CN113328445A - 抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及船舶发电机性技术领域，尤其涉及抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置，主要构成包含以下方面：船舶电励磁同步发电机、船舶电力负荷、励磁设备、机端电压电流检测、PWM逆变器、双向直流变换电路、超级电容储能单元、励磁控制器、PWM逆变控制器、母线电压电流检测、直流变换控制器、负载电压电流检测、储能单元控制器、中央控制器和CAN总线，本发明充分的利用了超级电容能够快速充放电的特点，将其应用在船舶电站系统中，能够使其快速对系统的有功负荷功率和谐波负荷功率进行补偿，能够大幅度提高供系统的供电质量，保证有限能源电力系统能够安全稳定的运行。
Description
技术领域
本发明涉及船舶发电机性技术领域，尤其涉及抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置。
背景技术
船舶电推进系统中的发电系统一般由若干台内燃机或燃气轮机组成，这样的发电系统也称为有限能源电站系统，发电容量一般在几兆瓦到几十兆瓦之间，而船舶的电推进系统和其它一些大的负荷系统中，个别的功率容量接近一兆瓦，这说明负荷和发电机组容量是比较接近的。因此，一旦这些负荷出现启动、停止等大范围功率变动瞬态过程，将会对发电机组和电站的冲击较大，这中间包含有功功率冲击和无功功率冲击。如果不对这两种冲击进行补偿，将有可能导致船舶电站系统出现崩溃。
船舶上很多负荷系统是通过整流电路实现的直流供电，因此无论是可控整流还是不控整流装置对交流端都会造成较大的谐波扰动，引起船舶发电站系统的电网电压、电流有较大的畸变，这种畸变会引起发电机的铁芯热损耗增加，导致发电机定子过热甚至使发电机烧毁。同时船舶电网中存在的谐波也会影响其他用电设备的正常工作。
船舶电力负荷引起的电压、电流畸变，会引起发电系统大的力矩波动，这种大的力矩波动会带来发电机组的转速波动，从而带来强噪声，包括电磁噪声和机械噪声。由于负荷的容量和发电站的容量比较接近，因此，当负荷的功率出现大的功率波动时，会出现次同步稳定问题，需要通过励磁加入次同步振荡稳定环节解决。
本发明能够在有限能源发电体系上有所创新，即通过电力电子的多频率全功率补偿和高性能的励磁控制方式来解决船舶电力系统中出现的冲击性有功及无功负荷问题及，系统谐波问题以及次同步稳定问题。本专利所提出的一体化发电站系统具有高可靠、抗冲击、低噪声、高效率的特征。同时功率/重量比和功率/体积比大，与船舶总体设计兼容性好。
发明内容
本发明的目的是通过电力电子的多频率全功率补偿和高性能的励磁控制方式来解决船舶电力系统中出现的冲击性有功及无功负荷问题、系统谐波问题以及次同步稳定问题。当系统出现冲击性负荷时，利用超级电容储能单元中存储的能量进行快速的补偿，维持系统整体能量平衡，待原动机有功或无功调节跟进之后，补偿系统退出补偿模式。当系统出现谐波成分时，通过对负荷谐波的检测，确定系统中所含有的谐波成分进而对其进行控制补偿。励磁系统不仅可以为发电机提供励磁电流，同时当系统出现次同步振荡时，励磁系统会通过对励磁电流的前馈控制，抑制系统中出现的振荡，维持船舶发电机电压稳定。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置，主要构成包含以下方面：船舶电励磁同步发电机、船舶电力负荷、励磁设备、机端电压电流检测、PWM逆变器、双向直流变换电路、超级电容储能单元、励磁控制器、PWM逆变控制器、母线电压电流检测、直流变换控制器、负载电压电流检测、储能单元控制器、中央控制器和CAN总线。
