所示，定义UP为正常情况下电网公共端电压，并规定电网电压方向为d轴方向；U′P为公共端电压降落后电压值；UL为电压跌落前敏压负载端电压；U′L为调节后敏压负载端电压；Udvrq为稳压器输出电压无功分量；I为补偿前线路中的电流；Id为补偿前电流在d轴上的分量；Iq为补偿前电流在q轴上的分量；I′为补偿后线路中的电流；I′d为补偿后电流在d轴上的分量；I′q为补偿后电流在q轴上的分量；为负载阻抗角。
正常情况下(补偿前)系统电流I为
式中，RL为负载电阻值，XL为负载感抗值。此时负载电压UL与公共端电压UP一致，即
当电网电压跌落至U′P时，系统电流变为
此时负载电压变为
从上式中可以看出，在电网电压跌落时，可以通过增加电流，即减少阻抗值的方式使负载电压恢复至额定值。此时稳压装置相当于电容串入系统中抵消负载的感抗值，系统电流变为
此时，负载端电压变为
由此可以看出，负载端电压随着电流增大而逐渐增加，直至恢复至额定值。
参见图5，本发明的船舶敏压负载稳压装置控制方法，包括以下步骤：
船舶敏压负载稳压装置控制方法，包括以下步骤：
1)相位检测模块利用传统的单同步坐标系软件锁相环(Single SynchronousReference Frame Software Phase Locked Loop，SSRF-PLL)检测电网三相电压相位角θS，用作所有dq与abc坐标之间的转换；
2)系统电流检测模块实时采集系统三相电流Iabc，并通过abc至dq坐标转换模块转换成dq坐标系下的电流Id和Iq；
3)变压器输出侧电压检测模块实时采集变压器输出侧三相电压UT-abc，并通过abc至dq坐标转换模块转换成dq坐标系下的变压器输出侧电压UTd和UTq；
4)电压幅值检测模块实时采集负载端三相电压UL-abc，通过abc至dq坐标转换将其转换成dq坐标轴下的电压值ULd和ULq，通过公式实时计算出负载端电压幅值ULf；
5)补偿控制模块基于步骤2)-步骤4)所得数据控制调制波的生成，从而生成适当幅值和相位的电压串联至系统中，保证负载端电压恢复至额定值。
本发明的相位检测模块、电流检测模块、变压器输出侧电压检测模块、电压幅值检测模块和补偿控制模块分别如图6-10所示。
实施例中，调制波包括有功指令值Ud和无功指令值Uq；补偿控制模块包括无功补偿控制模块和有功补偿控制模块。
无功补偿控制模块生成的有功指令值Ud的计算方法为：把变压器输出侧电压d轴分量UdT与指令值-UqTIq/Id进行比较，UqT为变压器输出侧电压q轴分量，Id为系统电流d轴分量，Iq为系统电流q轴分量，将比较差值做PI调节后再作为调制波有功指令值Ud。
这里与-UqTIq/Id进行比较原因如下：
根据瞬时功率理论可以推出，变压器输出侧有功功率为：
P＝UaIa+UbIb+UcIc
式中，Ua、Ub、Uc分别是变压器输出侧电压abc坐标系下的电压值，Ia、Ib、Ic分别为电流在abc坐标系下的电压值。
通过等量坐标变换可以推导出
P＝3/2(UdTId+UqTIq)
为了让变压器端无有功功率交换，即P＝0，此时便相当于令udId+uqIq＝0,推导可得
UdT＝-UqTIq/Id
因此，可利用UdT与-UqTIq/Id比较得到调制波的有功指令值Ud，从而实现稳压装置与系统无有功功率交换。
无功补偿控制模块生成的无功指令值Uq的计算方法为：把负载电压幅值ULf与给定值的差经过PI调节后再与Iq做差，其差值再经PI调节从而得到无功指令值Uq。通过补偿无功分量，将负载端电压维持在规定范围内。
有功补偿控制模块生成的有功指令值Ud的计算方法为：把负载电压幅值ULf与给定值的差经过PI调节后再与UTd做差，再经过PI调节，其结果作为调制波有功指令值Ud。
有功补偿控制模块生成的无功指令值Uq的计算方法为：将0与Iq做差，从而保证系统中的无功部分得到全部补偿，再经过PI调节，其结果作为调制波无功指令值Uq。
最终，有功指令值Ud和无功指令值Uq通过dq至abc坐标轴的转换，转换成三相调制波，输入到逆变器中使其生成所需相位和幅值的电压，从而将负载端电压恢复至额定值。
本发明无功补偿的补偿范围如下：
图3为本发明无功补偿的补偿极限向量图，弧CD为负载端额定电压移动轨迹，为负载端额定电压；UP1为无功补偿极限条件下公共端电压值；UL1为无功补偿极限条件下补偿后负载端电压值；Uvsq1为无功补偿极限条件下稳压器输出无功部分的电压值，I1为无功补偿极限条件下补偿后电流值.
