CN212063514U - 基于准z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统 - Google Patents

Abstract

基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，包括船舶岸电电缆、基于准Z源间接矩阵变换器、微电网能量管理系统，所述船舶岸电电缆与岸电配电箱连接，用于岸电与船舶电站连接。所述基于准Z源间接矩阵变换器连接船舶岸电电缆，基于准Z源间接矩阵变换器的输入端通过船舶岸电电缆接入大电网，基于准Z源间接矩阵变换器的输出端通过交流母线并入船舶微电网，所述船舶微电网、基于准Z源间接矩阵变换器连接微电网能量管理系统，微电网能量管理系统用于岸电与船舶电站之间的无缝切换。本实用新型基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，该系统采取低压船舶微电网技术方案，实现港口岸电的节能减排。

Description

基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统

技术领域

本实用新型涉及船舶电力系统技术领域，具体涉及一种基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统。

背景技术

船舶电力系统由发电机组、配电装置、电力网及用电负载等组成的完整体系的总称。其中发电机组及其控制、配电装置和辅助设备集中布置，称为船舶电站。船舶电站是船舶电力系统的核心。采用陆地电源对靠港船舶供电的技术称为岸电技术，是指船舶停靠码头时，停止所有的船舶柴油机电站运转，将船舶用电改由岸电电站供电提供，以降低港区污染废气的排放量。

船舶电力系统按组成可分成岸电供电和船舶电站两部分。现在，国家在政策层面要求，港口和码头均由国家电网公司和南方电网公司提供统一岸电供电，并配置相应的岸电配电箱。船舶电站发电机的电压等级可分为高压和低压两种，高压船舶电站电压等级为11kV或者6.6kV/60Hz，或6kV、50Hz。低压船舶电站电压等级为400V/50Hz或440V、60Hz。

目前，随着全球运输业务的急剧增长，海运和水运比空运有着明显的优势。但全世界几乎所有船舶均使用燃烧轻质或者重质燃油的发电机自行发电，燃油辅机在发电过程中，会排放包含氮氧化物、硫氧化物等污染物，对港口空气及水域造成极大污染，同时辅机发电会产生较大的噪声，严重影响附近居民及船员的生活。现在，各国都已经对控制船舶停港期间的污染物越来越重视，世界各国港口码头纷纷寻求节能减排方案。

解决船舶靠岸的污染问题主要从两个方面入手，一是设计全新的岸电技术方案，二是对现有的船舶电站系统进行改造。

目前，对于岸电技术方案，国外的岸电技术方案是没有变频功能的，因此，我国是无法适用的。国内的某些港口的岸电是有变频功能的，比如：上海港采用了变频技术，供电需要9根低压电缆，操作起来比较复杂；连云港也采用了变频技术，可以提供6.6kV和440V两种电压，对于高压船舶比较方便，但国际上多数为440V低压，变频低压模式更加广泛，60Hz或50Hz任意选择的变频岸电能适应更多的船舶供电，因此，低压变频岸电技术有可能是一种比较有前景的岸电技术方案。但岸电方案站是从供电角度考虑问题的，如果停靠船舶量大，供电需求标准不一，岸电变频装置供需无法合理匹配，难免造成浪费，反而达不到节能减排的目的。

对于船舶电站的改造技术方案，由于船舶标准不一，陆地供电电源很难统一满足所有船舶电站的供电需求，这就需要船舶增加变频、变压装置。考虑岸电以380V/50Hz标准供电模式下，需要在船上增加一套变压变频装置。在船舶靠岸时，该变压变频装置实现与船舶柴油发电机切换，替代其对船舶负载供电的目的。从这个意义上讲，由船舶变压变频装置、柴油发电机组、配电装置、用电负载等就构成了一个小型的微电网系。同陆地大电网相比，船舶电网的容量有限且是独立电网。当前，船舶微电网的变压变频装置主要通过传统背靠背的交流变频装置实现的。由于这种AC/DC/AC变换器存在中间直流环节，且直流环节多是由大电容或者大电感构成，不仅体积大、质量重，而且不易维护，使得电力变换器功率密度较低。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提出一种基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，该系统采取低压船舶微电网技术方案，实现港口岸电的节能减排。该发明主要解决以下技术问题

