CN110932271B - 一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统，它涉及港口供电技术领域。它的岸电主电源组件，包括电网电源、主电源侧开关柜、主电源变频变压装置、主电源船岸连接处开关柜、主控制器；岸电从电源组件，包括两组从电源、从电源开关柜、从电源变频变压装置、从电源船岸连接处开关柜、从电源从控制器；船舶电力组件，包括船舶的柴油发电机、船舶负载、船舶电力母线、船舶配电单元及船侧开关柜、船舶SCADA系统；岸电主电源组件、岸电从电源组件通过岸电总线输出电能至靠港船舶。本发明的优点在于：可自动适应不同船舶、不同工况的负载，具有可逐级增容的效果，节省码头作业空间，提升岸电系统对不同负载船舶的适应能力。

Description

一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统

技术领域

本发明涉及港口供电技术领域，具体涉及一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统。

背景技术

随着海运行业的大力发展，国际海事组织在船舶排放方面的要求越来越高，岸电技术以其污染小、无噪声、成本低的特点成为了建立绿色港口的关键技术之一。在传统的岸电应用中，通常采用多种岸电系统适应不同功率的船舶，然而船舶功率具有可变性和不确定性，即使是同一船舶在不同工况下总功率依然有很大的不同。在电力负载计算书中记录，某出口船在准备进港、离港状态下总负载297.53kW，在使用冷藏集装箱状况下总负载504.23kW，靠港作业情况下负载181.17kW，船舶停泊状态下负载151.84kW。国内岸电系统，对于不同负载的船舶一般采用不同的岸电装置，分开运行且占用较大的港口空间。

目前，低压船舶岸电系统，包含容量200、400、630、800、1000、1600kVA，在港口作业空间有限的条件下，需提供一种可以自适应多种不同容量、工况的岸电系统。基于对等控制的船舶岸电可增容系统，在多变频器并联时存在扰动并且在负载变换时刻易产生有功、无功功率不平衡等问题，提出一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统，能够解决现有技术中存在的对于不同负载容量的船舶一般采用不同的岸电装置、岸电装置应用单一、适用船舶范围较小、空间占比较大并且成本较高、基于对等控制的可增容岸电系统存在并联扰动和功率不平衡等问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：包括岸电主电源组件，所述岸电主电源组件包括电网电源、主电源侧开关柜、主电源变频变压装置、主电源船岸连接处开关柜、主控制器，其中，主电源侧开关柜与电网电源、主电源变压变频装置相连，所述主电源变频变压装置包括变压柜、隔离变压柜以及采用下垂控制的变频柜，主电源变频变压装置、主电源船岸连接处开关柜、主电源电压电流检测装置依次相连，主控制器分别与主电源变频变压装置、主电源电压电流检测装置、船舶SCADA系统连接，检测主电源输出功率以及岸电系统输出总功率；

岸电从电源组件，所述岸电从电源组件包括第一从电源、第一从电源开关柜、第一从电源变频变压装置、第一从电源船岸连接处开关柜、第一从电源从控制器、第二从电源、第二从电源开关柜、第二从电源变频变压装置、第二从电源船岸连接处开关柜、第二从电源从控制器；其中，第一从电源开关柜分别与第一从电源、第一从电源变频变压装置相连，第一从电源变频变压装置、第一从电源船岸连接处开关柜、第一从电源电压电流检测装置依次相连，第一从控制器分别与第一从电源变频变压装置、第一从电源电压电流检测装置连接，第一从控制器接收主控制器控制信号调整目标输出功率，检测第一从电源输出电压、电流并进行控制；第二从电源开关柜分别与第二从电源、第二从电源变频变压装置相连，第二从电源变频变压装置、第二从电源船岸连接处开关柜、第二从电源电压电流检测装置依次相连，第二从控制器分别与第二从电源变频变压装置、第二从电源电压电流检测装置连接，第二从控制器接收主控制器控制信号调整目标输出功率，检测第二从电源输出电压、电流并进行控制；

船舶电力组件，所述船舶电力组件包括船舶的柴油发电机、船舶负载、船舶电力母线、船舶配电单元及船侧开关柜、船舶SCADA系统，所述柴油发电机与船舶负载连接，船舶负载、船侧开关柜、主电源电压电流检测装置依次相连，柴油发电机、船舶配电单元及主电源变压变频装置通过船舶电力母线连接；