根据式可以得出，在无功补偿模式下，系统电流值存在一个最大值，即充当电容的稳压器电容值与负载电感值相等，即XL＝XC，如图4所示情况，此时系统的无功部分全部补偿完毕，整个系统相当于只有电阻，电流与公共端电压同方向。如果此时继续纯无功补偿，系统电流根据式可以看出会再次减小，无法实现电压补偿。由此可以推出，无功补偿策略下，系统公共端电压补偿下限为
由于正常工况下公共端电压即负载额定电压，所以，当公共端电压增大时，若想将负载端电压减小至额定值，稳压器注定要注入一定的有功分量才能将负载端电压拉回至额定值。因此，无功补偿策略下，系统公共端电压补偿上限为负载额定电压
综上所述，无功补偿策略下，系统公共端电压补偿范围为
本发明有功补偿的补偿范围如下：
根据式可以看出，当公共端电压低至无功补偿策略补偿范围之外，此时若想使负载电压恢复至额定值，除了输入一定的无功功率抵消负载处的电感值外，还必须让稳压器输入一定的有功功率，此时的稳压器还要相当于一个阻值为-R的电阻串联在电路中，从而继续使电流增大，此时系统电流变为：
此时，负载端电压变化为
从而实现对负载端电压的补偿，使负载电压达到规定的电压值。整个补偿过程如图4所示。
本发明的船舶敏压负载稳压装置控制方法，包括无功补偿和有功补偿。前者在敏压负载端电压发生波动情况下，通过仅向系统提供无功的方式实现负载端电压稳压；后者则是在电网电压跌落幅度过大，超过无功补偿策略的补偿能力情况下时，通过向系统提供无功加有功的方式，实现负载端电压稳压。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.船舶敏压负载稳压装置控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)相位检测模块利用传统的SSRF-PLL检测电网三相电压相位角θS，用作所有dq与abc坐标之间的转换；
2)系统电流检测模块实时采集系统三相电流Iabc，并通过abc至dq坐标转换模块转换成dq坐标系下的电流Id和Iq；
3)变压器输出侧电压检测模块实时采集变压器输出侧三相电压UT-abc，并通过abc至dq坐标转换模块转换成dq坐标系下的变压器输出侧电压UTd和UTq；
4)电压幅值检测模块实时采集负载端三相电压UL-abc，通过abc至dq坐标转换将其转换成dq坐标轴下的电压值ULd和ULq，通过公式实时计算出负载端电压幅值ULf；
5)补偿控制模块基于步骤2)-步骤4)所得数据控制调制波的生成，从而生成适当幅值和相位的电压串联至系统中，保证负载端电压恢复至额定值。
2.根据权利要求1所述的船舶敏压负载稳压装置控制方法，其特征在于：步骤5)所述调制波包括有功指令值Ud和无功指令值Uq。
3.根据权利要求2所述的船舶敏压负载稳压装置控制方法，其特征在于：步骤5)所述补偿控制模块包括无功补偿控制模块和有功补偿控制模块。
4.根据权利要求3所述的船舶敏压负载稳压装置控制方法，其特征在于：所述无功补偿控制模块生成的有功指令值Ud的计算方法为：把调制波的有功部分是把变压器输出侧电压d轴分量UdT与指令值-UqTIq/Id进行比较，UqT为变压器输出侧电压q轴分量，Id为系统电流d轴分量，Iq为系统电流q轴分量，将比较差值做PI调节后再作为调制波有功指令值Ud。
5.根据权利要求3所述的船舶敏压负载稳压装置控制方法，其特征在于：所述无功补偿控制模块生成的无功指令值Uq的计算方法为：把负载电压幅值ULf与给定值的差经过PI调节后再与Iq做差，其差值再经PI调节从而得到无功指令值Uq。
6.根据权利要求3所述的船舶敏压负载稳压装置控制方法，其特征在于：所述有功补偿控制模块生成的有功指令值Ud的计算方法为：把负载电压幅值ULf与给定值的差经过PI调节后再与UTd做差，再经过PI调节，其结果作为调制波有功部分指令值Ud。
7.根据权利要求3所述的船舶敏压负载稳压装置控制方法，其特征在于：所述有功补偿控制模块生成的无功指令值Uq的计算方法为：将0与Iq做差，从而保证系统中的无功部分得到全部补偿，再经过PI调节，其结果作为调制波无功部分指令值Uq。
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