本發(fā)明涉及一種岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法。

背景技術：

近年來，船舶靠港期間產生的嚴重環(huán)境污染及其帶來的眾多社會問題已經引起了國際相關組織的廣泛關注和重視。使用岸電電源代替船舶柴油發(fā)電機系統(tǒng)能夠有效減少港區(qū)有害氣體的排放，提高能源使用效率，對于節(jié)能減排、綠色經濟和環(huán)境治理有著深遠的意義。

當岸電電源并入船舶電網時，首先需要判斷岸電電源是否滿足并入船舶電網的條件，即岸電電源與船舶電網的電壓相位和幅值偏差是否在可接受的范圍之內。當滿足條件時，岸電電源執(zhí)行并網操作；否則，當并網條件不滿足，則對需要對并入船舶電網的岸電電源進行電壓相位(頻率)和幅值的同步控制，消除并網暫態(tài)沖擊，實現(xiàn)平滑過渡，以達到岸電電源友好并網的目的。

傳統(tǒng)電壓相位同步控制方法通常采集電網和電源電壓相位，通過控制二者相位差為零，實現(xiàn)電壓相位(頻率)的同步控制；傳統(tǒng)電壓幅值同步控制方法通過采集電網和電源電壓幅值，通過控制二者幅值差為零，實現(xiàn)電壓幅值的同步控制。上述電壓同步控制方法存在的主要問題是：第一，存在電壓相位和幅值兩個相對獨立的控制算法，沒有統(tǒng)一控制算法；第二，相位同步控制方法需要設置兩個電壓相位鎖相環(huán)，即電網電壓鎖相環(huán)和電源電壓鎖相環(huán)，控制算法復雜，占用較多控制資源。

傳統(tǒng)相位同步控制方法中，相位(頻率)同步控制采用比較分析法，首先分析兩種常見的相位同步控制方法，如圖1所示。圖1中，θo、θg分別為岸電電源并網電壓uo和船舶電網電壓ug的相位角；uq、ugq分別為uo和ug在srf上q軸分量；kθp、kθ分為相位同步控制器的比例和積分系數(shù)。

傳統(tǒng)相位同步控制參照圖1，將兩種常見的相位同步控制方法分別稱為頻率調節(jié)法或相位調節(jié)法，分別對應控制線路①和②。其中，頻率調節(jié)法首先獲取θg與θo的相位差δθ，經過pi控制器輸出頻率補償量ωc，然后通過ωc實時調節(jié)p-f控制器的輸出頻率ω，實現(xiàn)相位和頻率同步；相位調節(jié)法的pi控制器輸出相位補償量θc，然后通過θc直接調節(jié)θ，實現(xiàn)相位和頻率同步。

當采用頻率調節(jié)法時，忽略相位指令θr和θo之間的微小偏差δ，可獲得相位反饋控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)gθ(s)：

根據(jù)式(1)，可獲得該二階系統(tǒng)的特征方程：

式中：自然頻率阻尼系數(shù)

可見，當kθp＝0，即pi控制為純積分控制時，有ξ＝0，特征方程(2)具有一對純虛根系統(tǒng)為等值振蕩系統(tǒng)。因此，頻率調節(jié)法不能采用純積分控制器。通常，為了抑制振蕩取值然而，當kθp≠0時，相位同步初始時刻δθ的階躍變化必然反映到ωc中，從而造成系統(tǒng)頻率的突變。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法，控制結構簡單，具有較快的響應速度和控制精度解決現(xiàn)有技術中存在的存在電壓相位和幅值兩個相對獨立的控制算法，沒有統(tǒng)一控制算法；相位同步控制方法需要設置兩個電壓相位鎖相環(huán)，即電網電壓鎖相環(huán)和電源電壓鎖相環(huán)，控制算法復雜，占用較多控制資源的問題。

本發(fā)明的技術解決方案是：

一種岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法，包括以下步驟，

同步旋轉坐標系srf與岸電電源并網電壓相位θo同步；

通過控制船舶電網電壓ug和岸電電源并網電壓uo在srf上q軸的電壓偏差δuq為零來實現(xiàn)電壓相位同步控制；

通過控制ug和uo在srf上d軸的電壓偏差δud為零來實現(xiàn)電壓幅值同步控制。

進一步地，電壓相位同步控制的控制方程為：

其中，θr為電壓相位指令，θ為θ為p-f下垂控制器輸出相位，為積分控制器，ugq為船舶電網電壓ug在同步旋轉坐標系srf上的q軸電壓，uq為岸電電源電壓uo在srf上的q軸電壓。

進一步地，通過消除ug和uo在srf上d軸的ugd和ud的電壓偏差δud，實現(xiàn)岸電電源和船舶電網的電壓幅值同步，電壓幅值同步控制的控制方程為：

其中，er為電壓幅值指令，e為無功-電壓q-u下垂控制器的輸出電壓，為積分控制器，ugd為船舶電網電壓ug在同步旋轉坐標系srf上的d軸電壓，ud為岸電電源電壓uo在srf上的d軸電壓。

