CN113224768B - 一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法及系统 - Google Patents

一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法及系统，其技术方案要点是该控制方法采集隔离变压器原边三相电流和隔离变压器副边输出三相电压；通过三相锁相环获得输出电压的电角度；使用电角度将三相电压电流进行park变换，并标幺处理；使用PI控制器对电压进行控制；根据实验方法获取电压补偿系数k1，使用电流补偿控制策略，可有效抑制因冲击性负载投入造成的电压跌落。本发明能有效提高岸电电源供电质量、控制精度高、成本低以及开发方便的优势。

Description

一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法及系统
技术领域
本发明涉及输出电压得控制领域，更具体地说，它涉及一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法及系统。
背景技术
随着全球一体化进程的加快，现代船运事业进入了蓬勃发展的阶段，各大港口随时都有大量的船舶停靠。然而，现代船舶的船上电力设备供电主要由船上柴油发电机提供，随着靠港船舶的逐渐增多，大量的柴油发电机组同时工作就对港口城市造成了非常严重的空气污染。因此，岸电电源技术应运而生，其使用港口电网作为供电，将其变换为可供船舶直接取用的电能输出，可使船舶在港口停靠时停止船上柴油发电机运行，转而使用岸电电源作为供电电源。此举可有效降低港口的空气污染，既能减少化石能源的消耗，也能对岸上电网的富余电能进行消纳。
岸电电源已成为各大港口的重要辅助设备。由于船上往往存在较多的冲击性负载，如压舱泵、起重机等，其使用各种大功率电机进行工作，又缺乏相应的驱动设备，多为直接启动方式，在启动阶段将会产生较大的启动电流，多为其额定电流的5～7倍。当多台此类设备同时启动时，这对岸电电源将是一个巨大的考验。在此类情况下，岸电电源很可能给会出现输出电压降低的情况。严重时将会触发船上的欠压保护设备，断开岸电电源供电。由于船上的供电不能中断，否则将会造成严重的经济损失。因此，保证岸电电源在冲击性负载投入的情况下仍能具有较好的输出电压，这是一个重要的研究课题。若能使岸电电源在船舶投入大功率冲击性负载的情况下，仍能维持稳定的电压输出，保证供电电能质量，这对岸电电源更加广泛的投入使用和国家节能减排的战略具有非常重要的意义。
因此，如何研究设计一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法及系统是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法及系统，解决了岸电电源在船舶投入大功率冲击性负载的情况下，仍能维持稳定的电压输出，保证供电电能质量。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法，包括以下步骤：
S1：获取与岸电电源连接的隔离变压器的副边输出三相端电压Uabc以及原边三相电流Iabc；
S2：使用三相锁相环对Uabc进行锁相，获得输出电压的电角度θ；
S3：使用电角度θ将Uabc进行park变换，再按额定电压对其进行标幺计算，获得d轴的标幺输出电压Ud *以及q轴的标幺输出电压Uq *；
使用电角度θ将Iabc进行park变换，再按额定电流对其进行标幺计算，获得d轴的标幺输出电流Id *以及q轴的标幺输出电流Iq *；
S4：对d轴的输出电压Ud *以及q轴的输出电压Uq *进行PI控制计算，获得d轴的控制输出Ud-pi *以及q轴的控制输出Uq-pi *；
S5：根据输出电流Id *以及输出电流Iq *，获得输出电流瞬时标幺峰值Iamp *；
S6：根据电流的大小对冲击性负载造成的电压降落进行补偿，获得d轴输出电压补偿值Ud-I *；
S7：将输出电压补偿值Ud-I *与d轴的控制输出Ud-pi *相加，获得d轴输出控制量Ud-out *，再将Ud-out *与Ud-pi *进行反park变换，获得输出调制波；
S8：将输出调制波输入SPWM调制模块进行调制，获得岸电电源开关管控制脉冲输出。
进一步的，所述d轴控制输出Ud-pi *的计算过程具体为：Ud-pi *＝(Ud-ref *-Ud *)(kp+kis，所述q轴控制输出Uq-pi*的计算过程具体为：Uq-pi*＝Uq-ref*-Uq*kp+kis；其中，kp、ki为PI控制器控制参数，Ud-ref *、Uq-ref *为设置的d轴和q轴电压参考值。
进一步的，所述输出电流瞬时标幺峰值Iamp *的计算过程具体为：
Figure BDA0003099760110000021
其中，Id *为电流d轴的标幺输出电流，Iq *为电流q轴的标幺输出电流。
进一步的，所述d轴输出电压补偿值Ud-I *的计算过程具体为：Ud-I *＝Iamp **k1，其中，k1为电压补偿系数。