(1)、以高度集成化的新型准Z源间接矩阵变换器实现系统变压变频功能，提高系统功率密度。

(2)、以D优化控制，实现准Z源间接矩阵变换器变直流母线控制，提高系统效率。

(3)、变压变频装置的逆变环节若按常规电流源控制的方法并入船舶微电网，则会对船舶电力系统产生不良影响，所以岸电接入船舶电力系统时，必须考虑无缝切换技术。本实用新型以虚拟同步机技术，实现系统船舶微电网内部的无缝切换。

(4)、如果想实现柴油发电机与岸电接入的无缝切换，同时需要增加一套能量管理系统。本实用新型以微电网能量管理系统，实现系统能量管理。

本实用新型采取的技术方案为：

基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，包括船舶岸电电缆、基于准Z源间接矩阵变换器、微电网能量管理系统，所述船舶岸电电缆与岸电配电箱连接，用于岸电与船舶电站连接；

所述基于准Z源间接矩阵变换器连接船舶岸电电缆，基于准Z源间接矩阵变换器的输入端通过船舶岸电电缆接入大电网，基于准Z源间接矩阵变换器的输出端通过交流母线并入船舶微电网，所述船舶微电网、基于准Z源间接矩阵变换器连接微电网能量管理系统，微电网能量管理系统用于实现岸电与船舶电站之间的无缝切换。

所述船舶电站包括发电机组，所述船舶微电网包括岸电断路器、变频器、负载，

所述微电网能量管理系统包括控制器；

基于准Z源间接矩阵变换器的输出端、发电机组连接岸电断路器一侧，岸电断路器另一侧连接变频器，变频器连接负载，所述发电机组、岸电断路器、基于准Z源间接矩阵变换器、变频器均连接控制器。

该系统还包括继电保护及接地保护装置；所述继电保护及接地保护装置，与微电网能量管理系统、岸电断路器一起构成船舶微电网二次侧保护，实现系统岸电接入、断开、以及正常运行状态的安全保护作用。

所述基于准Z源间接矩阵变换器包括准Z源阻抗网络、间接矩阵变换器；

所述准Z源阻抗网络包括6个交流电容：C_a1、C_a2、C_b1、C_b2、C_c1、C_c2，6个电感：L_a1、L_a2、L_b1、L_b2、L_c1、L_c2，3个双向开关：S_a、S_b、S_c；每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成；

所述间接矩阵变换器包括整流级、逆变级，所述整流级由6个双向开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn构成，每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成，整流级实现交流到直流的变换过程，为逆变级提供稳定的直流源，逆变级可由6个单向开关S_Ap、S_Bp、S_Cp、S_An、S_Bn、S_Cn构成，每个单向开关由一个IGBT及其二极管反并联构成；

准Z源阻抗网络中：

接地端连接电源u_a一侧，电源u_a另一侧连接电感L_a1一端，电感L_a1另一端连接双向开关S_a一端，双向开关S_a另一端连接电感L_a2一端，交流电容C_a2两端分别连接电感L_a1另一端、电感L_a2另一端；

接地端连接电源u_b一侧，电源u_b另一侧连接电感L_b1一端，电感L_b1另一端连接双向开关S_b一端，双向开关S_b另一端连接电感L_b2一端，交流电容C_b2两端分别连接电感L_b1另一端、电感L_b2另一端；

接地端连接电源u_c一侧，电源u_c另一侧连接电感L_c1一端，电感L_c1另一端连接双向开关S_c一端，双向开关S_c另一端连接电感L_c2一端，交流电容C_c2两端分别连接电感L_c1另一端、电感L_c2另一端；

交流电容C_a1一端连接双向开关S_a另一端，交流电容C_b1一端连接双向开关S_b另一端，交流电容C_c1一端连接双向开关S_c另一端，交流电容C_a1另一端分别连接交流电容C_b1另一端、交流电容C_c1另一端；

