CN112886588B - 一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统。通过对并联岸电电源装置中输出电流电压值进行计算得到其各自的输出有功功率和无功功率，对并联电源装置进行下垂控制使其输出有功功率和无功功率均衡。随后，调节并联装置的输出电压相位并闭环控制输出装置的总无功功率，使负载功率逐渐转移至并联岸电电源装置。最后，当船舶发电机输出功率降低到设定值时，使船舶发电机退出运行。本发明方法使得岸电电源装置不仅可以主动转移船舶负载功率，也可保证并联的岸电电源装置输出功率均衡，同时无需增加额外硬件设备，可依靠软件实现，实现简单。

Description

一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统

技术领域

本发明涉及岸电电源装置控制技术领域，具体涉及一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统。

背景技术

船舶长时间停靠于码头港口进行作业时，往往依靠自身辅助发电机对船舶本地负载进行供电，而船舶运用自身辅助发电机发电时会对港口码头地区排放大量气体污染物，对环境产生较大影响。同时，船舶依靠自身发电机供电较港口市电供电的经济性较差，增加了船舶运营成本。

我国大陆地区供电电制为380V/50Hz，6kV/50Hz和10kV/50Hz等，而船舶常用的用电电制需求为450V/60Hz，6.6kV/60Hz等，因此无法直接使用我国标准市电向船舶负载供电，而岸电电源装置利用自身变压变频环节，可将市电输入转化为符合不同用电电制的输出电压，向靠岸船舶进行供电。同时，船舶内负载的需求功率愈发增加，单台岸电装置的输出功率无法满足大功率船舶的用电需求，因此，通过多机并联输出的方式来解决单一岸电电源装置输出功率有限的方式存在于越来越多的应用场景中。

多台岸电电源装置并联时，由于岸电设备之间的硬件参数细微差别、发波时序的不一致、电压电流采样的误差等原因，经常会导致岸电设备并联运行时出现输出功率不一致、设备之间出现环流等问题，会影响岸电装置的健康稳定运行，因此对并联岸电电源装置的并联运行有功功率和无功功率进行均衡是岸电装置并联运行的重点问题。

船舶侧与并联的岸电电源装置同期后，由于同期前为船舶发电机进行对船舶负载进行供电，往往需要人为操纵船舶侧发电机转速来进行负载功率由船舶侧发电机转移至岸电电源设备，需要船舶工作人员和码头工作人员协作进行，增加了岸电电源投运的复杂程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：负载功率由船舶侧发电机转移至多机并联岸电电源装置的过程需人工干预，增加了岸电电源的投运复杂度。目的在于，提供一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统，解决在多机并联岸电电源装置的有功功率和无功功率均衡的条件下，负载功率由船舶侧发电机向多机并联岸电电源装置进行自主转移的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，包括以下步骤：

步骤1：获取多机并联岸电电源装置中每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率；对所述有功功率和所述无功功率分别进行均衡处理，得到每一台岸电电源装置输出电压的中间角频率和中间幅值；

步骤2：获取船舶负载无功功率；根据所述船舶负载无功功率和每一台岸电电源装置的无功功率，获取转移控制补偿电压；根据所述转移控制补偿电压和所述中间幅值，获取每一台岸电电源装置的实际输出电压幅值；

步骤3：获取功率转移相角；根据所述中间角频率，获取每一台岸电电源装置输出电压的中间相位；根据所述功率转移相角和所述中间相位，获取每一台岸电电源装置的实际输出电压相角；

步骤4：对所述实际输出电压幅值和所述实际输出电压相角进行调制，获得每一台岸电电源装置的实际输出电压；所述实际输出电压用于控制多机并联岸电电源装置的总无功功率，实现船舶负载功率转移至多机并联岸电电源装置。

本发明一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，其发明点在于：(1)在多机并联岸电电源装置与船舶侧发电机同步之前，首先对多机并联岸电电源装置的有功功率和无功功率分别进行了下垂控制，使有功功率和无功功率达到均衡，从而避免因输出功率不一致影响岸电电源装置的健康稳定运行，无需对原有并联岸电电源装置添加额外的功率均衡硬件组件；(2)通过获取转移控制补偿电压来获取实际输出电压幅值，获取输出电压中间相位来获取装置实际输出电压相角，进而对实际输出电压幅值和实际输出电压相角进行调制来改变输出电压相位，同时闭环控制输出装置的总无功功率，使负载功率逐渐转移至并联岸电电源装置；控制方式简单，无需人工干预，也无需对船舶发电机和岸电电源装置之间增加功率转移所需要的额外硬件系统。

