CN112271723A - 高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高过载能量变换电源的动态同步转矩控制方法及系统，通过动态调节电源内部变换器的虚拟转矩，缩小了柴油机与变换器角频率加速度的差距，有效抑制了柴油机与变换器并联下低频功率振荡，实现过载工况下多通道的同步供电。

Description

高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法及系统

技术领域

本发明涉及海岛、港口、码头、船舶供电及控制领域，特别是一种高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法及系统。

背景技术

目前，海岛上的民用设施是由本地风/光/柴/储等分布式发电单元所构成的电源系统来保障持续供电。该电源系统往往采用不间断供电方式，能基本满足常规的阻感负荷或恒功率负荷的需求。然而，海岛武器装备等短时高能负荷要求高质量、高过载能量，单独使用柴油机组等发电单元难以满足短时高质、高过载能量的需求。因此，柴油机组需与储能单元联合为短时高能负荷供电。

然而，在柴油机与储能单元并联运行的系统中，为了匹配特殊负荷供电需求，DC/AC变换器必须模拟柴油发电机组的惯性与阻尼特性，工作于虚拟同步机状态，类似于多个同步机并联系统。由于惯性的引入，在柴油机与多台具有虚拟惯性的分布式电源并联系统中，负载突变时往往会引起功率振荡。对于多台均同时工作于虚拟同步控制模式的变换器并联系统，通常采用惯量匹配方法来抑制系统功率振荡。然而，对于虚拟同步机与柴油机并联系统，由于柴油机惯量、阻尼系数等参数都是固定无法调节的变量，且柴油机一经研制，控制系统也基本无法更改，很难实现并联系统的惯量匹配。因此，很难通过惯量匹配方法来解决柴油机与虚拟同步机并联系统功率振荡问题，尤其是在高能脉冲负载的运行工况下，系统功率变化频繁，工作于电压源下的变换器很容易与柴油机发电机组发生持续低频功率振荡，导致供电系统难以提供高质可靠供电，严重时甚至造成电力电子设备的损坏，这将严重制约重要的高能武器装备性能发挥。

高过载能量电源拓扑结构如图1所示，在过载时包含三条供电回路：第一供电回路为：柴油发电机组经开关S₁直接供电；第二条供电回路为：储能单元经双向DC/DC变换器、前级PWM变换器与柴油发电机组并联经开关S₁给负荷供电；第三条供电回路为：储能单元经双向DC/DC变换器、后级PWM变换器以及开关S₂为负荷提供电能。其中，P₀、Q₀表示柴油机组的输出有功功率和无功功率，P₁、Q₁表示前级PWM变换器的输出有功功率和无功功率，P₂、Q₂表示后级PWM变换器的输出有功功率和无功功率，u₁、i₁表示前级PWM变换器的输出电压和电流，u₂、i₂表示后级PWM变换器的输出电压和电流，DC表示直流侧端口，AC表示三相交流母线。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法及系统，抑制柴油机与变换器并联下低频功率振荡，实现过载工况下多通道的同步供电。其中，高过载电源指的是过载时可短时提供数倍额定容量的能量输出的电源。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法，包括以下步骤：

1)采样前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i以及柴油发电机组输出电压u₀；其中，i＝1表示所采样的数据为前级PWM变换器的电压、电流；i＝2表示所采样的数据为后级PWM变换器的电压、电流；

2)利用所述前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i分别计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的有功功率P_ei和无功功率Q_ei，并利用锁相环获取柴油发电机组输出电压角频率ω₀和相角φ₀；

3)利用所述无功功率Q_ei和输出电压U_i，计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的输出电压指令幅值E_mi；其中，Q_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定无功功率，U_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定输出电压，K_q为无功调节系数，D_q为电压下垂系数；i＝1表示前级PWM变换器对应的参数；i＝2表示后级PWM变换器的对应的参数；