间接矩阵变换器中：

双向开关S_ap一端、双向开关S_bp一端、双向开关S_cp一端、单向开关S_Ap集电极、单向开关S_Bp集电极、单向开关S_Cp集电极连接在一起；

双向开关S_an一端、双向开关S_bn一端、双向开关S_cn一端、单向开关S_An发射极、单向开关S_Bn发射极、单向开关S_Cn发射极连接在一起；

双向开关S_ap另一端连接双向开关S_an另一端，双向开关S_bp另一端连接双向开关S_bn另一端，双向开关S_cp另一端连接双向开关S_cn另一端；

单向开关S_Ap发射极连接单向开关S_An集电极，单向开关S_Bp发射极连接单向开关S_Bn集电极，单向开关S_Cp发射极连接单向开关S_Cn集电极；

电感L_a2另一端、电感L_b2另一端、电感L_c2另一端分别连接双向开关S_ap另一端、双向开关S_bp另一端、双向开关S_cp另一端；

单向开关S_Ap发射极、单向开关S_Bp发射极、单向开关S_Cp发射极分别连接交流A相线、交流B相线、交流C相线。

本实用新型一种基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，优点如下：

(1)、本实用新型中船舶电站微电网系统解决方案：

相对岸电的变压变频解决方案，本实用新型的船舶微电网方案更加灵活，能够按船舶的电压和频率要求进行参数配置。避免了以岸电集装箱提供变压变频方案的输送容量低、配置不灵活，线缆不够长等问题。

(2)、本实用新型的准Z源间接矩阵变换器：

本实用新型中所述准Z源间接矩阵变换器的优点：1)间接矩阵变换器继承了传统矩阵变换器全硅特点，系统的体积、重量将有效减小，而功率密度和效率将大幅提升；2)采用间接矩阵变换器，两步换流使系统控制简单；3)准Z源网络具有升压作用，能提高传统矩阵变换器的升压比，加入在间接矩阵变换器输入侧，并将准Z源网络和LC滤波器一体化，使准Z源电路具有滤波功能，输入侧无需额外的LC滤波器，大大简化系统硬件。有利于系统的集成和模块化设计，以降低重量、体积和成本。

(3)、基于D优化控制实现Z源间接矩阵变换器变直流母线控制：

传统的网侧Z源/准Z源间接矩阵变换器驱动电机控制方法有如下特点：调节逆变级调制比调速，而整流级调制比和直通占空比用于调节直流环节电压。在实现上，一种简化方式是保持整流级调制比和准Z源网络占空比D固定，缺点是电源电压跌落时影响输出电压的调节；另一种方式是增加直流母线电压恒定控制，以抗电压跌落带来的影响。但是，该方法需要增加一个PI调节器和两个电压传感器，系统复杂；同时，维持固定的直流母线电压带来很多不利，比如电压应力高，损耗高等。

综上所述，直流母线电压应该在满足负载需求的基础上应尽可能低，而不是保持恒定或偏高。本实用新型针对这个目标，提出基于D优化控制实现Z源间接矩阵变换器变直流母线控制，将逆变级调制指数最大化(m_o＝1)，根据输入电源电压和电机需求电压自动地调整准Z源网络的占空比D和整流级调制比m_i，该法可以实现直流母线电压最小化，降低电压应力、降低损耗，无需额外的电压检测、无需额外的PI控制调节器，使得系统简化。

(4)、基于虚拟同步机技术和能量管理系统实现系统微网内部的无缝切换：

针对传统岸电电源难以准确模拟发电机特定问题，本实用新型提出对准Z源间接矩阵变换器进行虚拟同步机的控制策略。即在准Z源间接矩阵变换器的系统控制环路中，引入发电机的机械运动方程，采用发电机的二阶机电暂态模型，通过模型中转动惯量的引入，使得准Z源间接矩阵变换器具有与柴油发电机相似的电气和机械特性。同时，将实现系统下垂特性的工频控制器模块和励磁控制器模块引入该策略中，并与能量管理系统配合，实现岸电接入的无缝切换。

