CN112052576A - 一种船岸快速匹配及连接优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船岸快速匹配及连接优化方法及系统，该方法适用于多种结构的岸电系统，为了实现船舶和岸电参数快速匹配，采用多时段控制的并网功率波动平抑策略，基于船舶岸电并网过程，将并网全过程根据时段划分为合闸前、合闸时、合闸后以及柴油发电机组退运行后4个时段，在各时段对变频电源采取对应的控制策略，以实现快速匹配以及并网时的功率波动平抑和供电回路的无缝切换，该方法适用于多种岸电连接方式，提高船舶岸电连接的快速性和可靠性。

Description

一种船岸快速匹配及连接优化方法及系统

技术领域

本发明涉及一种船舶用电及岸电的连接方法，尤其涉及一种用于船舶及岸电连接的船岸快速匹配及连接优化方法及系统。

背景技术

国际社会对靠港船舶排污标准逐渐严格，船舶靠港期间使用岸电是减少排污的重要措施之一。船舶岸电技术，主要指船舶停靠码头时利用陆地电源代替船舶柴油机为船上负载进行供电，能有效减少船舶柴油机发电带来的环境和噪声污染。

由于船舶有自备发电机发电，船上形成独立的供电系统。在靠港与岸电系统连接时，一般采用先停止船舶发电机，再与岸电系统连接，由岸电电源向船上负载供电，这种方式需要对船上负载断电，对用电设备造成损害。

目前在船舶岸电无缝平滑并网中，也有一些研究。苏贞在专利《一种船舶与岸电并网及无缝切换的控制方法》中，利用了虚拟同步发电机功率和转速模拟、电机频率调速原理，通过电磁转矩补偿船岸功率差得到期望电压幅值，进一步通过转动惯量与频率响应速度的关系控制输出频率，再加上相位预同步的过程，实现快速并网及无缝切换。但是该研究提供的连接控制方法，对于不同用电频率的船舶以及不同供电模式的港口之间的连接，会由于船舶用电频率不同以及港口采用不同的供电模式，出现匹配时间长以及功率波动大的问题，因此需要进行参数快速匹配以及无缝并网的适应性研究。

发明内容

发明目的：本发明提出一种船岸快速匹配及连接优化方法及系统，实现船舶接用岸电时参数快速匹配以及无缝并网，能够快速匹配船舶和岸电参数，提高并网速度和电能质量。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种船岸快速匹配及连接优化方法，用于船舶接用岸电系统，该方法包括以下步骤：

(1)启动岸电电源。在岸基电网处于平稳状态且无需限制接入负载时，按照恒压频比(VF)启动模式启动岸电电源。

(2)获取船侧和岸侧的电流电压信息。通过传感器获取包括岸侧和船侧的三相电压、三相电流以及直流电压信息。

(3)合闸前，根据所述的船侧和岸侧的电流电压信息，通过幅值控制器和相位控制器实现岸侧变频电源输出电压对船侧电网电压的跟踪控制；其目的是在合闸点前尽可能减少两侧电压的幅值差和相位差，从而减少合闸时刻的冲击功率波动值。

其中幅值控制器执行以下步骤：

(31)在并网合闸前，采集岸侧变频电源空载电压中任一相的幅值和船舶电网侧运行电压中任一相的幅值；

(32)通过比例-积分控制器不断缩小两者的差值，并将该差值计入设定的电压参考值中，进而将该幅值误差的修正参考电压作为后续电压电流双闭环的参考电压输入给定值。

相位控制器执行以下步骤：

(41)在并网合闸前，采集岸侧变频电源空载电压中任一相的角频率和船舶电网侧运行电压中任一相的角频率；

(42)通过比例-积分控制器不断缩小两者的差值，并将该差值计入设定的角频率参考值中，进而将该误差的修正参考角频率作为后续电压电流双闭环的参考角频率给定值。

(4)当船舶岸电两侧电压的幅值差和相位差小于设定阈值后，在岸船并网前，变频电源处于空载状态下，采用带有惯性环节的恒压恒频控制模式；此时调控目的为设定参考值的电压输出以等待预同步及合闸信号。