优选的，所述船舶电励磁同步发电机将原动机输入的机械能通过定转子磁场的相互切割转换成为三相正弦交流电，发电的过程中励磁设备根据励磁控制器的控制为发电机转子提供励磁电流，保证机端电压稳定在设定工作值，船舶电励磁同步发电机定子输出的电能通过导线将其供给船舶电力负荷使用，机端电压电流检测对机端电压及电流进行采样，并将强电信号转换成为弱电信号，输入到励磁控制器以及PWM逆变控制器中。
优选的，所述船舶电励磁同步发电机替换为船舶永磁同步发电机。
优选的，所述PWM逆变器工作在两种方式下，PWM逆变器根据PWM逆变控制器的控制，既可以工作在三相全桥整流模式，也可以工作在三相全桥逆变模式，PWM逆变器工作在三相全桥整流模式时，将系统的三相电能转换成为直流进行存储，PWM逆变器工作在逆变模式时，其将直流电能转换成为三相电能供给船舶电力负荷使用，PWM逆变控制器所提供的电能可以分为有功补偿电能、无功补偿电能以及谐波补偿电能，PWM逆变控制器是控制系统的核心部分，它根据机端电压电流检测以及负载电压电流检测获取的系统信息对PWM逆变控制器进行相应的触发。
优选的，所述直流变换控制器的作用根据母线电压电流检测到的直流母线电压值，控制双向直流变换电路，将三相全桥整流得到的直流电进行降压存储，超级电容储能单元是直流电能的存储终端，双向直流变换电路根据母线电压电流检测获取的采样信号，对超级电容储能单元的输入直流电压进行控制，使只能电压能够稳定在超级电容的工作电压范围，而储能单元控制器则通过超级电容电压的控制电容储存的能量，负载电压电流检测将负荷端的电压及电流进行采样，并将强电信号转换成为弱电信号，输入到PWM逆变控制器中，中央控制器是系统的上位控制机，所有的下层控制器均根据它的控制信号工作在启动、停止、急停等状态下。系统的通信采用的是CAN总线的通信方式。
本发明的有益效果是：
(1)本发明充分的利用了超级电容能够快速充放电的特点，将其应用在船舶电站系统中，能够使其快速对系统的有功负荷功率和谐波负荷功率进行补偿，能够大幅度提高供系统的供电质量，保证有限能源电力系统能够安全稳定的运行；
(2)本发明能够应对系统较大的冲击性负荷，保证用电负荷端的用电设备可靠运行；
(3)本发明对有限能源发电终端进行了有效的控制，使其能够保证发电机的稳定运行，同时也能够消除系统中的次同步振荡，大幅度提高系统无功运行范围；
(4)本发明可以有效的减小船舶发电机的震动、噪声以及发热问题，改善发电机的运行性能，以此提高发电机的使用寿命。
(5)本发明不仅可以应用到船舶电站系统中，更可以广泛应用到目前在发展迅猛的微电网控制中，具有广泛的应用前景及较大的推广试用价值。
附图说明
图1为本发明提出的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置的结构框图；
图2为本发明提出的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置功率电路原理图；
图3为本发明提出的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置有功功率补偿、无功功率补偿和谐波功率补偿控制框图；
图4为本发明提出的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置超级电容控制框图；
图5为本发明提出的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置励磁系统控制框图；
图6为抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置励磁系统次同步控制框图。
图中：船舶电励磁同步发电机1、船舶电力负荷2、励磁设备3、机端电压电流检测4、PWM逆变器5、双向直流变换电路6、超级电容储能单元7、励磁控制器8、PWM逆变控制器9、母线电压电流检测10、直流变换控制器11、负载电压电流检测12、储能单元控制器13、中央控制器14、CAN总线15。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施方式一：