所述岸电主电源组件、岸电从电源组件通过岸电总线输出电能至靠港船舶。

进一步的，所述第一从电源从控制器6从主控制器3获得期望输出功率，基于PQ控制对第一从电源变频变压装置5进行调制，调整输出功率；所述第二从电源从控制器9从主控制器3获得期望输出功率，基于PQ控制对第二从电源变频变压装置8进行调制，调整输出功率。

进一步的，所述船舶SCADA系统11和船舶负载12、柴油发电机13之间为以太网通信，通过转接口转换至DP通信模式与岸电主电源主控制器3相连。

本发明的优点在于：可自动适应不同船舶、不同工况的负载，具有可逐级增容的效果，节省码头作业空间，提升岸电系统对不同负载船舶的适应能力，使用主从控制系统，可以在岸电系统并网、负载变换时刻平衡有功、无功功率，增加岸电系统稳定性，更加便捷安全，在成本上也有所减少。

附图说明

图1为本发明船舶岸电主从控制多工况自适应系统整体结构图；

图2为本发明船舶岸电主从控制多工况自适应系统主电源的连接示意图；

图3为本发明的岸电系统并网检测流程图；

图4为本发明船舶岸电主从控制多工况自适应系统工作流程图；

图5为本发明船舶岸电主从控制多工况自适应系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示，本具体实施方式采用如下技术方案：包括岸电主电源组件，所述岸电主电源组件包括电网电源1、主电源侧开关柜SE1、主电源变频变压装置2、主电源船岸连接处开关柜SE2、主控制器3，其中，主电源侧开关柜SE1与电网电源1、主电源变压变频装置2相连，所述主电源变频变压装置2包括变压柜、隔离变压柜以及采用下垂控制的变频柜，主电源变频变压装置2、主电源船岸连接处开关柜SE2、主电源电压电流检测装置4依次相连，主控制器3分别与主电源变频变压装置2、主电源电压电流检测装置4、船舶SCADA系统11连接，检测主电源输出功率以及岸电系统输出总功率，船舶SCADA系统为船舶数据采集与监视控制系统；

岸电从电源组件，所述岸电从电源组件包括第一从电源21、第一从电源开关柜SE4、第一从电源变频变压装置5、第一从电源船岸连接处开关柜SE5、第一从电源从控制器6、第二从电源22、第二从电源开关柜SE6、第二从电源变频变压装置8、第二从电源船岸连接处开关柜SE7、第二从电源从控制器9；其中，第一从电源开关柜SE4分别与第一从电源21、第一从电源变频变压装置5相连，第一从电源变频变压装置5、第一从电源船岸连接处开关柜SE5、第一从电源电压电流检测装置7依次相连，第一从控制器6分别与第一从电源变频变压装置5、第一从电源电压电流检测装置7连接，第一从控制器6接收主控制器3控制信号调整目标输出功率，检测第一从电源21输出电压、电流并进行控制；第二从电源开关柜SE6分别与第二从电源22、第二从电源变频变压装置8相连，第二从电源变频变压装置8、第二从电源船岸连接处开关柜SE7、第二从电源电压电流检测装置10依次相连，第二从控制器9分别与第二从电源变频变压装置8、第二从电源电压电流检测装置10连接，第二从控制器9接收主控制器3控制信号调整目标输出功率，检测第二从电源22输出电压、电流并进行控制；

船舶电力组件，所述船舶电力组件包括船舶的柴油发电机13、船舶负载12、船舶电力母线、船舶配电单元及船侧开关柜SE3、船舶SCADA系统11，所述柴油发电机13与船舶负载12连接，船舶负载12、船侧开关柜SE3、主电源电压电流检测装置4依次相连，柴油发电机13、船舶配电单元及主电源变压变频装置2通过船舶电力母线连接；