附图说明

图1(a)为基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统岸电电源接入操作流程图；

图1(b)为基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统岸电电源退出操作流程图。

图2(a)为系统输入电压幅值波形图；

图2(b)为系统输入电压频率波形图；

图2(c)为系统输入电流波形图。

图3(a)为在调整过程前准Z源间接矩阵变换器的输出电压幅值波形图；

图3(b)为在调整过程前准Z源间接矩阵变换器的输出电压频率波形图；

图3(c)为在调整过程后准Z源间接矩阵变换器的输出电压幅值波形图；

图3(d)为在调整过程后准Z源间接矩阵变换器的输出电压频率波形图；

图3(e)为准Z源间接矩阵变换器的输出电流波形图。

图4(a)为准Z源网络占空比变量D的变化图；

图4(b)为整流级调制比m_i的变化图；

图4(c)为D与m_i之和的变化图。

图5(a)为A相准Z源网路输出电压波形图；

图5(b)为三相准Z源网络输出电压波形图。

图6为准Z源间接矩阵变换器直流母线电压变化波形图。

图7为准Z源间接矩阵变换器输入功率因数。

图8(a)为准Z源间接矩阵变换器发出的有功功率变化图；

图8(b)为准Z源间接矩阵变换器输出的系统频率变化图。

图9(a)为准Z源间接矩阵变换器发出的无功功率变化图；

图9(b)为准Z源间接矩阵变换器输出的系统输出电压变化图。

图10为本实用新型的基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统框架示意图。

图11为准Z源间接矩阵变换器电路图；

图12为准Z源间接矩阵变换器的双向开关电路图。

图13为传统AC/DC/AC变频器整流级、逆变级示意图。

图14为准Z源间接矩阵变换器准Z源阻抗网络、整流级和逆变级示意图。

图15(a)为虚拟同步发电机的功频静态特性图；

图15(b)为虚拟同步发电机的电压调节特性图。

图16为基于虚拟同步机的功频控制器示意图。

图17为基于虚拟同步机的励磁控制器示意图。

图18为本实用新型的控制系统框图。

具体实施方式

如图10所示，基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，包括船舶岸电电缆、基于准Z源间接矩阵变换器、微电网能量管理系统。

所述船舶岸电电缆与岸电配电箱连接，用于岸电与船舶电站的物理和电气连接。所述基于准Z源间接矩阵变换器连接船舶岸电电缆，基于准Z源间接矩阵变换器的输入端通过船舶岸电电缆接入大电网，基于准Z源间接矩阵变换器的输出端通过交流母线并入船舶微电网，所述船舶微电网、基于准Z源间接矩阵变换器连接微电网能量管理系统，微电网能量管理系统用于实现岸电与船舶电站之间的无缝切换。

所述船舶电站包括发电机组，所述船舶微电网包括岸电断路器、变频器、负载，所述微电网能量管理系统包括控制器，基于准Z源间接矩阵变换器的输出端、发电机组连接岸电断路器一侧，岸电断路器另一侧连接变频器，变频器连接负载，所述发电机组、岸电断路器、基于准Z源间接矩阵变换器、变频器均连接控制器。当基于准Z源间接矩阵变换器的输出特性与发电机组特性一致时，将船舶电站的供电切换为岸电系统供电。发电机组采用柴油发电机。

本实用新型基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统还包括继电保护和接地保护装置，与微电网能量管理系统、岸电断路器一起构成船舶微电网二次侧保护，实现系统岸电接入、断开及正常运行状态的安全保护作用。

如图11所示，所述基于准Z源间接矩阵变换器包括准Z源阻抗网络、间接矩阵变换器；

所述准Z源阻抗网络包括6个交流电容：C_a1、C_a2、C_b1、C_b2、C_c1、C_c2，6个电感：L_a1、L_a2、L_b1、L_b2、L_c1、L_c2，3个双向开关：S_a、S_b、S_c；每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成，如图12所示。

所述间接矩阵变换器包括整流级、逆变级，所述整流级由6个双向开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn构成，每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成，整流级实现交流到直流的变换过程，为逆变级提供稳定的直流源，逆变级可由6个单向开关S_Ap、S_Bp、S_Cp、S_An、S_Bn、S_Cn构成，每个单向开关由一个IGBT及其二极管反并联构成；

准Z源阻抗网络中：

接地端连接电源u_a一侧，电源u_a另一侧连接电感L_a1一端，电感L_a1另一端连接双向开关S_a一端，双向开关S_a另一端连接电感L_a2一端，交流电容C_a2两端分别连接电感L_a1另一端、电感L_a2另一端；