进一步的，所述电压补偿系数k1根据实验方法得出准确数值，包括以下步骤：
S21:根据岸电的容量段，准备一台异步电机，为防止过流，该异步电机直接启动时电流峰值应略小于岸电电源的额定电流峰值；
S22：实验开始前，将电压补偿系数k1设置为零；
S23：实验开始后，启动岸电电源，当输出电压稳定后，采用直接启动的方式启动异步电动机：
S24：记录异步电机直接启动后岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1以及岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak；
S25：将岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1进行标幺计算获得标幺值U1-pu，将岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak进行标幺计算获得标幺值Ipeak-pu；
S26：根据U1-pu以及Ipeak-pu计算出电压补偿控制系数k1；
S27：将电压补偿控制系数k1设置进控制程序中，重复S23～S24步的实验步骤，在此期间可对电压补偿控制系数k1的大小进行微调，直到满足岸电电源的输出电压的输出要求为止。
进一步的，所述电压补偿控制系数k1的计算过程具体为：k1＝U1-pu/Upeak-pu，其中，U1-pu为岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1的标幺值，Ipeak-pu为岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak的标幺值。
进一步的，一种抗冲击性负载的岸电电源控制系统，包括：
传感器模块：用于获取岸电电源的隔离变压器的副边三相端电压Uabc以及原边三相电流Iabc；
三相锁相环模块：用于获得输出电压的电角度θ；
PI控制模块：用于获得d轴以及q轴的控制输出Ud-pi *与Uq-pi *；
SPWM调制模块：用于将输出调制波调制，获得岸电电源开关管控制脉冲输出。
进一步的，所述传感器模块包括电压传感器模块以及电流传感器模块，所述电压传感器模块用于获取三相端电压Uabc，所述电流传感器模块用于获取三相电流Iabc。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明可在船舶投入大功率冲击性负载的时，在不超过岸电电源最大输出电流的前提下，仍旧保持稳定的电压输出，有效提高岸电电源供电质量，为船舶负载的安全运行提供支撑；
2、本发明使用park变换获得输出电流的瞬时有效值，可有效提高电压控制精度；
3、本发明的控制结构简单，使用纯软件的方法进行开发，无需增加额外的硬件结构，具有节约成本，开发方便的优势。
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为本发明控制方法的原理框图；
图2为本发明岸电电源以及冲击性负载电路结构示意图；
图3为未使用本发明前的岸电电源输出电压波形图；
图4为使用本发明后的岸电电源输出电压波形图。
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。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取与岸电电源连接的隔离变压器的原边输出三相端电压Uabc以及原边三相电流Iabc；
S2：使用三相锁相环对Uabc进行锁相，获得输出电压的电角度θ；
S3：使用电角度θ将Uabc进行park变换，再按额定电压对其进行标幺计算，获得d轴的标幺输出电压Ud *以及q轴的标幺输出电压Uq *；
使用电角度θ将Iabc进行park变换，再按额定电流对其进行标幺计算，获得d轴的标幺输出电流Id *以及q轴的标幺输出电流Iq *；
S4：对d轴的输出电压Ud *以及q轴的输出电压Uq *进行PI控制计算，获得d轴的控制输出Ud-pi *以及q轴的控制输出Uq-pi *；
S5：根据输出电流Id *以及输出电流Iq *，获得输出电流瞬时标幺峰值Iamp *；
S6：根据电流的大小对冲击性负载造成的电压降落进行补偿，并计算出d轴输出电压补偿值Ud-I *；
S7：将输出电压补偿值Ud-I *与d轴的控制输出Ud-pi *相加，获得d轴输出控制量Ud-out *，再将Ud-out *与Ud-pi *进行反park变换，获得输出调制波；
S8：将输出调制波输入SPWM调制模块进行调制，获得岸电电源开关管控制脉冲输出。
通过获取岸电电源的三相端电压以及三相端电流；使用三相锁相环获得三相端电压的电角度；根据电角度通过park变换对三相端电压以及三相端电流进行变换，在对变换后的电压以及电流按额定电压以及额定电流进行标幺计算，获得d轴以及q轴的标幺输出电压以及标幺输出电流；通过PI控制器对d轴以及q轴的标幺输出电压进行计算，得到d轴以及q轴的控制输出；根据d轴以及q轴的标幺输出电流，由公式计算出输出电流瞬时标幺峰值；根据电流的大小对冲击性负载造成的电压降落进行补偿，并计算出d轴输出电压补偿值；