所述岸电主电源组件、岸电从电源组件通过岸电总线15输出电能至靠港船舶。

电网电源1：为岸电系统供电，为常规电网10kV a.c；主电源侧开关柜SE1：发生故障时紧急断开，确保船舶电力系统和岸电系统安全性；主电源变频变压装置2：对电网电源1进行调压、调频控制，稳定岸电系统电压频率；主控制器3：基于下垂控制对主电源变频变压装置2输出调制信号，并对第一从电源21、第一从控制器6、第二从电源22、第二从控制器9给定期望输出功率；主电源船岸连接处开关柜SE2：当电源符合并网要求时刻，合闸并网；主电源电压电流检测装置4：监测主电源实时电压、频率，反馈至主控制器3；第一从电源开关柜SE4：发生故障时紧急断开，确保第一从电源21和岸电系统安全性；第一从电源变频变压装置5：对第一从电源21输出电压、电流、频率进行控制；第一从电源船岸连接处开关柜SE5：当岸电系统输出功率不足时，将第一从电源并入岸电电网；第一从电源从控制器6：从主控制器3获得期望输出功率，基于PQ控制对第一从电源变频变压装置5进行调制，调整输出功率；第一从电源电压电流检测装置7：监测第一从电源21输出电压、电流，反馈至第一从控制器6；第二从电源开关柜SE6：发生故障时紧急断开，确保第二从电源22和岸电系统安全性；第二从电源变频变压装置8：对第二从电源22输出电压、电流、频率进行控制；第二从电源船岸连接处开关柜SE7：当岸电系统输出功率不足时，将第二从电源22并入岸电电网；第二从电源从控制器9：从主控制器3获得期望输出功率，基于PQ控制对第二从电源变频变压装置8进行调制，调整输出功率；第二从电源电压电流检测装置10：监测第二从电源22输出电压、电流，反馈至第二从控制器9；岸电总线15：岸电系统总线，岸电系统主从电源输出电能至靠港船舶；船舶SCADA系统11：检测船舶电网电压、电流，反馈至岸侧主控制器3；船侧开关柜SE3：当船侧电网或岸电系统发生故障，断开连接；船舶负载12：船舶负载，随着船型和工况的不同而变化。

主电源变频变压装置2、主电源电压电流检测装置4、船舶SCADA系统11和主电源主控制器3通过DP连接，DP通信具有高速低成本，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信，通过端口RS-485以光缆传输，所述主电源主控制器3可控制主电源变频变压装置2输出电压、频率和第一从电源从控制器6、第二从电源从控制器9期望输出功率，并可和船舶SCADA系统11连接检测岸电系统总输出功率，实时控制岸电系统主、从电源输出。

船舶SCADA系统11和船舶负载12、柴油发电机13之间为以太网通信，通过转接口转换至DP通信模式与岸电主电源主控制器3相连。

图2中所示，包括一岸电主电源组件和一船舶电力组件；船舶靠港时刻，船舶SCADA系统11发送船舶实时电压、频率、相位信号，发送至主控制器3，主控制器3采用下垂控制调节电压频率，控制岸电输出有功功率，主电源电压电流检测装置4检测输出电压、频率、相角，符合规范，船侧开关柜SE3合闸并网，船舶电站调整船舶柴油发电机13转速，进行负载转移，负载转移超过70％后关闭船舶柴油发电机13，船舶负载12由岸侧主电源供电。

如图3所示，为岸电系统并网检测流程图，当岸电与船舶电网在公共耦合点或并网连接点处的电压幅值U_g和频率ω_g是在额定电压U₀和额定频率ω₀的±5％之内，启动PLL锁相环连续监测船舶电网侧和岸侧电压相角θ之间的差值Δθ，如果Δθ大于设定的阈值Δθ_max，则需要保持断开状态，如果小于设定的阈值Δθ_max，则岸电系统可以执行并网操作。

如图4所示，为船舶岸电主从控制多工况自适应系统的工作流程，下面结合图1和图3做具体介绍：当岸电系统主控制器3检测输出功率，超过主电源容量的75％时，启动第一从电源21，先检测岸电系统实时电压U_g和频率ω_g，调整第一从电源21电压U_g1和频率ω_g1，当第一从电源21电压、频率在主电源电压、频率±5％之内，启动PLL锁相环连续监测船舶电网侧和岸侧电压相角θ之间的差值Δθ，等待同相位点，如果小于设定的阈值Δθ_max，则岸电第一从电源21可以执行并网操作，第一从电源船岸连接处开关柜SE5合闸，第一从电源21并入岸电电网，主电源对第一从电源21功率分配，进行负载转移，转移完成后主电源、第一从电源21对船舶负载供电，当检测到主电源、第一从电源21输出功率大于总容量的75％，再次重复上述操作，第二从电源22并入岸电电网。