進一步地，由獲得的電壓相位指令θr和幅值指令er，獲得岸電電源電壓指令：

er＝ersinθr。

進一步地，具體控制步驟如下：

步驟1：并網前，并網開關t＝0分閘；控制開關k1＝0分閘；控制開關k2＝0分閘；

步驟2：通過鎖相環(huán)pll獲取岸電電源并網電壓相位θo；

步驟3：將三相abc坐標系中的船舶電網電壓ug通過同步旋轉坐標變換cabc-dq，獲得srf上d軸電壓ugd和q軸電壓ugq：

其中，

步驟4：將三相abc坐標系中的岸電電源電壓uo通過同步旋轉坐標變換cabc-dq，獲得srf上d軸電壓ud和q軸電壓uq：

步驟5：求取船舶電網電壓ug在同步旋轉坐標系srf上的q軸電壓ugq和岸電電源電壓uo在srf上的q軸電壓uq的偏差δuq；求取船舶電網電壓ug在同步旋轉坐標系srf上的d軸電壓ugd和岸電電源電壓uo在srf上的d軸電壓ud的偏差δud；

步驟6：t1時刻，接受到并網指令，令k1＝k2＝1，控制開關k1、k2合閘；同時，延時計數(shù)器t1開始計數(shù)；

步驟7：將δuq送入積分控制器積分控制器輸出補償相位θc；

步驟8：將θc與有功-頻率p-f下垂控制器的輸出相位θ相疊加，獲得系統(tǒng)電壓相位指令θr；

步驟9：將δud送入積分控制器積分控制器輸出補償電壓ec；

步驟10：將補償電壓ec與無功-電壓q-u下垂控制器的輸出電壓e相疊加，獲得系統(tǒng)電壓幅值指令er；

步驟11：結合系統(tǒng)電壓幅值指令er和系統(tǒng)電壓相位指令θr，生成系統(tǒng)電壓指令er＝ersinθr；

步驟12：t2時刻，t1延時結束，完成電壓相位和幅值同步控制；

步驟13：令t＝1，并網開關t合閘，岸電電源并網；

步驟14：令k2＝r(t)，開啟功率同步控制：

步驟15：t3時刻，功率同步控制結束，控制時間t2＝t3-t2，k2＝0。

本發(fā)明的有益效果是：該種岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法，無需改變并網前后岸電電源的控制策略，即可實現(xiàn)電壓相位、頻率、幅值以及功率的平滑過渡。相對于傳統(tǒng)相位同步控制方法，由于將船舶電網電壓的鎖相控制融入到了該方法中，節(jié)約了船舶電網電壓鎖相環(huán)，控制算法簡單，占用控制資源較少；同時，采取的相位直接調節(jié)方法避免了對p-f下垂控制的影響。并且，電壓幅值和相位同步控制存在于同一個同步旋轉坐標系上，控制算法統(tǒng)一，便于實施。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)相位同步控制方法實現(xiàn)相位同步控制的原理框圖。

圖2是本發(fā)明實施例一種岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法的說明示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例中岸電電源平滑并入船舶電網同步控制時序圖。

圖4是實施例的相位同步控制方法實現(xiàn)相位同步控制的原理框圖。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例

基于岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法，控制原理如圖2，控制時序如圖3，包含以下步驟：