将输出电压补偿值与d轴的控制输出相加，获得d轴输出控制量，再将其进行反park变换，获得输出调制波；最后将输出调制波输入SPWM调制模块进行调制，获得岸电电源开关管控制脉冲输出。
d轴控制输出Ud-pi *的计算过程具体为：
Figure BDA0003099760110000051
所述q轴控制输出Uq-pi *的计算过程具体为：
Figure BDA0003099760110000052
其中，kp、ki为PI控制器控制参数，Ud-ref *、Uq-ref *为设置的d轴和q轴电压参考值。
输出电流瞬时标幺峰值Iamp *的计算过程具体为：
Figure BDA0003099760110000053
其中，Id *为电流d轴的标幺输出电流，Iq *为电流q轴的标幺输出电流。
d轴输出电压补偿值Ud-I *的计算过程具体为：Ud-I *＝Iamp **k1，其中，k1为电压补偿系数。
电压补偿系数k1根据实验方法得出准确数值，包括以下步骤：
S21:根据岸电的容量段，准备一台异步电机，为防止过流，该异步电机直接启动时电流峰值应略小于岸电电源的额定电流峰值；
S22：实验开始前，将电压补偿系数k1设置为零；
S23：实验开始后，启动岸电电源，当输出电压稳定后，采用直接启动的方式启动异步电动机：
S24：记录异步电机直接启动后岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1以及岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak；
S25：将岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1进行标幺计算获得标幺值U1-pu，将岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak进行标幺计算获得标幺值Ipeak-pu；
S26：根据U1-pu以及Ipeak-pu计算出电压补偿控制系数k1；
S27：将电压补偿控制系数k1设置进控制程序中，重复S23～S24步的实验步骤，在此期间可对电压补偿控制系数k1的大小进行微调，直到满足岸电电源的输出电压的输出要求为止。
通过实验方案得出电压补偿系数，根据电流的大小对降落的电压进行通过电压补偿系数进行补偿。
电压补偿控制系数k1的计算过程具体为：k1＝U1-pu/Upeak-pu，其中，U1-pu为岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1的标幺值，Ipeak-pu为岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak的标幺值。
一种抗冲击性负载的岸电电源控制系统，包括：
传感器模块：用于获取岸电电源的隔离变压器的副边三相端电压Uabc以及原边三相电流Iabc；
三相锁相环模块：用于获得输出电压的电角度θ；
PI控制模块：用于获得d轴以及q轴的控制输出Ud-pi *与Uq-pi *；
SPWM调制模块：用于将输出调制波调制，获得岸电电源开关管控制脉冲输出。
传感器模块包括电压传感器模块以及电流传感器模块，电压传感器模块用于获取三相端电压Uabc，电流传感器模块用于获取三相电流Iabc。
为了方便说明本发明实现具体效果，以岸电电源及冲击性负载电路结构为例，如图2所示，首先对不使用本发明的控制方法原理和技术特征，采用现有技术对岸电电源投入冲击性负载的情况进行仿真，仿真结果如下：
如图3所示，可见在0.4s时刻，150kW的异步电机直启，输出电流幅值瞬间高达约2000A，输出电压瞬时有效值从440V跌落至约355V，跌落值为85V。按照电网电压10％的跌落标准，该值已达到19.3％，远远超出允许的跌落范围。且在1.04s时输出电压有效值才逐渐恢复至额定输出，续时间约为0.6s。该持续时间与电机机械特性有关，在真实情况下，往往电机的启动时间在几秒～十几秒之间，电压跌落时间将会增加。可见，在使用岸电电源使用传统控制策略工作，投入大功率冲击性负载后，电压将出现时间较长、幅值较大电压跌落。
同样的仿真条件下，采用本发明的控制方法原理以及技术特征，设计抗冲击性负载的岸电电源控制策略的控制软件和算法，对岸电电源投入冲击性负载的情况进行仿真，仿真结果如下：
如图4所示，可见在0.4s时刻，150kW的异步电机直启，输出电压有效值跌落到约405V，跌落值为35V，符合电网电压跌落标准。此时输出电流由于电压跌落较少的原因，幅值达到约2100A。此外，从电压跌落到恢复至额定电压的时间约为0.0167s，持续时间较为短暂，可见使用本发明方法原理和技术特征后，岸电电源抗冲击性负载的能力得到了加强。还可见跌落到35V的持续时间非常短暂，约为1/10电网电压周期的时间，其余时间电压跌落维持在10V以内。
综上所述采用本发明的控制方法对岸电电源的输出电压的跌落反应及时，调节迅速。
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)

