基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统技术方案

一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统，包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值Pref和Qref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统
本专利技术涉及的是一种电网智能控制领域的技术，具体是一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统。
技术介绍
现今国外船舶电网频率大多为60Hz而我国港口电网频率为50Hz，因此需要研究适合我国电制的岸电变频技术，将我国港口电网交流电变换成适合于外国船舶60Hz交流电，同时实现50Hz/60Hz双频供电。采用传统逆变控制方式的变频岸电电源，因其输出特性和调节操作与传统柴油发电机组的差异，并入船舶电网时将带来冲击。因此，为使电力电子逆变式岸电电源在功能上模拟发电机外特性，降低岸电电源并入船舶电网时对船舶电网的冲击，同时有效实现负荷的转移，逆变环节控制策略一般采用下垂控制策略。下垂控制虽然在离网运行时能取得良好的效果，但当船舶负载并网至岸电电源时，则可能会对岸电电源系统，尤其是对变频器产生不良冲击；此外，船舶上的电机负载、大型泵组在启停时，会对船舶电网造成冲击，由于下垂控制的岸电电源惯性较小，该类负荷突变容易引起电网振荡。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统，通过虚拟惯量常数的引入，使得岸电电源具有与柴油发电机相似的电气和机械外特性，即电源输出拥有较大惯性，在电网波动时仍能输出较为稳定的电压及频率，以达到更好的供电效果。该方法解决固定、高惯量常数带来的响应迟缓、动态响应性能差等问题，根据频率偏差幅度协调平衡稳定性与动态特性间的矛盾。考虑到无功调节特性，控制加入延时模块以更好模拟实际同步发电机电压变化过程。在此控制策略下的岸电电源能够平抑电源切换与船舶负荷波动对岸电电源的冲击，且可调度性良好，使岸电电源成为适应能力强的电网友好型电源，具有广泛的应用前景。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值Pref和Qref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能。所述的VSG控制层包括有功-频率模块、无功-电压控制模块和三相发生器模块以实现对电压、功率、频率的控制。技术效果与现有技术相比，本专利技术通过层间划分可以使控制更加高效。虚拟同步发电机控制算法层中采用虚拟的惯量常数来模拟同步发电机中的转动惯量，控制转子运动所存储的动能，增加岸电电源惯量的调节尺度。该控制方法为岸电电源带来高惯性，使得虚拟同步发电机输出不会有较大的突变，在电网波动时仍能输出较为稳定的电压及频率，具备良好的控制效果。该控制方法能够缩短岸电电源在遭遇冲击后的震荡时间，降低震荡幅度，平抑扰动对岸电电源逆变器的冲击，使得岸电电源得以稳定输出，成为适应能力强的电网友好型电源。附图说明图1为岸电电源变频系统模型示意图；图2为岸电电源变频器电路原理图；图3为基于VSG的岸电电源三层控制拓扑结构示意图；图4有功-频率控制示意图；图5为无功-电压控制模块控制示意图；图6为dq0坐标系中电压电流环控制器结构示意图；图7为系统根轨迹图；图8为自适应虚拟惯量常数H与岸电电源输出角频率ω关系曲线示意图；图9为自适应惯性控制与固定惯性控制下岸电电源有功功率响应曲线示意图；图10为自适应惯性控制与固定惯性控制下岸电电源无功功率响应曲线示意图；图11为自适应惯性控制与固定惯性控制下岸电电源频率响应曲线示意图。具体实施方式如图1所示，为岸电电源变频系统模型示意图，包括变频器和输出侧隔离变压器，该系统能适应靠港船舶的用电需求，提供岸电电源的正常接入服务。每个泊位分别由一套变压变频装置提供岸电电源。本实施例中，岸电电源变频器采用多个独立的H桥功率单元串联实现高压输出，包括移相变压器和功率单元，其中：功率单元包括整流单元和逆变单元。如图2所示，以24脉波变频器为例，移相变压器采用多重化设计，将网侧的高压变换成二次侧的多组低电压，二次侧绕组在绕制时采用延边三角形接法，相互之间形成固定相位差，产生多脉冲整流方式，使得变压器二次侧各绕组(功率单元的输入)的谐波电流相互抵消，不反映到高压侧，从而有效改善电网的电流波形，基本上消除变频器对电网的谐波污染。变压器各二次绕组相互独立，并单独为一个功率单元供电，所以每个功率单元的主回路相对独立，并且工作在低电压状态。各功率单元之间的相对电压，由变压器二次绕组的绝缘承担，功率单元之间不存在串联均压问题。三相有多个功率单元，变频器的总输出电压由各功率单元的输出电压串联叠加而得到，虽然每个单元输出的都是等幅PWM电压波形，但各单元输出相互之间有确定的相位偏移，串联叠加以后，在变频器输出侧得到的是正弦阶梯状PWM波形。