接地端连接电源u_b一侧，电源u_b另一侧连接电感L_b1一端，电感L_b1另一端连接双向开关S_b一端，双向开关S_b另一端连接电感L_b2一端，交流电容C_b2两端分别连接电感L_b1另一端、电感L_b2另一端；

接地端连接电源u_c一侧，电源u_c另一侧连接电感L_c1一端，电感L_c1另一端连接双向开关S_c一端，双向开关S_c另一端连接电感L_c2一端，交流电容C_c2两端分别连接电感L_c1另一端、电感L_c2另一端；

交流电容C_a1一端连接双向开关S_a另一端，交流电容C_b1一端连接双向开关S_b另一端，交流电容C_c1一端连接双向开关S_c另一端，交流电容C_a1另一端分别连接交流电容C_b1另一端、交流电容C_c1另一端；

间接矩阵变换器中：

双向开关S_ap一端、双向开关S_bp一端、双向开关S_cp一端、单向开关S_Ap集电极、单向开关S_Bp集电极、单向开关S_Cp集电极连接在一起；

双向开关S_an一端、双向开关S_bn一端、双向开关S_cn一端、单向开关S_An发射极、单向开关S_Bn发射极、单向开关S_Cn发射极连接在一起；

双向开关S_ap另一端连接双向开关S_an另一端，双向开关S_bp另一端连接双向开关S_bn另一端，双向开关S_cp另一端连接双向开关S_cn另一端；

单向开关S_Ap发射极连接单向开关S_An集电极，单向开关S_Bp发射极连接单向开关S_Bn集电极，单向开关S_Cp发射极连接单向开关S_Cn集电极；

电感L_a2另一端、电感L_b2另一端、电感L_c2另一端分别连接双向开关S_ap另一端、双向开关S_bp另一端、双向开关S_cp另一端；

单向开关S_Ap发射极、单向开关S_Bp发射极、单向开关S_Cp发射极分别连接交流A相线、交流B相线、交流C相线。

(一)：D优化控制实现Z源间接矩阵变换器变直流母线控制：指的是对基于准Z源间接矩阵变换器的整流级和逆变级实行统一、协调控制，而不是像传统的背靠背的AC/DC/AC变频器一样，两部分相互独立控制,达到充分利用直流母线电压的目的。

众所周知，传统AC/DC/AC变频器的整流级通常被单独控制，如图13所示，并且利用直流电容或者电感的储能作用，维持直流母线电压U_dc可以保持一个固定值不变，这相当于为后面的逆变级提供了一个稳定的直流电源。而逆变级则以直流母线电压为基础，根据所带的负载需求，调节逆变级调制比m_o，实现系统输出电压控制。

基于准Z源间接矩阵变换器可以细分成准Z源阻抗网络、整流级和逆变级三部分，如图14所示。由于整流级和逆变级之间没有大电容和大电感进行隔离，可以将这三部分实行统一的调制策略，可实现间接矩阵变换器的变直流母线控制，即负载需要多少能量，就提供多少，也就意味着中间的直流母线电压将被充分利用。另外，基于准Z源间接矩阵变换器的升压比G与准Z源网络调制比D、整流级调制比m_i和逆变级调制比m_o的关系如下：

H＝0.866为传统矩阵变换器升压比。

通过上式可见，G与D、m_i和m_o直接相关，输出电压的大小完全可以由输入电压和这三个参数决定。根据多约束优化方法，并控制功率因数

推导出系统的基本运行原则为：

当G≤H时，系统按照传统间接矩阵变换器工作运行，准Z源网络仅起到滤波器作用，保持准Z源网络占空比D为零，则由式得控制模型为

当G>H时，系统按照系统升压模式工作运行，准Z源网络起升压和滤波作用，准Z源网络占空比D大于零。因此，则G>H时的实际控制模型为：

综上所述，即可实现D的优化控制和变直流母线电压的控制，提高系统运行效率。

(二)：以虚拟同步机技术和能量管理系统实现系统微网内部的无缝切换：

所述虚拟同步发电机技术指的是对准Z源间接矩阵变换器的输出采取虚拟同步发电机控制策略，使岸电系统拥有与柴油发电机相似的输出下垂特性、电气特性和机械特性。保证两者的并联稳定运行。所述微网能量管理系统，是指对微网内的发电机、发电机断路器、准Z源间接矩阵变换器、岸电断路器和负载变频器的统一调度的控制器。同时，与准Z源间接矩阵变换器密切配合，实现微网内部的无缝切换。为了实现发电机的有功功率-频率和无功功率-电压下垂特性，采用同步电机的二阶模型如下：

