V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种V‑I‑Q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法，系统包括公共母线电压采样电路、发电机电枢端电压采样电路、发电机电枢端电流采样电路、发电机励磁电流采样电路、有功功率采样电路、频率检测器、变频器、PWM发生器、VIQ协同控制器、备用VIQ协同控制器、通信装置、稳压电源以及切换控制器。优点为：VIQ协同控制算法具有自适应能力，可对每套柴油发电机组进行逻辑控制和闭环调节，以发电机电枢端电压稳定、频率稳定和输出的无功功率相等为目标，调节各柴油发电机组的励磁电流，优化控制发电机组并网运行自动适应负荷能力，实现多机多任务的发电机组协同控制优化，在船舶与海洋工程领域获得显著的经济社会效益。

【技术实现步骤摘要】
V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法
本专利技术属于船舶电站及其自动化控制
，具体涉及一种V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法。
技术介绍
船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分，是产生连续供应全船电能的设备。保证船舶电站的安全稳定运行，具有重要意义。船舶电站的多台柴油发电机(DG)组以并联方式运行，目前，每套发电机组各自需要配备一套AVR自动电压调节器、一套功率控制器和一套并车管理单元，它们之间独立运行，相互影响，导致调节过程振荡；此外，控制器太多，缺少等时同步实时通讯能力，导致控制品质较差。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法，可有效解决上述问题。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术提供一种V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制系统，包括：公共母线电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、每套柴油发电机组的有功功率采样电路、每套柴油发电机组的频率检测器、每套柴油发电机组的变频器、每套柴油发电机组的PWM发生器、VIQ协同控制器、备用VIQ协同控制器、通信装置、稳压电源以及切换控制器；所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个主控制开关连接到所述VIQ协同控制器的输入端；所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个备控制开关连接到所述备用VIQ协同控制器的输入端；所述VIQ协同控制器的输出端依次通过每套柴油发电机组的PWM发生器和每套柴油发电机组的变频器后，连接到每套柴油发电机组的励磁电流调节端子；所述VIQ协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述备用VIQ协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述切换控制器分别与所述主控制开关和所述备控制开关连接。本专利技术还提供一种V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制方法，包括以下步骤：步骤1，VIQ协同控制器预建立VIQ协同控制模型；所述VIQ协同控制模型包括发电机电压电流控制模型、发电机无功功率控制模型和发电机励磁电流控制模型；其中：发电机电压电流控制模型：式中，U-发电机电枢端电压，I-发电机电枢端电流，If-发电机励磁电流，kw1-基波绕组因数，f-频率，N1-电枢绕组匝数，N2-励磁绕组匝数，Rmf-励磁绕组磁阻，Ra-电枢电阻，j-复数算子，Xs-发电机同步电抗；发电机无功功率控制模型：式中，Q-发电机输出的无功功率，δ-功率角，-功率因数角；发电机励磁电流控制模型：If＝IEU+IEI+k·ΔU式中，IEU-电压分量，具体为发电机励磁电流If整流前的交流电流IE中来自发电机端电压部分的电压分量；IEI-电流分量，具体为发电机励磁电流If整流前的交流电流IE中来自负载电流部分的电流分量；ΔU-发电机端电压偏差，k为VIQ协同控制器调节系数；步骤2，VIQ协同控制器设定控制目标，即：发电机电枢端电压U稳定在电压目标值；频率f稳定在频率目标值；并联运行时各个发电机所输出的无功功率趋于相等；步骤3，VIQ协同控制器实时采样到每个发电机的发电机实际运行参数，包括：发电机电枢端电压U、发电机电枢端电流I、发电机励磁电流If、基波绕组因数kw1、频率f、电枢绕组匝数N1、励磁绕组匝数N2、励磁绕组磁阻Rmf、电枢电阻Ra、复数算子j、发电机同步电抗Xs、发电机输出的无功功率Q、功率角δ、功率因数角电压分量IEU和电流分量IEI；VIQ协同控制将采样到的每个发电机的发电机实际运行参数代入到发电机电压电流控制模型、发电机无功功率控制模型和发电机励磁电流控制模型中，并对发电机励磁电流If进行调节控制，使发电机电枢端电压U稳定在电压目标值、频率f稳定在频率目标值以及并联运行时各个发电机所输出的无功功率趋于相等；具体调节方法为：首先根据发电机电压电流控制模型，根据发电机电枢端电压和发电机电枢端电流的波动情况，以发电机电枢端电压为电压目标值，以频率f为频率目标值，计算得到每个发电机的发电机励磁电流目标值，然后根据该发电机的发电机励磁电流实际值，得到每个发电机的第1发电机励磁电流调节值ΔIf1；然后，根据发电机无功功率控制模型，以发电机电枢端电压为电压目标值，以频率f为频率目标值，以使各台发电机所输出的无功功率相等为目标，得到使各个发电机所输出的无功功率最为接近时的每个发电机的第2发电机励磁电流调节值ΔIf2；然后，根据发电机励磁电流控制模型，根据电压分量IEU和电流分量IEI的波动情况，以发电机端电压偏差ΔU为0作为目标，得到使各个发电机端电压偏差最为接近0时的每个发电机的第3发电机励磁电流调节值ΔIf3；计算ΔIf1、ΔIf2和ΔIf3的平均值，即为最终的每个发电机的发电机励磁电流调节值ΔIf0；步骤4，根据步骤3得到的每个发电机的发电机励磁电流调节值ΔIf0，调节各个发电机的发电机励磁电流，进而实现发电机电枢端电压U稳定在电压目标值、频率f稳定在频率目标值、各个发电机所输出的无功功率最为相等的控制目标。