(5)在合闸时刻，将变频电源运行方式由恒压恒频模式切换为计及阶跃补偿的下垂模式，避免造成变频电源输出电压和电流的大幅波动，这也是合闸时刻冲击功率的主要来源。

其中，所述的计及阶跃补偿的下垂模式，是指对参考相位的阶跃性改变进行补偿，设θ₁为预同步后逆变器输出电压相位，θ₂为下垂控制中的输出相位，相位阶跃补偿值Δθ为两者之差。

(6)合闸后，变频电源调控的目的为输出给定参考功率值，为实现快速匹配和无缝并网，采用下垂控制，输出额定的角频率和电压。其中输出的电压幅值U和角频率ω为：

式中，ω和U分别为输出角频率和电压；ω_n和U_n分别为角频率额定值和电压；m和n分别有功功率和无功功率的下垂系数；P和Q分别为输出有功功率和无功功率；P_n和Q_n分别为额定有功功率和无功功率。

(7)在变频电源输出侧与船舶电网侧成功并网后，为了使岸电接入平滑过渡，同时考虑船舶柴油发电机组逐级退运行的实际工况流程，采用合闸后变频电源功率逐级切换的控制模式。其中所述的逐级切换的控制模式，是将并网成功时刻到柴油发电机退运行时刻分为N个子周期，在各个子周期内，建立功率下垂控制模式中的功率目标值及下垂系数的动态选取模型，逐级增加岸电支撑功率至设定目标值；

所述功率目标值的动态选取模型为：

式中，i表示第i个子周期，t表示时间，P_i为第i个子周期内的有功功率输出值，P_N为柴油发电机退运行后，岸电变频电源输出的有功功率额定值；

所述下垂系数的动态选取模型为：

式中，m_i为第i个子周期内的下垂系数，P_max为下垂控制中岸电变频电源允许输出的最大有功功率，ω_min为变频电源有功输出为P_max时允许的最小角频率，ω_n为角频率额定值。

至此，船岸两侧完成了快速匹配及连接并网，考虑到船舶柴油发电机的工况，该方法还包括(8)当功率逐级切换至一设定值后，船舶柴油发电机组可通过控制中心指令断开连接开关从而停止对负荷供电并退运行。此时船上负荷仅由岸电通过变频电源进行供电，为了保证该微电网的电压和频率稳定性，变频电源的控制模式应从下垂控制模式切换为带惯性环节的恒压恒频控制模式，结合变频电源参数寻优法则，保证在不同工况及扰动下变频电源供电性能的稳定和可靠性。

本发明还提出一种船舶接用岸电系统，该系统包括船舶电力系统、该船舶所要连接的岸电系统以及控制模块，船舶、岸电两侧均设有用于获取船侧和岸侧的三相电流电压数值的传感器，所述控制模块与两侧传感器相连，输出控制信号发送至岸电系统的变流器以控制岸电输出，所述控制模块执行以下步骤：

(1)通过船舶岸电两侧的传感器分别获取船侧和岸侧的电流电压信息；

(2)根据所述的船侧和岸侧的电流电压信息，通过幅值控制器和相位控制器实现岸侧变频电源输出电压对船侧电网电压的跟踪；

(3)当船舶岸电两侧电压的幅值差和相位差小于设定阈值后，岸侧变频电源处于空载状态下，采用带有惯性环节的恒压恒频控制模式控制岸侧变频电源；

(4)发出合闸信号，同时将所述岸侧变频电源运行方式由恒压恒频模式切换为计及阶跃补偿的下垂模式；

(6)合闸完成后，采用下垂控制模式控制岸侧变频电源输出额定的角频率和电压；

(7)在船舶和岸电成功并网后，采用逐级切换的控制模式控制岸侧变频电源输出功率。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明采用多时段控制的并网功率波动平抑策略，分为了四个阶段，对于四个阶段的实际具体需求，采取不同的供电模式，合闸前的幅值相位控制，能提高参数快速匹配速度，减少船岸两侧参数的误差，减少误差带来的对电网和船舶负荷的冲击；合闸时，改变供电模式，采用带有补偿的下垂控制，减少切换模式带来的电压电流的大幅波动；下垂控制以及功率逐级切换直至柴油发电机退运行，逐步减少船舶柴油发电机的出力，由岸电提供船舶所需用电，并在保证负荷不间断供电的前提下完成变频电源分时段控制模式之间的平滑切换，达到了船舶岸电参数快速撇皮以及并网功率波动平抑无缝并网的目的。