4)所述输出电压指令幅值E_mi和相角θ_i得到前后级变换器输出电压控制信号

θ_i＝∫ω_idt；ω_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率；

5)控制信号

通过PWM调制获得驱动信号

通过上述控制方式，一方面可以实现系统稳态时有功功率和无功功率的均衡分配，维持输出母线上稳态电压和频率的恒定；另一方面，通过在PWM变换器引入惯性，模拟同步发电机的运行方式，避免暂态过程中系统频率突变，抑制动态振荡，影响负载的运行。

利用下式获得前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率ω_i：

其中，P_N为前级PWM变换器、后级PWM变换器额定输入功率，ω_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器额定输出角频率，J为虚拟惯性系数，D_p为阻尼系数；T_Hi为动态同步转矩。

T_Hi＝H_damp(ω_i-ω₀)；其中H_damp为动态同步转矩阻尼系数。

在动态过程中，由于动态同步转矩T_Hi的引入，前级PWM变换器、后级PWM变换器的输入转矩可根据柴油机和前、后级PWM变换器输出角频率动态调节，使得三者输出电压频率在动态过程中基本一致，从而抑制动态过程中的低频功率振荡，避免前、后级PWM变换器因短时功率过大出现过流现象。在稳态过程中，由于柴油机和前、后级PWM变换器输出角频率相等，所引入的动态同步转矩T_Hi为零，因而不影响系统稳态性能。

引入动态同步转矩T_Hi后，柴油发电机组的角频率加速度a'₀、前级PWM变换器、后级PWM变换器的a'_i表达式如下：

其中，T_n0为柴油发电机组的额定转矩；T_ni为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定转矩，T_D0为柴油发电机组的阻尼转矩，T_Di为前级PWM变换器、后级PWM变换器的阻尼转矩，T_e0为柴油发电机组的电磁转矩，T_ei为前级PWM变换器、后级PWM变换器的电磁转矩，T₀为柴油发电机组的合转矩，T_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器的合转矩，J为虚拟惯性系数。

通过引入动态同步转矩T_Hi可动态调节前级PWM变换器、后级PWM变换器的角频率加速度，缩小两个变换器与柴油机加速度差距，使得三者输出电压频率在动态过程中基本一致，实现系统暂态过程中的功率均分，从而抑制系统功率振荡；同时可提升系统动态性能，减少系统响应时间，可为短时脉冲负荷的快速供电提供保障。

本发明还提供了一种高过载能量变换电源动态同步转矩控制系统，包括微型计算机设备；所述微型计算机设备被配置或编程为用于执行以下步骤：

1)利用前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i分别计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的有功功率P_ei和无功功率Q_ei，并利用锁相环获取柴油发电机组输出电压角频率ω₀和相角φ₀；

2)利用所述无功功率Q_ei和输出电压U_i，计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的输出电压指令幅值E_mi；其中，Q_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定无功功率，U_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定输出电压，K_q为无功调节系数，D_q为电压下垂系数；i＝1表示前级PWM变换器对应的参数；i＝2表示后级PWM变换器的对应的参数；

3)所述输出电压指令幅值E_mi和相角θ_i得到前后级变换器输出电压控制信号

θ_i＝∫ω_idt；ω_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率；

4)控制信号

通过PWM调制获得驱动信号

本发明的系统还包括采集模块，所述采集模块用于采样前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i以及柴油发电机组输出电压u₀；其中，i＝1表示所采样的数据为前级PWM变换器的电压、电流；i＝2表示所采样的数据为后级PWM变换器的电压、电流。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以有效缩减柴油机和变换器角频率加速度的差距，抑制了系统在过载模式下的动态振荡；同时，采用柴油发电机组与储能单元联合供电，在过载工况下可同时提供三条能量通道，有效提升了电源瞬时能量输出能力，解决了柴油机组和常规电源均难以给特殊负荷提供高过载、高质量能量的问题。