图1中给出了基于多频率全功率补偿船舶电站系统的构成，主要包含以下方面：船舶电励磁同步发电机1，船舶电力负荷2，励磁设备3，机端电压电流检测4，PWM逆变器5，双向直流变换电路6，超级电容储能单元7，励磁控制器8，PWM逆变控制器9，母线电压电流检测10，直流变换控制器11，负载电压电流检测12，储能单元控制器13，中央控制器14，CAN总线15。
图2中，抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置首先工作的是发电机励磁自启动，具体由图1中船舶电励磁同步发电机1、励磁设备3、机端电压电流检测4和励磁控制器8完成，具体的工作流程如下：船舶发电系统的原动机拖动船舶电励磁同步发电机1旋转，船舶发电机靠自身的剩磁建立起一个比较小的机端电压，该机端电压经三相二极管不控整流电路D11～D15通过滤波电容C3滤波后，转变为向励磁系统供电的直流电。由于常闭可控直流开关K以及功率电阻R的存在，使励磁电压能够施加在励磁绕组上，且产生励磁电流，由于励磁电流的存在会使船舶发电机内部磁场强度增加，使发电机端电压升高，发电机端电压的升高又会导致励磁电流的增加，如此形成一个正反馈，直到发电机励磁磁场达到稳态，此时发电机端电压达到稳定，完成了发电机的励磁自启动。在完成自启动后，励磁控制器8投入运行，通过机端电压电流检测4采集发电机端电压电流情况，根据不同的模式设定进入不同的励磁控制模式，等待励磁控制器工作稳定后，控制常闭可控直流开关K，使K断开，以切除功率电阻R，此时的发电机励磁完全由励磁控制器8控制。
在完成船舶发电机的励磁自启动后，全功率补偿系统投入运行。全功率补偿系统由图1中的机端电压电流检测4，PWM逆变器5，双向直流变换电路6，超级电容储能单元7，PWM逆变控制器9，母线电压电流检测10，直流变换控制器11，负载电压电流检测12，储能单元控制器13组成。首先机端电压电流检测4，检测到发电机输出的电压在正常的范围则由PWM逆变控制器9来启动由电感L1～L3、功率开关管S1～S6、续流二极管D1～D6以及直流母线滤波电容C1组成的PWM逆变器5单元，使逆变器5工作在PWM整流状态，对直流母线滤波电容C1进行充电。
当母线电压电流检测10单元检测到直流母线滤波电容C1两端电压达到一定值，启动超级电容储能单元对超级电容进行充电。超级电容储能单元由图1中的母线电压电流检测10，双向直流变换电路6，直流变换控制器11，负载电压电流检测12，储能单元控制器13组成。储能单元控制器13控制由功率开关管S7～S8，续流二极管D7～D8以及滤波电感L4组成的双向直流变换器11，对超级电容储能器C2进行充电，当超级电容储能器C2电压达到一定值时，停止对超级电容储能器C2充电，此时全功率补偿系统进入补偿模式。
完成以上工作后，船舶电力负荷2，就可以投入运行。如果船舶电力负荷2为冲击性负荷，在投入的一瞬间产生的冲击功率会由全功率补偿系统进行补偿，补偿的方法如下：当负载电压电流检测12检测到有冲击性负荷加入时，全功率补偿系统快速的将超级电容器C2中储存的能量释放到接入点，来为负荷提供瞬时有功，同时慢慢的减小提供的有功能量，由于原动机的调速功能，在全功率补偿系统减小输出能量的同时，原动机增加输出能量，这样原动机就可以缓慢地完成为冲击性负荷提供全部能量，此时超级电容停止放电，全功率补偿系统开始为超级电容储能器C2充电，为抵抗下一次负荷冲击提供能量。当冲击性负荷突减时，全功率补偿系统吸收发电机发出的多余的电能，将吸收的能量存储到超级电容器C2中，同时缓慢地减少吸收的能量，由于原动机调速系统的作用，发动机的输出的能量会缓慢地减少，直到重新达到平衡。这样全功率补偿系统就可以做到抵抗冲击性负荷突加、突减的能力。