附图说明

图1为本发明所述的船舶接用岸电系统结构示意图；

图2为本发明所述的船岸快速匹配及连接优化方法的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的船岸快速匹配及连接优化方法，用于船舶接用岸电系统。船舶接用岸电系统的结构如图1所示。该系统包括船舶电力系统、该船舶需要连接的岸电系统以及控制模块，船舶岸电两侧均设有用于获取船侧和岸侧的三相电流电压数值的传感器，控制模块与两侧传感器相连，输出控制信号发送至岸电系统的变流器以控制岸电输出，实现船舶与岸电并网及无缝切换。船舶靠港停泊后，首先检查船舶岸电设备状态，双方都没有异常状态下，通过电缆进行物理连接，如果岸电电网处在用电高峰，则在调整船舶用电负荷后，并入电网；如果在岸基电网处于平稳状态无需限制接入负载时，采用本发明所述的船岸快速匹配及连接优化方法实现船岸并网，经过幅值控制器和相位控制器，岸电与船舶参数匹配，达到并网条件，再通过带补偿环节的下垂控制，实现快速、平滑并网。如图2所示，本发明包括以下步骤：

(1)按照恒压频比的方式启动岸电电源。

(2)通过船舶岸电两侧的传感器，获取船侧和岸侧的三相电流电压数值。

(3)合闸前，根据船侧和岸侧的电流电压信息，通过幅值锁存和锁相环(PLL)分别形成控制岸电变频电源输出电压的幅值控制器和相位控制器。实现变频电源输出电压对船侧电网电压的跟踪控制，在合闸点前尽可能减少两侧电压的幅值差和相位差，从而减少合闸时刻的冲击功率波动值。

幅值控制器的实现：在并网合闸前，采集变频电源侧空载电压中任一相的幅值和船舶电网侧运行电压中任一相的幅值，通过比例-积分(PI)控制器不断缩小两者的差值，并将该差值计入设定的电压参考值中，进而将该幅值误差的修正参考电压；作为后续电压电流双闭环的参考电压输入给定值，从而不断修正变频电源输出电压幅值。在进行合闸操作前，通过幅值控制器的幅值调节作用实现岸电侧变频电源输出电压幅值对船侧电网电压幅值的跟踪控制，尽可能降低合闸时刻两侧的幅值差。

相位控制器的实现：由于相位是角频率的积分，因此船岸两侧相位的差值可以视作关于角频率的差值，并将该差值计入设定的角频率参考值中，进而将该误差的修正参考角频率作为后续电压电流双闭环的参考角频率给定值。从而不断修正变频电源输出电压相位值。在进行合闸操作前，通过相位控制器的相位调节作用可实现岸电侧变频电源输出电压相位对船侧电网电压相位的跟踪控制，尽可能降低合闸时刻的船岸两侧相位差。

(4)当船舶岸电两侧电压的幅值差和相位差小于设定阈值后，在岸船并网前，变频电源处于空载状态下，此时采用合闸前带有惯性环节的恒压恒频控制模式。此时调控目的为设定电压输出的参考值以达到合闸条件，在达到条件后由系统发出合闸信号进行合闸。

(5)合闸时进行模式切换，由恒压恒频模式，切换为下垂控制模式；在合闸时刻，将变频电源运行方式由恒压恒频模式切换为计及阶跃补偿的下垂模式，避免造成变频电源输出电压和电流的大幅波动，这也是合闸时刻冲击功率的主要来源。

由于由恒压恒频模式切换为下垂模式，会导致参考相位的阶跃性改变，从而造成变频电源电压电流的大幅波动，因此需要进行补偿。θ₁为预同步后逆变器输出电压相位，代表恒压恒频控制模式下输入到双闭环反馈中的参考相位值，θ₂为下垂控制中的输出相位。Δθ为合闸时刻两者之差，即相位阶跃补偿值。

(6)合闸后，变频电源调控的目的为输出给定参考功率值，为实现快速匹配和无缝并网，采用下垂控制，输出额定的角频率和电压。

为实现船岸快速并网以及之后的变频功率逐级切换，岸电系统根据岸电控制系统的负荷分配以及岸电三相电压U_a，U_b，U_c和岸电三相电流I_a，I_b，I_c，得到有功功率P和无功功率Q，再按照下垂控制方程，输出相应的电压U和角频率ω：

