CN112968443B - 一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种岸电电源装置的逆功率抑制及控制方法，属于高压电力电子电源装置的控制技术领域。在岸电电源装置和船舶辅机同期的情况下，首先获取岸电电源装置三相H桥级联直流母线信号，求取直流母线的平均值。根据给定的直流母线抑制电压给定值，通过闭环和调节器计算出输出电压相位补偿值，随即将该相位补偿值叠加至当前岸电电源装置输出电压相位。最后，通过装置控制器中的调制模块改变输出电压相位角度，完成岸电电源装置的逆功率抑制及控制的过程。本发明方法不涉及对装置的硬件拓扑更改、依靠软件实现，其算法简单、效果明显，有利于工程应用和推广。

Description

一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种岸电电源装置控制技术，具体涉及一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统。

背景技术

以往，船舶长时间停靠港口码头时，通常只能使用船舶自身的辅助发电机向船舶本地负载进行电力供给。船舶依靠自身辅助发电机提供电能不仅使船舶用电成本上升，而且，船舶辅助发电机燃烧化石能源对港口码头排放大量有害气体和二氧化碳，对港口码头的环境造成危害。

在船舶靠岸用电经济性和港口码头环境要求的双重需求下，岸电电源装置及其相关技术应运而生。由于世界各地不同地区所建造的船舶规格不同，船舶负载额定频率分为60Hz或50Hz两种，电压等级为6.6kV或0.45kV等，而我国沿海地区高压电网为6kV/50Hz或10kV/50Hz，无法直接对船舶进行供电。此时，可以依靠岸电电源装置进行供电，其基本工作原理是将港口码头的市电高压电网通过装置经过变压变频环节，向不同船舶提供合适其供电电制的电源。

船舶靠岸后，需要在不断电的前提下，从自身辅机供电切换至岸电电源装置供电。因此，在切换过程中，一般通过船侧同期装置，在船舶辅助发电机输出电压的幅值、相位和频率与岸电电源装置输出电压的幅值、相位和频率一致时，对两者电源进行同期操作。随后，通过逐步降低船侧辅助发电机的转速，实现船舶侧辅助发电机功率向岸电电源装置进行转移，直至完全由岸电电源装置进行供电。

然而，在上述同期过程中，由于同期装置本身同期时刻的不精确或者在同期之后船舶辅助发电机自身输出电压出现的幅值、相位和频率的波动，会导致船舶辅助发电机输出的有功功率向岸电电源装置转移，即出现逆功率现象。由于本发明所述岸电电源装置无四象限运行能力，逆功率现象会导致岸电电源装置出现直流母线上升至其保护点造成宕机，甚至对器件造成不可逆损坏。

因此，对岸电电源装置的逆功率现象进行抑制和控制是必不可少的，对岸电电源装置的稳定输出和船舶功率切换有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：在岸电电源装置和船舶侧辅机进行电源同期操作过程中，会出现逆功率现象，导致岸电电源装置出现直流母线上升至其保护点造成宕机，甚至对器件造成不可逆损坏。目的在于，提供一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统，解决因逆功率现象损坏岸电电源装置的问题，从而保证岸电电源装置与船舶侧辅机同期后，船舶侧辅机输出功率不转移至岸电电源装置，保证岸电电源装置的稳定运行。

本发明通过下述技术方案实现：

一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统，包括以下步骤：

步骤1：采集岸电电源装置中三相级联H桥单元中各自单元的直流母线电压；

步骤2：获取三相直流母线电压的平均电压；

步骤3：根据平均电压获取岸电电源装置的输出电压相角补偿值；

步骤4：获取岸电电源装置的当前输出电压相角，根据当前输出电压相角和输出电压相角补偿值，得到岸电电源装置的实际输出电压相角；

步骤5：将实际输出电压相角用于调制，得到岸电电源装置的实际输出电压相位，从而改变岸电电源装置输出电压与船舶辅机输出电压的相位差，达到改变功率流向的目的，即抑制了逆功率现象的发生。

本发明与现有技术相比，其发明点在于，根据岸电电源装置中控制系统的控制电压，通过获取输出电压相角补偿值，用该输出电压相角补偿值来改变岸电电源装置的当前输出电压相角的大小，得到实际输出电压相角，并对该实际输出电压相角进行调制，以此改变岸电电源装置输出电压的相位，从而改变岸电电源装置输出电压与船舶辅机输出电压的相位差，达到改变功率流向的目的，实现有效抑制逆功率现象的发生。且该方法无需对岸电电源装置进行额外电路拓扑改造。

作为对本发明的进一步描述，上述步骤1具体为：分别对岸电电源装置中a相、b相和c相H桥级联单元中的任意一级直流母线电压进行采样。

作为对本发明的进一步改进，在步骤2之前，对三相直流母线电压进行滤波处理，滤除其中高频噪声信号，得到低噪声的三相直流母线电压。

作为对本发明的进一步描述，上述步骤3具体为：将直流母线控制电压和PI调节器形成的线性控制量为参数，建立以平均电压为自变量，以输出电压相角补偿值为因变量的相角补偿模型，根据相角补偿模型获取岸电电源装置的输出电压相角补偿值。