本专利技术提供的V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法具有以下优点：针对两台及其以上柴油发电机组成的船舶电站系统，多套柴油发电机组公用一套VIQ协同控制器，另一套备用VIQ协同控制器作为热备用，基于VIQ协同控制模型，实现多机多任务发电柴油机组并网的VIQ协同控制，本专利技术的VIQ协同控制算法具有自适应能力，可以对每套柴油发电机组进行逻辑控制和闭环调节，以发电机电枢端电压稳定、频率稳定和输出的无功功率相等为目标，调节各个柴油发电机组的励磁电流，优化控制发电机组并网运行自动适应负荷的能力，实现多机多任务的发电机组协同控制优化，VIQ协同控制器是一种新型而实用的先进控制技术，在船舶与海洋工程领域获得显著的经济和社会效益。附图说明图1为本专利技术提供的V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制方法的整体流程图；图2为本专利技术提供的V-I-Q协同控制船舶电力系统的母线电压的流程图；图3为本专利技术提供的V-I-Q协同控制船舶电力系统的无功分配的流程图。具体实施方式为了使本专利技术所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术涉及到船舶电站及其自动化领域的发电系统电压及无功功率自动调节控制系统，现代船舶电站的设计以最大限度地维持不间断供电为目标。船舶电站的电压(V)、励磁电流(I)与无功功率(Q)的自动控制是保证船舶电力系统正常工作的必要条件，船舶电力系统的稳定性一直是电站自动化管理系统(PMS)的重点。励磁控制与同步发电机一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种V‑I‑Q自动调节电压及无功功率协同控制系统，其特征在于，包括：公共母线电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、每套柴油发电机组的有功功率采样电路、每套柴油发电机组的频率检测器、每套柴油发电机组的变频器、每套柴油发电机组的PWM发生器、VIQ协同控制器、备用VIQ协同控制器、通信装置、稳压电源以及切换控制器；所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个主控制开关连接到所述VIQ协同控制器的输入端；所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个备控制开关连接到所述备用VIQ协同控制器的输入端；所述VIQ协同控制器的输出端依次通过每套柴油发电机组的PWM发生器和每套柴油发电机组的变频器后，连接到每套柴油发电机组的励磁电流调节端子；所述VIQ协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述备用VIQ协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述切换控制器分别与所述主控制开关和所述备控制开关连接。...

【技术特征摘要】
1.一种V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制系统，其特征在于，包括：公共母线电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、每套柴油发电机组的有功功率采样电路、每套柴油发电机组的频率检测器、每套柴油发电机组的变频器、每套柴油发电机组的PWM发生器、VIQ协同控制器、备用VIQ协同控制器、通信装置、稳压电源以及切换控制器；所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个主控制开关连接到所述VIQ协同控制器的输入端；所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个备控制开关连接到所述备用VIQ协同控制器的输入端；所述VIQ协同控制器的输出端依次通过每套柴油发电机组的PWM发生器和每套柴油发电机组的变频器后，连接到每套柴油发电机组的励磁电流调节端子；所述VIQ协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述备用VIQ协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述切换控制器分别与所述主控制开关和所述备控制开关连接。2.一种V-I-Q自动调节电压及无功功率协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，VIQ协同控制器预建立VIQ协同控制模型；所述VIQ协同控制模型包括发电机电压电流控制模型、发电机无功功率控制模型和发电机励磁电流控制模型；其中：发电机电压电流控制模型：式中，U-发电机电枢端电压，I-发电机电枢端电流，If-发电机励磁电流，kw1-基波绕组因数，f-频率，N1-电枢绕组匝数，N2-励磁绕组匝数，Rmf-励磁绕组磁阻，Ra-电枢电阻，j-复数算子，Xs-发电机同步电抗；发电机无功功率控制模型：式中，Q-发电机输出的无功功率，δ-功率角，-功率因数角；发电机励磁电流控制模型：If＝IEU+IEI+k·ΔU式中，IEU-电压分量，具体为发电机...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊成，张桂臣，
申请(专利权)人：上海阜有海洋科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海,31