式中，ω和U分别为输出角频率和电压；ω_n和U_n分别为角频率额定值和电压；m和n分别有功功率和无功功率的下垂系数；P和Q分别为输出有功功率和无功功率；P_n和Q_n分别为额定有功功率和无功功率。

(7)在变频电源输出侧与船舶电网侧成功并网后，为了使岸电接入平滑过渡，同时考虑船舶柴油发电机组逐级退运行的实际工况流程，采用合闸后变频电源功率逐级切换的控制模式。

将并网成功时刻到柴油发电机退运行时刻分为N个子周期，在各个子周期内，建立功率下垂控制模式中的功率目标值及下垂系数的动态选取模型，在功率级切换过渡期内保持控制参数最优，从而在并网合闸后，使岸电支撑功率从0开始逐级增加至设定目标值，平稳、可靠地实现负荷转移和供电回路切换。

功率目标值模型：功率目标值可根据有功功率设定。

式中，i表示第i个子周期，t表示时间，P_i为第i个子周期内的有功功率输出值，P_N为柴油发电机退运行后，岸电变频电源输出的有功功率额定值。该有功功率目标值即岸电有功功率在N个时间段内，从0线性增加到P_N。

下垂系数选取：

式中，m_i为第i个子周期内的下垂系数，P_max为下垂控制中岸电变频电源允许输出的最大有功功率，ω_min为变频电源有功输出为P_max时允许的最小角频率，ω_n为角频率额定值。

(8)当功率逐级切换至一设定值后，船舶柴油发电机组可通过控制中心指令断开连接开关从而停止对负荷供电并退运行。

此时船上负荷仅由岸电通过变频电源进行供电，为了保证该微电网的电压和频率稳定性，变频电源的控制模式应从下垂控制模式切换为带惯性环节的恒压恒频控制模式，结合变频电源参数寻优法则，保证在不同工况及扰动下变频电源供电性能的稳定和可靠性。

岸电变频电源系统采用电压电流双闭环控制策略，经过下垂控制方程给出需要输出的电压和频率，作为SVPWM的输入量，经过SVPWM模块得到岸电变流器IGBT的控制信号，从而达到输出指定参数的目的。

将本发明所述的船岸快速匹配及连接优化方法应用于如图1所示的船舶接用岸电系统，其中控制模块执行以下步骤：

(1)通过船舶岸电两侧的传感器分别获取船侧和岸侧的电流电压信息；

(2)根据所述的船侧和岸侧的电流电压信息，通过幅值控制器和相位控制器实现岸侧变频电源输出电压对船侧电网电压的跟踪；

(3)当船舶岸电两侧电压的幅值差和相位差小于设定阈值后，岸侧变频电源处于空载状态下，采用带有惯性环节的恒压恒频控制模式控制岸侧变频电源；

(4)发出合闸信号，同时将所述岸侧变频电源运行方式由恒压恒频模式切换为计及阶跃补偿的下垂模式；

(6)合闸完成后，采用下垂控制模式控制岸侧变频电源输出额定的角频率和电压；

(7)在船舶和岸电成功并网后，采用逐级切换的控制模式控制岸侧变频电源输出功率。

Claims (10)

1.一种船岸快速匹配及连接优化方法，用于船舶接用岸电系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)启动岸电电源；

(2)通过船舶岸电两侧的传感器分别获取船侧和岸侧的电流电压信息；

(3)合闸前，根据所述的船侧和岸侧的电流电压信息，通过幅值控制器和相位控制器实现岸侧变频电源输出电压对船侧电网电压的跟踪控制；

(4)当船舶岸电两侧电压的幅值差和相位差小于设定阈值后，在岸船并网前，变频电源处于空载状态下，采用带有惯性环节的恒压恒频控制模式；

(5)在合闸时刻，将所述岸侧变频电源运行方式由恒压恒频模式切换为计及阶跃补偿的下垂模式；

(6)合闸后，岸侧变频电源采用下垂控制，输出额定的角频率和电压；

(7)在船舶和岸电成功并网后，采用合闸后岸侧变频电源功率逐级切换的控制模式。

2.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于，该方法还包括：步骤(8)当岸侧变频电源功率逐级切换至一设定值后，船舶柴油发电机组通过船舶控制中心指令断开连接开关从而停止对船侧负荷供电并退出运行，柴油发电机退出后，所述岸侧变频电源的控制模式从下垂控制模式切换为带惯性环节的恒压恒频控制模式。