1.一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取与岸电电源连接的隔离变压器的副边输出三相端电压Uabc以及原边三相电流Iabc；
S2：使用三相锁相环对Uabc进行锁相，获得输出电压的电角度θ；
S3：使用电角度θ将Uabc进行park变换，再按额定电压对其进行标幺计算，获得d轴的标幺输出电压Ud *以及q轴的标幺输出电压Uq *；
使用电角度θ将Iabc进行park变换，再按额定电流对其进行标幺计算，获得d轴的标幺输出电流Id *以及q轴的标幺输出电流Iq *；
S4：对d轴的输出电压Ud *以及q轴的输出电压Uq *进行PI控制计算，获得d轴的控制输出Ud-pi *以及q轴的控制输出Uq-pi *；
S5：根据输出电流Id *以及输出电流Iq *，获得输出电流瞬时标幺峰值Iamp *；
S6：根据电流的大小对冲击性负载造成的电压降落进行补偿，获得d轴输出电压补偿值Ud-I *，所述d轴输出电压补偿值Ud-I *的计算过程具体为：Ud-I *＝Iamp **k1，其中，k1为电压补偿系数；
S7：将输出电压补偿值Ud-I *与d轴的控制输出Ud-pi *相加，获得d轴输出控制量Ud-out *，再将Ud-out *与Ud-pi *进行反park变换，获得输出调制波；
S8：将输出调制波输入SPWM调制模块进行调制，获得岸电电源开关管控制脉冲输出。
2.根据权利要求1所述的一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法，其特征在于，所述d轴控制输出Ud-pi *的计算过程具体为：
Figure FDA0003685399670000011
所述q轴控制输出Uq-pi *的计算过程具体为：
Figure FDA0003685399670000012
其中，kp、ki为PI控制器控制参数，Ud-ref *、Uq-ref *为设置的d轴和q轴电压参考值。
3.根据权利要求1所述的一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法，其特征在于，所述输出电流瞬时标幺峰值Iamp *的计算过程具体为：
Figure FDA0003685399670000013
其中，Id *为电流d轴的标幺输出电流，Iq *为电流q轴的标幺输出电流。
4.根据权利要求1所述的一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法，其特征在于，所述电压补偿系数k1根据实验方法得出准确数值，包括以下步骤：
S21：根据岸电的容量段，准备一台异步电机，为防止过流，该异步电机直接启动时电流峰值应略小于岸电电源的额定电流峰值；
S22：实验开始前，将电压补偿系数k1设置为零；
S23：实验开始后，启动岸电电源，当输出电压稳定后，采用直接启动的方式启动异步电动机：
S24：记录异步电机直接启动后岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1以及岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak；
S25：将岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1进行标幺计算获得标幺值U1-pu，将岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak进行标幺计算获得标幺值Ipeak-pu；
S26：根据U1-pu以及Ipeak-pu计算出电压补偿控制系数k1；
S27：将电压补偿控制系数k1设置进控制程序中，重复S23～S24步的实验步骤，在此期间对电压补偿控制系数k1的大小进行微调，直到满足岸电电源的输出电压的输出要求为止。
5.根据权利要求4所述的一种抗冲击性负载的岸电电源控制方法，其特征在于，所述电压补偿控制系数k1的计算过程具体为：k1＝U1-pu/Upeak-pu，其中，U1-pu为岸电电源输出电压的最大瞬时跌落值U1的标幺值，Ipeak-pu为岸电电源的瞬时输出电流峰值Ipeak的标幺值。
6.一种用于实现如权利要求1至5任一所述的控制方法的抗冲击性负载的岸电电源控制系统，其特征在于，包括：
传感器模块：用于获取岸电电源的隔离变压器的副边三相端电压Uabc以及原边三相电流Iabc；
三相锁相环模块：用于获得输出电压的电角度θ；
PI控制模块：用于获得d轴以及q轴的控制输出Ud-pi *与Uq-pi *；
SPWM调制模块：用于将输出调制波进行调制，获得岸电电源开关管控制脉冲输出。
7.根据权利要求6所述的一种抗冲击性负载的岸电电源控制系统，其特征在于，所述传感器模块包括电压传感器模块以及电流传感器模块；
所述电压传感器模块用于获取三相端电压Uabc，所述电流传感器模块用于获取三相电流Iabc。
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