作为对本发明的进一步描述，

上述步骤1中，所述有功功率和无功功率的获取方法为：

分别对多机并联岸电电源装置中，每一台岸电电源装置输出端的瞬时相电压和瞬时相电流进行采样；

根据所述瞬时相电压和所述瞬时相电流，获取每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率；

上述步骤2中，所述获取船舶负载无功功率的方法为：

获取船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流；

根据所述船舶负载瞬时相电压和所述船舶负载瞬时相电流，获取船舶负载无功功率。

作为对本发明的进一步描述，

在获取每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率之前，分别对所述瞬时相电压和所述瞬时相电流进行滤波处理，得到低噪的瞬时相电压和低噪的瞬时相电流；

在获取船舶负载无功功率之前，分别对船舶负载瞬时相电压和所述船舶负载瞬时相电流进行滤波处理，得到低噪的船舶负载瞬时相电压和低噪的船舶负载瞬时相电流。

作为对本发明的进一步描述，对有功功率和无功功率分别进行均衡处理的方法为：

获取多机并联岸电电源装置的有功功率控制值和无功功率控制值；

根据所述有功功率控制值，对每一台岸电电源装置的有功功率进行下垂控制，根据所述无功功率控制值，对每一台岸电电源装置的无功功率进行下垂控制。

作为对本发明的进一步描述，功率转移相角的限定范围为[0，π/2]。

作为对本发明的进一步描述，

实际输出电压幅值的获取方法为：将所述转移控制补偿电压和所述中间幅值进行叠加；

实际输出电压相角的获取方法为：将所述功率转移相角与所述中间相位进行叠加。

一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移系统，包括：

功率获取模块，用于获取多机并联岸电电源装置中每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，以及船舶负载无功功率；

功率均衡处理模块，用于对每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率进行均衡处理；

补偿电压获取模块，用于计算转移控制补偿电压；

转移相角获取模块，用于计算功率转移相角；

中间相位获取模块，用于计算每一台岸电电源装置输出电压的中间相位；

电压幅值获取模块，用于计算每一台岸电电源装置的实际输出电压幅值；

电压相角获取模块，用于计算每一台岸电电源装置的实际输出电压相角；

输出电压获取模块，用于获得每一台岸电电源装置的实际输出电压。

作为对本发明的进一步描述，

上述功率获取模块，包括：

瞬时相电压获取单元，用于获取每一台岸电电源装置的瞬时相电压；

瞬时相电流获取单元，用于获取每一台岸电电源装置的瞬时相电流；

负载相电压获取单元，用于获取船舶负载瞬时相电压；

负载相电流获取单元，用于获取船舶负载瞬时相电流；

功率计算单元，用于根据获取的每一台岸电电源装置的瞬时相电压和瞬时相电流，计算每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，根据获取的船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流，计算船舶负载无功功率；

滤波单元，用于滤除每一台岸电电源装置的瞬时相电压和瞬时相电流，以及船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流的高频噪音信号。

上述功率均衡处理模块，包括：

功率控制值获取单元，用于计算根据每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，计算得到多机并联岸电电源装置的有功功率控制值和无功功率控制值；

下垂控制处理单元，用于针对每一台岸电电源装置，根据有功功率控制值，对有功功率进行下垂控制，根据无功功率控制值，对无功功率进行下垂控制。

作为对本发明的进一步描述，下垂控制处理单元，包括：

中间角频率计算子单元，用于计算每一个岸电电源装置输出电压的中间角频率；

中间幅值计算子单元，用于计算每一个岸电电源装置输出电压的中间幅值。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统，在并联岸电电源设备输出有功功率和无功功率均衡的前提下，可实现移船舶负载功率由船舶侧发电机自主转移至多机并联岸电电源装置；