式中，ω为电角速度；ω_N为同步角速度；P_T为机械功率；P_e为电磁功率；θ为电角度；

为励磁电动势；

为电枢端电压；

为电枢电流；Ra为电枢电阻；Xs为同步电抗；

根据上述两式，就可以建立虚拟同步发电机模型，模型的输入为机械功率P_T、P_e为电磁功率、励磁电动势

电枢电流

输出量为电枢端电压

虚拟同步发电机的控制系统由控制器和同步发电机模型两部分组成，其中控制器又可以分为功频控制器和励磁控制器，实现对整个并网发电系统输出特性的控制。虚拟同步发电机的功频静态特性和电压调节特性分别如图15(a)、图15(b)所示。

在电力系统中，同步发电机的输出频率与输出有功功率的大小相关，输出功有功率增加，频率降低，输出有功功率降低，输出频率增加。如图15(a)所示。假设发电机初始运行于额定工作点N，对应额定频率f_N，额定有功功率P_N。当系统负荷增加时，发电机输出功率增加，是使频率下降到f_A，原动机使发电机输出功率增加到P_A，发电机重新稳定运行于A点。因此，对于下降频率Δf，发电机输出的有功功率增加ΔP，即发电机具有有功功率-频率下垂特性。定义调差系数R，有：

参照同步发电机调速机的原理，结合船舶电站微网能量管理系统，设计基于虚拟同步机的功频控制器示意图如图16所示。

同样，在电力系统中，系统中无功功率与发电机输出电压直接相关，发电机的无功功率不足时，系统的输出电压降低，反之，当发电机的无功功率充足时，并网点电压增加，如图15(b)所示。假设发电机初始运行于额定工作点N，对应于额定电压U_N，额定无功功率Q_N。当系统的无功负荷增加到Q_A，发电机发出的无功功率不足时，系统并网点电压下降到U_A，以满足无功平衡，发电机重新稳定工作于A点。因此，发电机升高无功功率ΔQ，输出电压降低ΔU，即具有无功功率-电压下垂特性。定义调差系数为δ，则有：

参照同步发电机的励磁控制系统，设计虚拟同步机的励磁控制器示意图如图17所示。

设计控制系统的框图如图18所示，该系统的控制原理为以并网点B为控制目标，通过测量并网处的电压信号和无功功率，将其作为控制器的输入，经控制器计算从而获得同步发电机模型所需要的机械功率P_T和励磁电动势

同时测量出间接矩阵变换器的输出有功功率P_e与电流i，将这些信号送入同步发电机模型从而合成虚拟同步发电机的端电压U_ref。另外，通过FFT算法模块检测出矩阵变换器实时输出电压幅值信号U_om，将该信号与需要输出的端电压U_ref及系统输入电压的幅值U_in一起提供给D优化算法控制模块，并按照优化控制模型进行计算，得出下步需要输出的新的D值及m_i值，并提供给整流级的调制模块，实时在线调整系统的输出电压。

实施例：

图1(a)、图(b)为基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统操作规程图。其中，图1(a)为岸电电源接入操作流程图，具体操作步骤为：(1)船舶电缆连至岸电配电箱；(2)启动岸电电源；(3)QZSIMC调节至船舶电压和频率；(4)通过能量管理系统并入船舶微网；(5)负荷转移；(6)柴油发电机推出；(7)岸电系统通过船舶微电网供电。图(b)为岸电电源退出操作流程，步骤为：(1)柴油发电机并网；(2)转移负荷；(3)岸电电源系统通过船舶能量管理系统退出船舶微网；(4)关闭岸电电源；(5)收起船舶电缆；(6)柴油发电机对船舶系统供电。