附图说明

图1为本发明实施例高过载能量电源拓扑结构；

图2为本发明实施例具有动态同步转矩的改进型VSG控制方法；

图3(a)为本发明实施例负载突增时加速度变化曲线；图3(b)为本发明实施例负载突卸时加速度变化曲线。

具体实施方式

如图2所示，本发明一实施例动态同步转矩控制方法，通过在虚拟同步控制有功控制环节引入动态同步转矩，通过动态调节前后级PWM变换器的角频率加速度，缩小前后级PWM与柴油机角频率加速度差距，使得两者输出电压频率在动态过程中基本一致，从而实现抑制系统功率振荡。

引入的动态同步转矩表达式为：

T_Hi＝H_damp(ω_i-ω₀)

引入动态同步转矩后前后级PWM变换器有功功率控制表达式为：

前后级PWM变换器无功功率控制表达式如下：

如图3(a)和图3(b)所示，本发明一实施例负载突变时加速度变化曲线，其中实线阴影部分为动态同步转矩控制下的加速面积，虚线阴影部分为常规VSG控制下的加速面积。

系统角频率加速度定义如下:

引入动态转矩后，角频率加速度表达式如下：

当负载突增时，ω_i(i＝1,2)增大，如图3(a)所示，引入的动态同步转矩T_Hi(i＝1,2)>0，使得动态过程中加速度a_i(i＝1,2)减小，从而减慢ω_i(i＝1,2)变化速度，缩小ω_i(i＝1,2)与ω₀差距，最终实现系统功率振荡抑制；当负荷突减时，ω_i(i＝1,2)减小，如图3(b)所示，引入的动态同步转矩T_Hi(i＝1,2)<0，使得动态过程中加速度a_i(i＝1,2)增大，从而加快ω_i(i＝1,2)变化速度，缩小ω_i(i＝1,2)与ω₀差距，最终实现系统功率振荡抑制。上述描述中，当下标i＝1时，为前级PWM变换器的所对应的参数；当i＝2时，为后级PWM变换器的所对应的参数。

本发明实施例还提供了一种高过载能量变换电源动态同步转矩控制系统，包括微型计算机设备；所述微型计算机设备被配置或编程为用于执行以下步骤：

1)利用前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i分别计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的有功功率P_ei和无功功率Q_ei，并利用锁相环获取柴油发电机组输出电压角频率ω₀和相角

2)利用所述无功功率Q_ei和输出电压U_i，计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的输出电压指令幅值E_mi；其中，Q_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定无功功率，U_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定输出电压，K_q为无功调节系数，D_q为电压下垂系数；i＝1表示前级PWM变换器对应的参数；i＝2表示后级PWM变换器的对应的参数；

3)所述输出电压指令幅值E_mi和相角θ_i得到前后级变换器输出电压控制信号

θ_i＝∫ω_idt；ω_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率；

4)控制信号

通过PWM调制获得驱动信号

本实施例的系统还包括采集模块，所述采集模块用于采样前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i以及柴油发电机组输出电压u₀；其中，i＝1表示所采样的数据为前级PWM变换器的电压、电流；i＝2表示所采样的数据为后级PWM变换器的电压、电流。

本实施例中，采样模块包括采样前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i的电压传感器、采集柴油发电机组输出电压u₀的电压传感器，以及采集前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电流i_i的电流传感器。

Claims (9)

1.一种高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采样前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i以及柴油发电机组输出电压u₀；其中，i＝1表示所采样的数据为前级PWM变换器的电压、电流；i＝2表示所采样的数据为后级PWM变换器的电压、电流；

2)利用所述前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i分别计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的有功功率P_ei和无功功率Q_ei，并利用锁相环获取柴油发电机组输出电压角频率ω₀和相角

3)利用所述无功功率Q_ei和输出电压U_i，计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的输出电压指令幅值E_mi；其中，Q_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定无功功率，U_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定输出电压，K_q为无功调节系数，D_q为电压下垂系数；i＝1表示前级PWM变换器对应的参数；i＝2表示后级PWM变换器的对应的参数；