2、本发明一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统，无需对原有并联岸电电源装置添加额外的功率均衡硬件组件，也无需对船舶侧发电机和岸电电源装置之间增加功率转移所需要的额外硬件系统；

3、本发明一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法及系统，控制简单，无需对船舶侧进行额外控制即可实现船舶负载功率由船舶侧发电机自主转移至多机并联岸电电源装置。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明实施例1的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法流程图。

图2为本发明实施例1的两级并联岸电电源装置与船舶侧发电机的同期操作示意图。

图3为本发明实施例1在MATLAB仿真环境下岸电电源装置输出有功功率和无功功率曲线。

图4为本发明实施例2的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移系统结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，通过对多机并联岸电电源装置中每一台岸电电源装置的输出电流和输出电压值进行计算，得到输出有功功率和无功功率，对每一台岸电电源电源装置进行下垂控制使其输出有功功率和无功功率均衡。随后，调节多机并联岸电电源装置的输出电压相位，并闭环控制输出装置的总无功功率，使负载功率逐渐转移至并联岸电电源装置。最后，当船舶发电机输出功率降低到设定值时，使船舶发电机退出运行。其具体方法流程参照图1。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤1：分别对多机并联岸电电源装置中，每一台岸电电源装置输出端的瞬时相电压和瞬时相电流进行采样。

针对采样得到的瞬时相电压和瞬时相电流，运用滤波公式分别进行滤波处理，滤除瞬时相电压中的高噪声信号，得到低噪声的瞬时相电压，记为v_x，滤除瞬时相电流中的高噪声信号，得到低噪声的瞬时相电流，记为i_x，其中，x＝1,2，…，N，N表示多机并联岸电电源装置中岸电电源装置的台数。

根据采样得到的低噪声的瞬时相电压v_x和低噪声的瞬时相电流i_x，利用瞬时功率计算公式，计算出每一台岸电电源装置的有功功率P_x和无功功率Q_x。

步骤2：根据上述有功功率P_x和无功功率Q_x，利用公式

分别计算出多机并联岸电电源装置的有功功率控制值P_ref和无功功率控制值Q_ref。

步骤3：利用有功功率和无功功率下垂公式

分别计算出多机并联岸电电源装置中每一台岸电电源装置输出电压的中间角频率ω_x和中间幅值U_x。式中，K_p,K_q为下垂控制调节系数，ω₁为并联岸电电源装置中第1台岸电电源装置的输出电压角频率给定值，U₁为并联岸电电源装置中第1台岸电电源装置的输出电压幅值给定值。

步骤4：采集船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流，运用滤波公式分别对采集到的船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流分别进行滤波处理，得到低噪声的船舶负载瞬时相电压v_load和低噪声的船舶负载瞬时相电流i_load。并利用瞬时功率计算公式计算出船舶负载无功功率Q_load。

步骤5：根据步骤1计算得到的每一台岸电电源装置的无功功率Q_x和步骤4计算得到的船舶负载无功功率Q_load，利用公式

计算出转移控制补偿电压ΔU_pt。式中，K_p,K_i为PI调节器比例系数与积分系数。

步骤6：根据步骤5中的转移控制补偿电压ΔU_pt和步骤3中每一台岸电电源装置输出电压的中间幅值U_x，利用公式U_{x_ref}＝U_x+ΔU_pt计算出每一台岸电电源装置的实际输出电压幅值U_{x_ref}。

步骤7：利用公式θ_pt＝K_pt·t求出功率转移相角θ_pt，其取值范围为[0,π/2]。

步骤8：对步骤3中每一台岸电电源装置输出电压的中间角频率ω_x积分，得到每一台岸电电源装置输出电压的中间相位θ_x。

步骤9：根据步骤7中的功率转移相角θ_pt和步骤8中的中间相位θ_x，利用公式θ_{x_ref}＝θ_x+θ_pt计算出每一台岸电电源装置的实际输出电压相角θ_{x_ref}。

步骤10：对实际输出电压幅值和实际输出电压相角进行调制，获得每一台岸电电源装置的实际输出电压。可根据该实际输出电压用于控制多机并联岸电电源装置的总无功功率，实现船舶负载功率从船舶侧发电机到多机并联岸电电源装置的自主转移。