作为对本发明的进一步描述，上述步骤4具体为：获取岸电电源装置的当前输出电压相角，将输出电压相角补偿值与当前输出电压相角进行叠加，得到岸电电源装置的实际输出电压相角。

作为对本发明的进一步描述，输出电压相角补偿值限定范围为[0，π/2]，实际输出电压相角的限定范围为[0，2π]。

一种岸电电源装置的逆功率抑制系统，包括：

电压采集模块，采集岸电电源装置中三相级联H桥单元中各自单元的直流母线电压；

数据处理模块，用于计算三相直流母线电压平均值、输出电压相角补偿值和实际输出电压相角；

数据输出模块，用于将实际输出电压相角传递给岸电电源控制系统中的调整单元，该调制单元用于对实际输出电压相角进行调制，得到岸电电源装置的实际输出电压相位。

作为对本发明的进一步描述，该逆功率抑制系统还包括滤波处理模块，用于对三相直流母线电压进行滤波处理，得到低噪声的三相直流母线电压。

作为对本发明的进一步描述，上述数据处理模块包括：

电压均值计算单元：用于计算获得三相直流母线电压平均值；

相角补偿计算单元：用于根据平均电压和直流母线电压控制值，获取岸电电源装置的输出电压相角补偿值；

相位角度叠加单元：用于将输出电压相角补偿值叠加至当前输出电压相角，得到实际输出电压相角。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统，可对当岸电电源装置与船舶辅机并机后的逆功率进行有效控制，有效限制岸电电源装置中级联H桥单元中直流母线电压升高，保护岸电电源装置的器件安全和维持岸电电源装置的稳定运行；

2、本发明一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统，无需对岸电电源装置进行额外电路拓扑改造，可快速对逆功率现象进行抑制；

3、本发明一种岸电电源装置的逆功率抑制方法及系统，控制简单，无需对装置输出功率进行解算，可直接对岸电电源装置的级联H桥单元直流母线电压进行控制，效果直接。

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的一种岸电电源装置的逆功率抑制方法流程图。

图2为本发明实施例1的岸电电源装置系统结构及电源同期操作原理示意图。

图3为本发明实施例2的一种岸电电源装置的逆功率抑制系统框架图。

图4为MATLAB仿真环境下的逆功率抑制效果图。

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：

图1为本发明一种岸电电源装置的逆功率抑制方法流程图。如图所示，该岸电电源装置的逆功率抑制方法包括以下5个步骤：

步骤1：从岸电电源装置控制系统的电压传感器中，分别采对岸电电源装置中a相、b相和c相H桥级联单元中的任意一级直流母线电压进行采样，得到岸电电源装置的三相直流母线电压v_{dc_a}、v_{dc_b}和v_{dc_c}，并对采样得当的v_{dc_a}、v_{dc_b}和v_{dc_c}利用滤波公式分别进行滤波处理，滤除其中高频噪声信号，得到低噪声的三相直流母线电压。

步骤2：针对v_{dc_a}、v_{dc_b}和v_{dc_c}求出它们的电压平均值v_{dc_avg}；

步骤3：根据步骤2求得的三相直流母线电压的电压平均值v_{dc_avg}，将直流母线控制电压和PI调节器形成的线性控制量为参数，建立以电压平均值v_{dc_avg}为输入量，以输出电压相角补偿值θ_add为输出量的相角补偿模型

式中，V_{dc_ref}为岸电电源装置H桥单元直流母线电压的限定值，K_p表示PI调节器比例系数，K_i表示PI调节器积分系数。

步骤4：获取岸电电源装置的当前输出电压相角θ，将输出电压相角补偿值θ_add与当前输出电压相角θ进行叠加，得到岸电电源装置的实际输出电压相角θ_out，即θ_out＝θ+θ_add。

需说明的是，上述输出电压相角补偿值θ_add的限定范围为[0，π/2]，实际输出电压相角θ_out的限定范围为[0，2π]。

步骤5：将实际输出电压相角用于调制，得到岸电电源装置的实际输出电压相位，从而改变岸电电源装置输出电压与船舶辅机输出电压的相位差，达到改变功率流向的目的，即抑制了逆功率现象的发生。

根据图2所示的岸电电源装置系统结构及电源同期操作原理示意图，利用本实施例的一种岸电电源装置的逆功率抑制方法，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6600V，装置输出电压频率为60Hz，船舶负载功率为1000kVA，在MATLAB仿真环境下，对岸电电源装置在与船舶辅机并机后的逆功率进行仿真实验。