4)所述输出电压指令幅值E_mi和相角θ_i得到前后级变换器输出电压控制信号

θ_i＝∫ω_idt；ω_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率；

5)控制信号

通过PWM调制获得驱动信号

2.根据权利要求1所述的高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法，其特征在于，利用下式获得前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率ω_i：

其中，P_N为前级PWM变换器、后级PWM变换器额定输入功率，ω_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器额定输出角频率，J为虚拟惯性系数，D_p为阻尼系数；T_Hi为动态同步转矩。

3.根据权利要求2所述的高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法，其特征在于，T_Hi＝H_damp(ω_i-ω₀)；其中H_damp为动态同步转矩阻尼系数。

4.根据权利要求2或3所述的高过载能量变换电源动态同步转矩控制方法，其特征在于，引入动态同步转矩T_Hi后，柴油发电机组的角频率加速度a'₀、前级PWM变换器、后级PWM变换器的a'_i表达式如下：

其中，T_n0为柴油发电机组的额定转矩；T_ni为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定转矩，T_D0为柴油发电机组的阻尼转矩，T_Di为前级PWM变换器、后级PWM变换器的阻尼转矩，T_e0为柴油发电机组的电磁转矩，T_ei为前级PWM变换器、后级PWM变换器的电磁转矩，T₀为柴油发电机组的合转矩，T_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器的合转矩，J为虚拟惯性系数。

5.一种高过载能量变换电源动态同步转矩控制系统，其特征在于，包括微型计算机设备；所述微型计算机设备被配置或编程为用于执行以下步骤：

1)利用前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i分别计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的有功功率P_ei和无功功率Q_ei，并利用锁相环获取柴油发电机组输出电压角频率ω₀和相角

2)利用所述无功功率Q_ei和输出电压U_i，计算前级PWM变换器、后级PWM变换器的输出电压指令幅值E_mi；其中，Q_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定无功功率，U_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定输出电压，K_q为无功调节系数，D_q为电压下垂系数；i＝1表示前级PWM变换器对应的参数；i＝2表示后级PWM变换器的对应的参数；

3)所述输出电压指令幅值E_mi和相角θ_i得到前后级变换器输出电压控制信号

θ_i＝∫ω_idt；ω_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率；

4)控制信号

通过PWM调制获得驱动信号

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括采集模块，所述采集模块用于采样前级PWM变换器、后级PWM变换器三相输出电压u_i、输出电流i_i以及柴油发电机组输出电压u₀；其中，i＝1表示所采样的数据为前级PWM变换器的电压、电流；i＝2表示所采样的数据为后级PWM变换器的电压、电流。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，前级PWM变换器、后级PWM变换器输出电压角频率ω_i的计算公式为：

其中，P_N为前级PWM变换器、后级PWM变换器额定输入功率，ω_n为前级PWM变换器、后级PWM变换器额定输出角频率，J为虚拟惯性系数，D_p为阻尼系数；T_Hi为动态同步转矩。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，T_Hi＝H_damp(ω_i-ω₀)；其中H_damp为动态同步转矩阻尼系数。

9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，引入动态同步转矩T_Hi后，柴油发电机组的角频率加速度a'₀、前级PWM变换器、后级PWM变换器的a'_i表达式如下：

其中，T_n0为柴油发电机组的额定转矩；T_ni为前级PWM变换器、后级PWM变换器的额定转矩，T_D0为柴油发电机组的阻尼转矩，T_Di为前级PWM变换器、后级PWM变换器的阻尼转矩，T_e0为柴油发电机组的电磁转矩，T_ei为前级PWM变换器、后级PWM变换器的电磁转矩，T₀为柴油发电机组的合转矩，T_i为前级PWM变换器、后级PWM变换器的合转矩，J为虚拟惯性系数。

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