当控制器判断船舶侧发电机输出功率低于设定值时，断开船舶侧发电机输出刀闸，使船舶发电机退出工作，此时船舶负载由岸电电源装置供电，达到了船舶负载功率自船舶发电机向岸电电源装置转移的目的。

根据图2所示两级并联岸电电源装置与船舶侧发电机的同期操作示意图，利用本实施例的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，选择电网频率为50Hz，电网线电压有效值为6000V，装置额定容量为1000kVA，载波频率为1kHz，装置输出电压为440V，装置输出电压频率为60Hz，船舶负载功率为800kVA，在MATLAB仿真环境下，对船舶负载功率从船舶侧发电机到多机并联岸电电源转置的转移进行仿真实验。如图所示，设置岸电电源装置2相较于岸电电源装置1的电压采样反馈值为0.95倍，调制发波环节相位超前π/3，以达到岸电电源装置1和岸电电源装置2并机出现不均衡有功功率和无功功率。随后对岸电电源装置自主控制船舶负载功率自船舶发电机向岸电电源装置转移的过程进行仿真。

如图3所示，并联岸电电源装置启动后，在0.05s时刻并联岸电电源装置1和岸电电源装置2；0.1s时刻，两级并联岸电电源装置与船舶侧同期，此时船舶侧负载由船舶侧发电机供电；0.2s时刻，投入本实施例所述的多机并联岸电电源装置的功率自主转移，开始进行岸电电源装置的功率转移，在该阶段中，岸电电源装置1和岸电电源装置2的输出功率逐渐增加，并且有功功率红外无功功率保持均衡；0.4s时刻，完成负载功率自船舶发电机向多机变脸岸电电压装置的功率转移过程，此时，船舶发电机脱开运行。

实施例2：

图4为本实施例一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移系统结构示意图。如图所示，该功率自主转移系统包括：

功率获取模块，用于获取多机并联岸电电源装置中每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，以及船舶负载无功功率；

功率均衡处理模块，用于对每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率进行均衡处理；

补偿电压获取模块，用于计算转移控制补偿电压；

转移相角获取模块，用于计算功率转移相角；

中间相位获取模块，用于计算每一台岸电电源装置输出电压的中间相位；

电压幅值获取模块，用于计算每一台岸电电源装置的实际输出电压幅值；

电压相角获取模块，用于计算每一台岸电电源装置的实际输出电压相角；

输出电压获取模块，用于获得每一台岸电电源装置的实际输出电压。

其中，

功率获取模块，包括：

瞬时相电压获取单元，用于获取每一台岸电电源装置的瞬时相电压；

瞬时相电流获取单元，用于获取每一台岸电电源装置的瞬时相电流；

负载相电压获取单元，用于获取船舶负载瞬时相电压；

负载相电流获取单元，用于获取船舶负载瞬时相电流；

功率计算单元，用于根据获取的每一台岸电电源装置的瞬时相电压和瞬时相电流，计算每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，根据获取的船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流，计算船舶负载无功功率；

滤波单元，用于滤除每一台岸电电源装置的瞬时相电压和瞬时相电流，以及船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流的高频噪音信号。

功率均衡处理模块，包括：

功率控制值获取单元，用于计算根据每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，计算得到多机并联岸电电源装置的有功功率控制值和无功功率控制值；

下垂控制处理单元，用于针对每一台岸电电源装置，根据有功功率控制值，对有功功率进行下垂控制，根据无功功率控制值，对无功功率进行下垂控制。

上述下垂控制处理单元，包括：

中间角频率计算子单元，用于计算每一个岸电电源装置输出电压的中间角频率；

中间幅值计算子单元，用于计算每一个岸电电源装置输出电压的中间幅值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取多机并联岸电电源装置中每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率；对所述有功功率和所述无功功率分别进行均衡处理，得到每一台岸电电源装置输出电压的中间角频率和中间幅值；

步骤2：获取船舶负载无功功率；根据所述船舶负载无功功率和每一台岸电电源装置的无功功率，获取转移控制补偿电压；根据所述转移控制补偿电压和所述中间幅值，获取每一台岸电电源装置的实际输出电压幅值；