如图3所示，为本实施例涉及的一种基于虚拟同步发电机(virtualsynchronousgenerator，VSG)技术的船舶岸电电源控制系统，其采用三相电压源型逆变器，其中：A点为岸电电源并网点，该系统包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值Pref和Qref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能。图3中的逆变电路为三相全桥逆变，PWM信号在驱动电路的驱动下控制逆变桥中开关管的通断，输出电压经过LC滤波电路后经过线路连入陆地电网交流母线，Lf和C分别是滤波器电感、电容，ZL为线路阻抗。所述的VSG控制层选取等效的同步发电机模型，即发电机转子机械方程为其中：Pm为输入的机械功率，Pout为并网连接点VSG的实际输出机械功率，H为虚拟惯量常数。所述的VSG控制层包括有功-频率模块、无功-电压控制模块和三相发生器模块以实现对电压、功率、频率的控制，其中：所述的有功-频率模块在岸电电源运行时，外接陆地大电网能提供频率支撑，其频率ωgrid被钳位，依靠阻尼项k(ω-ωgrid)控制电源频率，采用有功-频率下垂控制，模拟电力系统一次调频功能，具体为：其中：D为有功下垂系数，Pref和ωref为输出侧参考有功功率以及角频率，其满足下垂控制关系：P为VSG控制下逆变器端口输出的有功功率，Pm为输入的机械功率，k为阻尼系数，H为优化后的VSG的虚拟惯量常数，岸电电源转子机械方程满足如图5所示，所述的无功-电压控制模块通过内置的PI控制器以比例积分PI进行具有一阶延迟的精确无功功率优化控制，该PI控制器下无功功率的响应速度会较快，而同步发电机在实际运行时，无功功率缓慢变化，避免可能产生的剧烈波动，经一定时间后系统可过渡至新的稳定点。由于优化控制策略中加入一阶延迟部分，优化无功功率的调节过程，降低冲击的影响，具体为：当电压控制的目标依赖于岸电电源的工作状态，运行时电压指令为E1＝Eset-DQQ，其中：Q为VSG控制下岸电电源端口输出的无功功率，DQ为无功下垂因子，而Eset为虚拟同步机机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统，包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值Pref和Qref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能；所述的VSG控制层包括有功‑频率模块、无功‑电压控制模块和三相发生器模块以实现对电压、功率、频率的控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟同步发电机技术的船舶岸电电源控制系统，包括：依次相连的能量管理层、VSG控制层和电压电流控制层，其中：能量管理层接收中央管理器的功率指令对全系统进行调节，VSG控制层通过接收中央控制器发来的有功功率及无功功率设定参考值Pref和Qref，计算形成机端参考电压幅值E及相位角δ，并经过三相正弦发生器最终得到三相电压幅值参考值U*指令，电压电流控制层跟踪VSG控制层并采样岸电电源输出情况反馈以改善控制性能；所述的VSG控制层包括有功-频率模块、无功-电压控制模块和三相发生器模块以实现对电压、功率、频率的控制。2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的有功-频率模块在岸电电源运行时，外接陆地大电网能提供频率支撑，其频率ωgrid被钳位，依靠阻尼项k(ω-ωgrid)控制电源频率，采用有功-频率下垂控制，模拟电力系统一次调频功能。3.根据权利要求2所述的系统，其特征是，所述的模拟，具体为：其中：D为有功下垂系数，Pref和ωref为输出侧参考有功功率以及角频率，其满足下垂控制关系：P为VSG控制下逆变器端口输出的有功功率，Pm为输入的机械功率，k为阻尼系数，H为优化后的VSG的虚拟惯量常数，岸电电源转子机械方程满足4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的无功-电压控制模块通过内置的PI控制器以比例积分PI进行具有一阶延迟的精确无功功率优化控制，具体为：当电压控制的目标依赖于岸电电源的工作状态，运行时电压指令为E1＝Eset-DQQ，其中：Q为VSG控制下岸电电源端口输出的无功功率，DQ为...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖单宏，黎洪光，陈文炜，郑欣，彭灵利，王劲锋，张新民，梁立峰，唐成，林亚培，李英锋，刘晓阳，于博文，黄文焘，吴攀，
申请(专利权)人：广州供电局有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44