图2(a)、图2(b)、图2(c)为系统的输入电压和输入电流波形图。由图2(a)、图2(b)中可见，在QZSIMC调整输出的整个过程中，输入电源的线电压始终为380V，50Hz。由图2(c)可见，输入电流的幅值随输出功率的增加而不断增大，并且变化非常均匀。由于输入电流的变化是受到控制变量D的直接影响，因此，说明所提出的控制方法达到了预期效果。

图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)为准Z源间接矩阵变换器的输出电压波形图。图3(e)为准Z源间接矩阵变换器的输出电流波形图。其中，图3(a)和图3(c)分别给出了系统输出在调整过程前后输出线电压幅值图，即从233.5V增加到445.1V，频率都是60Hz，这与设计值231V和440V的偏差不到0.01％和0.0112％。该过程同样证明了准Z源间接矩阵变换器的高升压特性。因为传统间接矩阵变换器的最高升压比为0.87，即380×0.87＝331V,而本系统的输出达到了445V，甚至可以更高，因此，证明了该系统能够满足船舶电站的升压和变频需求。由图3(e)中，可见，准Z源间接矩阵变换器的电流波形较为平缓，证明了系统调整的连续性。

图4(a)、图4(b)、图4(c)为准Z源间接矩阵变换器控制变量变化波形图。其中，图4(a)为准Z源网络占空比变量D的变化图，图4(b)为整流级调制比m_i的变化图，图4(c)为D与m_i之和的变化图。可见，当系统升压比低于0.87时，系统的输出电压仅通过整流级调制比m_i调节，当m_i达到1时，也就是系统的升压比高于0.87时，D逐渐增加，m_i逐渐减小，D与m_i之和保持为1，准Z源网络起升压作用，即实现了D的优化升压控制。

图5(a)、图5(b)为准Z源网路输出电压波形图。其中，图5(a)为A相准Z源网路输出电压波形，图5(b)为三相准Z源网络输出电压波形。可见，当准Z源网络起升压作用时，D大于0，准Z源网络输出电压为PWM波，提高了输出电压的幅值，与理论分析一致。

图6为准Z源间接矩阵变换器直流母线电压变化波形图。由图6可见，当准Z源网络起升压作用时，D大于0，提高了准Z源网络输出电压的幅值，等于同步提高了输出直流母线电压的幅值。这也直接证实了通过D优化控制实现了变直流母线的控制，提高了直流母线电压的利用率。

图7为准Z源间接矩阵变换器输入功率因数。从图7中可以看出，对于该方案系统，在整个调节的过程中，始终保持系统的输入功率因数为1，以此确保系统输出的高效性。

图8(a)、图8(b)为虚拟同步机控制有功功率与输出频率关系图。其中，图8(a)为准Z源间接矩阵变换器发出的有功功率变化图，图8(b)为准Z源间接矩阵变换器输出的系统频率变化图。从两个图中可以看出，准Z源间接矩阵变换器将按照虚拟同步机的有功率功率和频率的下垂特性变化，即有功负荷增大时，输出频率将会降低。

图9(a)、图9(b)为虚拟同步机控制无功功率与输出电压关系图。其中，图9(a)为准Z源间接矩阵变换器发出的无功功率变化图，图9(b)为准Z源间接矩阵变换器输出的系统输出电压变化图。从两个图中可以看出，准Z源间接矩阵变换器将按照虚拟同步机的无功率功率和输出电压下垂特性变化，即无功负荷增大时，系统的输出电压将会降低。

由图8(a)、图8(b)和图9(a)、图9(b)可见，通过控制可将虚拟同步机技术引入该准Z源间接矩阵变换器，并与能量管理系统一起实现系统的无缝切换，以确保船舶电站的供电不间断。

Claims (3)

1.基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，包括船舶岸电电缆、基于准Z源间接矩阵变换器、微电网能量管理系统，其特征在于：