如图4所示，岸电电源装置启动后，0.2s时刻船舶负载侧与岸电电源装置同期，人为制造船舶辅机输出电压幅值、相位与岸电电源装置输出电压幅值、相位不一致，此时出现了船舶辅机功率向岸电电源装置流动，即逆功率现象。0.2s后出现装置H桥级联单元直流母线电压升高。在0.3s时刻投入本发明专利所述控制方法，设定直流母线控制给定值970V，0.3s时刻以后岸电电源装置H桥级联单元直流母线开始停止上升并逐渐收拢至控制给定值970V附近。仿真结果说明了采用本发明专利的方法，当岸电电源装置与船舶辅机同期后，由于同期装置同期的不准确或船舶辅机输出电压波动时，可对船舶辅机向岸电电源装置流入的逆功率进行抑制。

实施例2：

图3为本发明实施例2的一种岸电电源装置的逆功率抑制系统框架图。如图所示：

一种岸电电源装置的逆功率抑制系统，包括：

电压采集模块，采集岸电电源装置中三相级联H桥单元中各自单元的直流母线电压；

数据处理模块，用于计算三相直流母线电压平均值、输出电压相角补偿值和实际输出电压相角；

数据输出模块，用于将实际输出电压相角传递给岸电电源控制系统中的调整单元，该调制单元用于对实际输出电压相角进行调制，得到岸电电源装置的实际输出电压相位。

作为对本发明的进一步描述，该逆功率抑制系统还包括滤波处理模块，用于对三相直流母线电压进行滤波处理，得到低噪声的三相直流母线电压。

作为对本发明的进一步描述，上述数据处理模块包括：

电压均值计算单元：用于计算获得三相直流母线电压平均值；

相角补偿计算单元：用于根据平均电压和直流母线电压控制值，获取岸电电源装置的输出电压相角补偿值；

相位角度叠加单元：用于将输出电压相角补偿值叠加至当前输出电压相角，得到实际输出电压相角。

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)

1.一种岸电电源装置的逆功率抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：采集岸电电源装置中三相级联H桥单元中各自单元的直流母线电压 ；

步骤2：获取所述三相直流母线电压的平均电压；

步骤3：将直流母线控制电压和PI调节器形成的线性控制量为参数，建立以所述平均电压为自变量，以输出电压相角补偿值为因变量的相角补偿模型，根据所述相角补偿模型获取岸电电源装置的输出电压相角补偿值；

步骤4：获取岸电电源装置的当前输出电压相角，根据所述当前输出电压相角和所述输出电压相角补偿值，得到岸电电源装置的实际输出电压相角；

步骤5：将实际输出电压相角用于调制，得到岸电电源装置的实际输出电压相位；所述实际输出电压相位用于改变岸电电源装置输出电压与船舶辅机输出电压的相位差，抑制逆功率。

2.根据权利要求1所述的一种岸电电源装置的逆功率抑制方法 ，其特征在于，所述步骤1具体为：分别对岸电电源装置中a相、b相和c相H桥级联单元中的任意一级直流母线电压进行采样。

3.根据权利要求1或2所述的一种岸电电源装置的逆功率抑制方法，其特征在于，在所述步骤2之前，对所述三相直流母线电压进行滤波处理，得到低噪声的三相直流母线电压。

4.根据权利要求1或2所述的一种岸电电源装置的逆功率抑制方法，其特征在于，所述步骤4具体为：获取岸电电源装置的当前输出电压相角，将所述输出电压相角补偿值与所述当前输出电压相角进行叠加，得到岸电电源装置的实际输出电压相角。

5.根据权利要求1或2所述的一种岸电电源装置的逆功率抑制方法，其特征在于，所述输出电压相角补偿值限定范围为[0，π/2]，所述实际输出电压相角的限定范围为[0，2π]。

6.一种岸电电源装置的逆功率抑制系统，其特征在于，包括：

电压采集模块，用于采集岸电电源装置中三相级联H桥单元中各自单元的直流母线电压；

数据处理模块，用于计算三相直流母线电压平均值、输出电压相角补偿值和实际输出电压相角；

数据输出模块，用于将所述实际输出电压相角传递给岸电电源控制系统中的调制单元，所述调制单元用于对实际输出电压相角进行调制，得到岸电电源装置的实际输出电压相位；

所述数据处理模块包括：

电压均值计算单元：用于计算获得三相直流母线电压平均值；

相角补偿计算单元：将直流母线控制电压和PI调节器形成的线性控制量为参数，建立以所述三相直流母线电压平均值为自变量，以输出电压相角补偿值为因变量的相角补偿模型，根据所述相角补偿模型获取岸电电源装置的输出电压相角补偿值；

相位角度叠加单元：用于将输出电压相角补偿值叠加至当前输出电压相角，得到实际输出电压相角。

7.根据权利要求6所述的一种岸电电源装置的逆功率抑制系统，其特征在于，包括滤波处理模块，用于对所述三相直流母线电压进行滤波处理，得到低噪声的三相直流母线电压。

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