(1)同步旋轉坐標系(srf)與岸電電源并網電壓相位θo同步。

(2)通過控制船舶電網電壓ug和岸電電源并網電壓uo在srf上q軸的電壓偏差δuq為零來實現(xiàn)電壓相位同步控制。

(3)通過控制ug和uo在srf上d軸的電壓偏差δud為零來實現(xiàn)電壓幅值同步控制。

實施例的具體控制步驟如下：

步驟1：并網前，并網開關t＝0分閘；控制開關k1＝0分閘；控制開關k2＝0分閘。

步驟2：通過鎖相環(huán)(pll)獲取岸電電源并網電壓相位θo。

步驟3：將三相abc坐標系中的船舶電網電壓ug通過同步旋轉坐標變換cabc-dq，獲得srf上d軸電壓ugd和q軸電壓ugq：

其中，

步驟4：將三相abc坐標系中的岸電電源電壓uo通過同步旋轉坐標變換cabc-dq，獲得srf上d軸電壓ud和q軸電壓uq：

步驟5：求取ugq和uq的偏差δuq；求取ugd和ud的偏差δud。

步驟6：t1時刻，接受到并網指令，令k1＝k2＝1，控制開關k1、k2合閘；同時，延時計數(shù)器t1開始計數(shù)。

步驟7：將δuq送入積分控制器積分控制器輸出補償相位θc。

步驟8：將θc與有功-頻率(p-f)下垂控制器的輸出相位θ相疊加，獲得系統(tǒng)電壓相位指令θr。

步驟9：將δud送入積分控制器積分控制器輸出補償電壓ec。

步驟10：將ec與無功-電壓(q-u)下垂控制器的輸出電壓e相疊加，獲得系統(tǒng)電壓幅值指令er。

步驟11：結合er和θr，生成系統(tǒng)電壓指令er＝ersinθr。

步驟12：t2時刻，t1延時結束，完成電壓相位和幅值同步控制。

步驟13：令t＝1，開關t合閘，岸電電源并網。

步驟14：令k2＝r(t)，開啟功率同步控制：

步驟15：t3時刻，功率同步控制結束，控制時間t2＝t3-t2，k2＝0。

該種基于岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法，參照圖2，詳細控制原理與方案如下：

岸電電源在并入船舶電網時，必須滿足岸電電源與船舶電網接口電壓的幅值、頻率和相位的一致性條件，才能消除并網暫態(tài)沖擊，實現(xiàn)平滑過渡。圖1中的傳統(tǒng)相位同步控制方法存在的另一個問題是，雖然并網后有δθ＝0，但由于ωc≠0，造成ω和ωr存在偏差，從而影響p-f下垂控制，造成并網后岸電電源輸出功率的偏差。

當采用相位調節(jié)方法時，相位反饋控制系統(tǒng)為典型一階控制系統(tǒng)，為了抑制相位同步初始時刻θc的躍變，令相位同步控制器的比例kθp＝0，將pi控制簡化為純積分控制。同時，由于頻率積分控制器的隔離作用，θc只對頻率積分控制器的輸出相位θ產生影響，通過調節(jié)θ實現(xiàn)微網相位和頻率的同步，并不影響頻率積分控制器的輸入頻率ωr，從而不對p-f下垂控制產生影響。

實施例的新型相位同步控制，參照圖4，實施例方法，一方面，采用了相位調節(jié)方法，積分控制器輸出相位補償量θc，直接調節(jié)岸電電源并網電壓相位與船舶電網同步，從而避免了傳統(tǒng)控制方法①存在的對p-f下垂控制影響問題。另一方面，該方法通過消除srf中q軸上ugq和uq的電壓偏差δuq，實現(xiàn)岸電電源和船舶電網的電壓相位同步。由于無需獲取船舶電網相位角θg，省略了船舶電網電壓相位的pll。事實上，根據(jù)pll基本原理，船舶電網電壓的相位鎖存功能已經融入到了本發(fā)明所提相位同步控制策略中。

實施例的相位控制方法的控制方程：

其中，θr為電壓相位指令，θ為p-f下垂控制器輸出相位，為積分控制器，ugq為船舶電網電壓ug在同步旋轉坐標系srf上的q軸電壓，uq為岸電電源電壓uo在srf上的q軸電壓。

實施例的岸電電源并網電壓幅值同步控制原理參照圖2。圖2中，ud為uo的d軸分量，由于srf與同步，則實際控制中可用ud等效代替uo。實施例方法通過消除srf中d軸上ugd和ud的電壓偏差δud，實現(xiàn)岸電電源和船舶電網的電壓幅值同步。控制方程為：

其中，er為電壓幅值指令，e為無功-電壓q-u下垂控制器的輸出電壓，為積分控制器，ugd為船舶電網電壓ug在同步旋轉坐標系srf上的d軸電壓，ud為岸電電源電壓uo在srf上的d軸電壓。

實施例的電壓指令生成如下：根據(jù)上述本發(fā)明的電壓同步控制方法獲得的電壓相位和幅值指令θr、er，可以獲得岸電電源電壓指令：

er＝ersinθr

根據(jù)指令電壓er，采用相關的控制算法，可以實現(xiàn)岸電電源輸出電壓和功率的控制。

實施例同步控制時序分析如下：岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制時序如圖3所示。參照圖3，t表示并網電力開關，k1和k2分別表示相位同步和幅值同步控制的控制開關，0表示開關分斷，1表示開關閉合。

并網前，并網開關t＝0分閘；控制開關k1＝k2＝0分閘。

t1時刻，接受到并網指令。令k1＝k2＝1，控制開關k1、k2合閘，啟動同步控制；同時，延時計數(shù)器t1開始計數(shù)。

t2時刻，延時時間t1，完成了電壓相位和幅值的同步控制。令t＝1，開關t合閘，岸電電源并網。

并網后，t2～t3階段，進行并網功率同步，以消除電壓幅值同步控制對q-u下垂控制的影響，確保岸電電源并網后能夠正確輸出無功功率。

具體控制措施：令k2＝0，取消電壓同步控制環(huán)節(jié)，消除ec對無功-電壓下垂控制的影響。為了抑制er突變，k2從1轉變0的過程設置斜坡控制函數(shù)r(t)：

式中，t2為下降時間常數(shù)，且有t2＝t3-t2，對應并網功率同步時間。

t3時刻，整個并網控制過程結束。

該種岸電電源平滑并入船舶電網的同步控制方法，無需改變并網前后岸電電源的控制策略，即可實現(xiàn)電壓相位、頻率、幅值以及功率的平滑過渡。相對于傳統(tǒng)相位同步控制方法，由于將船舶電網電壓的鎖相控制融入到了該方法中，節(jié)約了船舶電網電壓鎖相環(huán)，控制算法簡單，占用控制資源較少；同時，采取的相位直接調節(jié)方法避免了對p-f下垂控制的影響。并且，電壓幅值和相位同步控制存在于同一個同步旋轉坐標系上，控制算法統(tǒng)一，便于實施。