全功率补偿系统对无功功率的完全补偿可以使发电机的功率因数接近1，使发电机磁场平稳恒定，使发电机可靠的输出有功功率。对无功的补偿方案如下：当负载电压电流检测12，检测到负荷需要无功功率时，全功率补偿系统就会使PWM逆变器输出需要的无功。如果负荷需要的无功功率比较大，以至于PWM逆变器无法提供这么大容量无功，此时可以启动励磁控制设备3的无功调节能力，协调全功率补偿系统，使发电机输出一部分无功。
全功率补偿系统可以对负荷端谐波进行补偿，这样可以减小谐波对发电机带来的转矩波动，噪声增加，震动加剧，以及铁损铜损增加的不利影响。具体的实现方案如下:全功率补偿系统通过机端电压电流检测4和负载电压电流检测12采集电流信息，将负荷电流减去机端电流，再滤除基波频率就可以得到其他频率的电流信号，以此信号作为全功率补偿系统的谐波电流给定来控制PWM逆变器5输出需要补偿的谐波信号。
实施方式二：
本部分介绍以上各个环节的具体实现过程以及控制算法。主要论述两个大的部分包括全功率补偿系统运行和励磁控制系统的运行方法，下面介绍全功率补偿系统控制策略。
全功率补偿系统作为本发明的重点，而全功率补偿系统从控制上可以分为两个部分即PWM逆变器的控制和超级电容储能系统的控制。下面详细的介绍实现这两部分功能的控制算法。
首先陈述超级电容储能系统的控制策略，如图4所示：超级电容需要吸收或释放的功率给定为P*，P*根据冲击负荷的突加或者突减情况分别对应不同的给定情况，P为实际超级电容器吸收或释放的功率，两者做差后经过PI调节器1，作为超级电容端电压的给定Udc* sup，因为超级电容储存能量的形式是以电压的形式体现的，所以可以通过控制超级电容的端电压来控制超级电容吸收或释放的能量。Udcsup为实际的超级电容端电压，与Udc* sup做差后经过PI调节器2调节后进入PWM信号生成单元，生成的PWM信号就可以控制功率开关管S7～S8。这样超级电容储能系统就可以根据负荷的实时情况来决定超级电容的能量的输出或吸收。与超级电容系统完成能量交换的是直流母线电容C1，当超级电容器输出能量时会导致直流母线电容C1电压升高；当超级电容吸收能量时会使直流母线电容C1电压下降。直流母线电压的稳定由PWM逆变器控制，具体的控制如图3所示。
图3中介绍了PWM逆变器有功补偿、无功补偿和谐波补偿的控制算法框图。有功功率的控制是根据直流母线电容C1电压稳定来控制的，当超级电容释放能量时，会导致直流母线电容C1电压升高，此时由于直流母线电压闭环的存在会增大PWM逆变器的有功输出从而使直流母线电容C1电压下降，最终稳定在给定值。当超级电容吸收能量时，会导致直流母线电容C1电压降低，此时直流母线电压闭环会减小PWM逆变器的有功输出，从而使直流母线电容C1电压升高，最终稳定在给定值。PWM逆变器对有功和无功的控制是通过对电流的控制来实现的，把三相静止坐标系的电流转换到dq同步旋转坐标系后d轴电流id控制有功功率，q轴电流iq控制无功功率。只要给定合适的电流控制量id *、iq *就可以控制逆变器按理想功率输出。d轴电流给定id *控制着逆变器输出的有功功率，id *是由有功补偿电流给定和谐波补偿电流给定中的d轴分量相加得到的，所以该方法既可以完成有功功率的补偿，又可以完成谐波有功功率补偿。q轴电流给定是由无功补偿电流给定和谐波补偿电流给定中的q轴分量相加得到的，所以该方法既可以完成无功功率的补偿，又可以完成谐波无功功率的补偿。所以该PWM逆变器的控制算法可以同时完成有功功率补偿，无功功率补偿和谐波功率补偿。
图5所示为抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置励磁系统控制框图。励磁部分采用的是电压及电流双环控制模式，其中外环为电压环，内环为电流环。两环的调节均采用PID调节方式，外环的给定根据实际系统对电压的需要进行设置，电压环的输出作为内环电流环的给定，电流环的输出为励磁设备3中直流斩波电路的占空比，从而对船舶电励磁同步发电机1的励磁电流进行控制。励磁调节采用双环PID调节的优点是当负荷出现变化时，励磁调节能够准确、快速地跟踪机端电压及电流的变化，保证系统电压稳定。