如图5所示，为船舶岸电主从控制多工况自适应系统的原理图，其中主控制器3使用下垂控制，用以实现并网和岸电电网电压、频率调控功能，第一从控制器6、第二从控制器9使用PQ控制，因为PQ控制特性，仅保持恒定有功、无功功率输出，无法对电压、频率进行精确调整，这决定了PQ控制不可作为电网主控制方式，必须有主电源提供电压、频率支撑，因而由采用下垂控制的主电源维持系统电压、频率处于额定值。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统，其特征在于：包括岸电主电源组件，所述岸电主电源组件包括电网电源、主电源侧开关柜、主电源变频变压装置、主电源船岸连接处开关柜、主控制器，其中，主电源侧开关柜与电网电源、主电源变压变频装置相连，所述主电源变频变压装置包括变压柜、隔离变压柜以及采用下垂控制的变频柜，主电源变频变压装置、主电源船岸连接处开关柜、主电源电压电流检测装置依次相连，主控制器分别与主电源变频变压装置、主电源电压电流检测装置、船舶SCADA系统连接，检测主电源输出功率以及岸电系统输出总功率；

岸电从电源组件，所述岸电从电源组件包括第一从电源、第一从电源开关柜、第一从电源变频变压装置、第一从电源船岸连接处开关柜、第一从电源从控制器、第二从电源、第二从电源开关柜、第二从电源变频变压装置、第二从电源船岸连接处开关柜、第二从电源从控制器；其中，第一从电源开关柜分别与第一从电源、第一从电源变频变压装置相连，第一从电源变频变压装置、第一从电源船岸连接处开关柜、第一从电源电压电流检测装置依次相连，第一从控制器分别与第一从电源变频变压装置、第一从电源电压电流检测装置连接，第一从控制器接收主控制器控制信号调整目标输出功率，检测第一从电源输出电压、电流并进行控制；第二从电源开关柜分别与第二从电源、第二从电源变频变压装置相连，第二从电源变频变压装置、第二从电源船岸连接处开关柜、第二从电源电压电流检测装置依次相连，第二从控制器分别与第二从电源变频变压装置、第二从电源电压电流检测装置连接，第二从控制器接收主控制器控制信号调整目标输出功率，检测第二从电源输出电压、电流并进行控制；

船舶电力组件，所述船舶电力组件包括船舶的柴油发电机、船舶负载、船舶电力母线、船舶配电单元及船侧开关柜、船舶SCADA系统，所述柴油发电机与船舶负载连接，船舶负载、船侧开关柜、主电源电压电流检测装置依次相连，柴油发电机、船舶配电单元及主电源变压变频装置通过船舶电力母线连接；

所述岸电主电源组件、岸电从电源组件通过岸电总线输出电能至靠港船舶；

所述第一从电源从控制器从主控制器获得期望输出功率，基于PQ控制对第一从电源变频变压装置进行调制，调整输出功率；所述第二从电源从控制器从主控制器获得期望输出功率，基于PQ控制对第二从电源变频变压装置进行调制，调整输出功率；

船舶靠港时刻，所述的船舶SCADA系统发送船舶实时电压、频率、相位信号，发送至主控制器，主控制器采用下垂控制调节电压频率，控制岸电输出有功功率，主电源电压电流检测装置检测输出电压、频率、相角，符合规范，船侧开关柜合闸并网，船舶电站调整船舶柴油发电机转速，进行负载转移，负载转移超过70%后关闭船舶柴油发电机，船舶负载由岸侧主电源供电；

所述的主控制器采用下垂控制，用以实现并网和岸电电网电压、频率调控功能。

2.根据权利要求1所述的一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统，其特征在于：所述船舶SCADA系统和船舶负载、柴油发电机之间为以太网通信，通过转接口转换至DP通信模式与岸电主电源主控制器相连。

3.根据权利要求1所述的一种船舶岸电主从控制多工况自适应系统，其特征在于：系统工作流程如下：当岸电系统主控制器检测输出功率，超过主电源容量的75%时，启动第一从电源，先检测岸电系统实时电压

和频率

，调整第一从电源电压

和频率

，当第一从电源电压、频率在主电源电压、频率

之内，启动PLL锁相环连续监测船舶电网侧和岸侧电压相角

之间的差值

，等待同相位点，如果小于设定的阈值

，则岸电第一从电源可以执行并网操作，第一从电源船岸连接处开关柜SE5合闸，第一从电源并入岸电电网，主电源对第一从电源功率分配，进行负载转移，转移完成后主电源、第一从电源对船舶负载供电，当检测到主电源、第一从电源输出功率大于总容量的75%，再次重复上述操作，第二从电源并入岸电电网。

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