所述船舶岸电电缆与岸电配电箱连接，用于岸电与船舶电站连接；

所述基于准Z源间接矩阵变换器连接船舶岸电电缆，基于准Z源间接矩阵变换器的输入端通过船舶岸电电缆接入大电网，基于准Z源间接矩阵变换器的输出端通过交流母线并入船舶微电网，所述船舶微电网、基于准Z源间接矩阵变换器连接微电网能量管理系统，微电网能量管理系统用于实现岸电与船舶电站之间的无缝切换。

2.根据权利要求1所述的船舶电站微电网系统，其特征在于：所述船舶电站包括发电机组，所述船舶微电网包括岸电断路器、变频器、负载，

所述微电网能量管理系统包括控制器；

基于准Z源间接矩阵变换器的输出端、发电机组连接岸电断路器一侧，岸电断路器另一侧连接变频器，变频器连接负载，所述发电机组、岸电断路器、基于准Z源间接矩阵变换器、变频器均连接控制器；

该系统还包括继电保护及接地保护装置；

所述继电保护及接地保护装置，与微电网能量管理系统、岸电断路器一起构成船舶微电网二次侧保护，实现系统岸电接入、断开、以及正常运行状态的安全保护作用。

3.根据权利要求1所述的船舶电站微电网系统，其特征在于：所述基于准Z源间接矩阵变换器包括准Z源阻抗网络、间接矩阵变换器；

所述准Z源阻抗网络包括6个交流电容：C_a1、C_a2、C_b1、C_b2、C_c1、C_c2，6个电感：L_a1、L_a2、L_b1、L_b2、L_c1、L_c2，3个双向开关：S_a、S_b、S_c；每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成；

所述间接矩阵变换器包括整流级、逆变级，所述整流级由6个双向开关S_ap、S_bp、S_cp、S_an、S_bn、S_cn构成，每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成，整流级实现交流到直流的变换过程，为逆变级提供稳定的直流源，逆变级可由6个单向开关S_Ap、S_Bp、S_Cp、S_An、S_Bn、S_Cn构成，每个单向开关由一个IGBT及其二极管反并联构成；

准Z源阻抗网络中：

接地端连接电源u_a一侧，电源u_a另一侧连接电感L_a1一端，电感L_a1另一端连接双向开关S_a一端，双向开关S_a另一端连接电感L_a2一端，交流电容C_a2两端分别连接电感L_a1另一端、电感L_a2另一端；

接地端连接电源u_b一侧，电源u_b另一侧连接电感L_b1一端，电感L_b1另一端连接双向开关S_b一端，双向开关S_b另一端连接电感L_b2一端，交流电容C_b2两端分别连接电感L_b1另一端、电感L_b2另一端；

接地端连接电源u_c一侧，电源u_c另一侧连接电感L_c1一端，电感L_c1另一端连接双向开关S_c一端，双向开关S_c另一端连接电感L_c2一端，交流电容C_c2两端分别连接电感L_c1另一端、电感L_c2另一端；

交流电容C_a1一端连接双向开关S_a另一端，交流电容C_b1一端连接双向开关S_b另一端，交流电容C_c1一端连接双向开关S_c另一端，交流电容C_a1另一端分别连接交流电容C_b1另一端、交流电容C_c1另一端；

间接矩阵变换器中：

双向开关S_ap一端、双向开关S_bp一端、双向开关S_cp一端、单向开关S_Ap集电极、单向开关S_Bp集电极、单向开关S_Cp集电极连接在一起；

双向开关S_an一端、双向开关S_bn一端、双向开关S_cn一端、单向开关S_An发射极、单向开关S_Bn发射极、单向开关S_Cn发射极连接在一起；

双向开关S_ap另一端连接双向开关S_an另一端，双向开关S_bp另一端连接双向开关S_bn另一端，双向开关S_cp另一端连接双向开关S_cn另一端；

单向开关S_Ap发射极连接单向开关S_An集电极，单向开关S_Bp发射极连接单向开关S_Bn集电极，单向开关S_Cp发射极连接单向开关S_Cn集电极；

电感L_a2另一端、电感L_b2另一端、电感L_c2另一端分别连接双向开关S_ap另一端、双向开关S_bp另一端、双向开关S_cp另一端；

单向开关S_Ap发射极、单向开关S_Bp发射极、单向开关S_Cp发射极分别连接交流A相线、交流B相线、交流C相线。

Images