通过对发电机在电网振荡过程中各个量之间的相位关系，认识到由于励磁调节器及发电机磁场绕组的相位滞后特性，使自动电压调节模式产生了在相位上滞后于功角且与转速变化反相位的负阻尼特性的转矩，使得灵敏的电压调节发生振荡，为了解决该问题，采用图6所示的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置励磁系统次同步控制方法对励磁系统进行了改进，它以转子角速度的变化量作为输入量，通过传递函数GPSS的作用，产生了辅助控制量ΔUPSS,通过励磁调节器和励磁绕组对发电机电磁转矩分量ΔTe进行调节，框图中Δδ表示功率角变化量，Δω为转子转速变化量。利用该框图所示的算法，能够有效抑制同步发电机励磁控制中出现的次同步振荡问题。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置，其特征在于，主要构成包含以下方面：船舶电励磁同步发电机、船舶电力负荷、励磁设备、机端电压电流检测、PWM逆变器、双向直流变换电路、超级电容储能单元、励磁控制器、PWM逆变控制器、母线电压电流检测、直流变换控制器、负载电压电流检测、储能单元控制器、中央控制器和CAN总线。
2.根据权利要求1所述的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置，其特征在于，所述船舶电励磁同步发电机将原动机输入的机械能通过定转子磁场的相互切割转换成为三相正弦交流电，发电的过程中励磁设备根据励磁控制器的控制为发电机转子提供励磁电流，保证机端电压稳定在设定工作值，船舶电励磁同步发电机定子输出的电能通过导线将其供给船舶电力负荷使用，机端电压电流检测对机端电压及电流进行采样，并将强电信号转换成为弱电信号，输入到励磁控制器以及PWM逆变控制器中。
3.根据权利要求1或2所述的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置，其特征在于，所述船舶电励磁同步发电机替换为船舶永磁同步发电机。
4.根据权利要求1所述的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置，其特征在于，所述PWM逆变器工作在两种方式下，PWM逆变器根据PWM逆变控制器的控制，既可以工作在三相全桥整流模式，也可以工作在三相全桥逆变模式，PWM逆变器工作在三相全桥整流模式时，将系统的三相电能转换成为直流进行存储，PWM逆变器工作在逆变模式时，其将直流电能转换成为三相电能供给船舶电力负荷使用，PWM逆变控制器所提供的电能可以分为有功补偿电能、无功补偿电能以及谐波补偿电能，PWM逆变控制器是控制系统的核心部分，它根据机端电压电流检测以及负载电压电流检测获取的系统信息对PWM逆变控制器进行相应的触发。
5.根据权利要求1所述的抑制非线性负荷影响船舶发电机性能的全功率补偿装置，其特征在于，所述直流变换控制器的作用根据母线电压电流检测到的直流母线电压值，控制双向直流变换电路，将三相全桥整流得到的直流电进行降压存储，超级电容储能单元是直流电能的存储终端，双向直流变换电路根据母线电压电流检测获取的采样信号，对超级电容储能单元的输入直流电压进行控制，使只能电压能够稳定在超级电容的工作电压范围，而储能单元控制器则通过超级电容电压的控制电容储存的能量，负载电压电流检测将负荷端的电压及电流进行采样，并将强电信号转换成为弱电信号，输入到PWM逆变控制器中，中央控制器是系统的上位控制机，所有的下层控制器均根据它的控制信号工作在启动、停止、急停等状态下。系统的通信采用的是CAN总线的通信方式。
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