步骤3：获取功率转移相角；根据所述中间角频率，获取每一台岸电电源装置输出电压的中间相位；根据所述功率转移相角和所述中间相位，获取每一台岸电电源装置的实际输出电压相角；

步骤4：对所述实际输出电压幅值和所述实际输出电压相角进行调制，获得每一台岸电电源装置的实际输出电压；所述实际输出电压用于控制多机并联岸电电源装置的总无功功率，实现船舶负载功率转移至多机并联岸电电源装置。

2.根据权利要求1所述的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，其特征在于，所述步骤1中，所述有功功率和无功功率的获取方法为：

分别对多机并联岸电电源装置中，每一台岸电电源装置输出端的瞬时相电压和瞬时相电流进行采样；

根据所述瞬时相电压和所述瞬时相电流，获取每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率；

所述步骤2中，所述获取船舶负载无功功率的方法为：

获取船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流；

根据所述船舶负载瞬时相电压和所述船舶负载瞬时相电流，获取船舶负载无功功率。

3.根据权利要求2所述的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，其特征在于，

在获取每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率之前，分别对所述瞬时相电压和所述瞬时相电流进行滤波处理，得到低噪的瞬时相电压和低噪的瞬时相电流；

在获取船舶负载无功功率之前，分别对船舶负载瞬时相电压和所述船舶负载瞬时相电流进行滤波处理，得到低噪的船舶负载瞬时相电压和低噪的船舶负载瞬时相电流。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，其特征在于，对所述有功功率和所述无功功率分别进行均衡处理的方法为：

获取多机并联岸电电源装置的有功功率控制值和无功功率控制值；

根据所述有功功率控制值，对每一台岸电电源装置的有功功率进行下垂控制，根据所述无功功率控制值，对每一台岸电电源装置的无功功率进行下垂控制。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，其特征在于，所述功率转移相角的限定范围为[0，π/2]。

6.根据权利要求4所述的一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移方法，其特征在于，

所述实际输出电压幅值的获取方法为：将所述转移控制补偿电压和所述中间幅值进行叠加；

所述实际输出电压相角的获取方法为：将所述功率转移相角与所述中间相位进行叠加。

7.一种多机并联岸电电源装置的功率自主转移系统，其特征在于，包括：

功率获取模块，用于获取多机并联岸电电源装置中每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，以及船舶负载无功功率；

功率均衡处理模块，用于对每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率进行均衡处理；

补偿电压获取模块，用于计算转移控制补偿电压；

转移相角获取模块，用于计算功率转移相角；

中间相位获取模块，用于计算每一台岸电电源装置输出电压的中间相位；

电压幅值获取模块，用于计算每一台岸电电源装置的实际输出电压幅值；

电压相角获取模块，用于计算每一台岸电电源装置的实际输出电压相角；

输出电压获取模块，用于获得每一台岸电电源装置的实际输出电压；

所述功率获取模块，包括：

瞬时相电压获取单元，用于获取每一台岸电电源装置的瞬时相电压；

瞬时相电流获取单元，用于获取每一台岸电电源装置的瞬时相电流；

负载相电压获取单元，用于获取船舶负载瞬时相电压；

负载相电流获取单元，用于获取船舶负载瞬时相电流；

功率计算单元，用于根据获取的每一台岸电电源装置的瞬时相电压和瞬时相电流，计算每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，根据获取的船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流，计算船舶负载无功功率；

滤波单元，用于滤除每一台岸电电源装置的瞬时相电压和瞬时相电流，以及船舶负载瞬时相电压和船舶负载瞬时相电流的高频噪音信号；

所述功率均衡处理模块，包括：

功率控制值获取单元，用于计算根据每一台岸电电源装置的有功功率和无功功率，计算得到多机并联岸电电源装置的有功功率控制值和无功功率控制值；

下垂控制处理单元，用于针对每一台岸电电源装置，根据有功功率控制值，对有功功率进行下垂控制，根据无功功率控制值，对无功功率进行下垂控制；

所述下垂控制处理单元，包括：

中间角频率计算子单元，用于计算每一个岸电电源装置输出电压的中间角频率；

中间幅值计算子单元，用于计算每一个岸电电源装置输出电压的中间幅值。

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