3.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于：步骤(1)中所述的启动岸电电源是在岸基电网处于平稳状态且无需限制接入负载时，按照恒压频比启动模式启动。

4.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于：步骤(2)中所述的船侧和岸侧的电流电压信息包括岸侧和船侧的三相电压、三相电流以及直流电压信息。

5.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于，步骤(3)中所述的幅值控制器执行以下步骤：

(31)在并网合闸前，采集岸侧变频电源空载电压中任一相的幅值和船舶电网侧运行电压中任一相的幅值；

(32)通过比例-积分控制器不断缩小两者的差值，并将该差值计入设定的电压参考值中，进而将该幅值误差的修正参考电压作为后续电压电流双闭环的参考电压输入给定值。

6.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于，步骤(3)中所述的相位控制器执行以下步骤：

(41)在并网合闸前，采集岸侧变频电源空载电压中任一相的角频率和船舶电网侧运行电压中任一相的角频率；

(42)通过比例-积分控制器不断缩小两者的差值，并将该差值计入设定的角频率参考值中，进而将该误差的修正参考角频率作为后续电压电流双闭环的参考角频率给定值。

7.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于，步骤(5)中所述的计及阶跃补偿的下垂模式，是指对参考相位的阶跃性改变进行补偿，设θ₁为预同步后逆变器输出电压相位，θ₂为下垂控制中的输出相位，相位阶跃补偿值Δθ为两者之差。

8.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于，所述步骤(6)中输出的电压幅值U和角频率ω为：

式中，ω和U分别为输出角频率和电压；ω_n和U_n分别为角频率额定值和电压；m和n分别有功功率和无功功率的下垂系数；P和Q分别为输出有功功率和无功功率；P_n和Q_n分别为额定有功功率和无功功率。

9.根据权利要求1所述的船岸快速匹配及连接优化方法，其特征在于，步骤(7)中所述的逐级切换的控制模式，是将并网成功时刻到柴油发电机退运行时刻分为N个子周期，在各个子周期内，建立功率下垂控制模式中的功率目标值及下垂系数的动态选取模型，逐级增加岸电支撑功率至设定目标值；

所述功率目标值的动态选取模型为：

式中，i表示第i个子周期，t表示时间，P_i为第i个子周期内的有功功率输出值，P_N为柴油发电机退运行后，岸电变频电源输出的有功功率额定值；

所述下垂系数的动态选取模型为：

式中，m_i为第i个子周期内的下垂系数，P_max为下垂控制中岸电变频电源允许输出的最大有功功率，ω_min为变频电源有功输出为P_max时允许的最小角频率，ω_n为角频率额定值。

10.一种船舶接用岸电系统，其特征在于：该系统包括船舶电力系统、该船舶所要连接的岸电系统以及控制模块，船舶、岸电两侧均设有用于获取船侧和岸侧的三相电流电压数值的传感器，所述控制模块与两侧传感器相连，输出控制信号发送至岸电系统的变流器以控制岸电输出，所述控制模块执行以下步骤：

(1)通过船舶岸电两侧的传感器分别获取船侧和岸侧的电流电压信息；

(2)根据所述的船侧和岸侧的电流电压信息，通过幅值控制器和相位控制器实现岸侧变频电源输出电压对船侧电网电压的跟踪；

(3)当船舶岸电两侧电压的幅值差和相位差小于设定阈值后，岸侧变频电源处于空载状态下，采用带有惯性环节的恒压恒频控制模式控制岸侧变频电源；

(4)发出合闸信号，同时将所述岸侧变频电源运行方式由恒压恒频模式切换为计及阶跃补偿的下垂模式；

(6)合闸完成后，采用下垂控制模式控制岸侧变频电源输出额定的角频率和电压；

(7)在船舶和岸电成功并网后，采用逐级切换的控制模式控制岸侧变频电源输出功率。

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