本發(fā)明涉及一種基于虛擬同步發(fā)電機的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法。

背景技術(shù)：

近年來，船舶靠港期間產(chǎn)生的嚴重環(huán)境污染及其帶來的眾多社會問題已經(jīng)引起了國際相關(guān)組織的廣泛關(guān)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(jīng)濟和環(huán)境治理有著深遠的意義。

岸電電源應(yīng)能滿足各國到港船舶的用電需求。國際船舶普遍采用60hz的用電頻率，而我國電網(wǎng)頻率為50hz，因此需要進行電力頻率的轉(zhuǎn)換。目前，岸電電源普遍采用通用變頻器的結(jié)構(gòu)和控制模式，雖然控制靈活、響應(yīng)速度較快，但由于其外特性與船舶柴油發(fā)電機不同，在并入船舶電網(wǎng)時，會給船舶電網(wǎng)帶來沖擊，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為此，可將虛擬同步發(fā)電機(virtualsynchronousgenerator，vsg)技術(shù)運用于船舶岸電電源，模擬柴油發(fā)電機組的電氣和機械特性，確保岸電電源和柴油發(fā)電機在船舶微電網(wǎng)中的協(xié)調(diào)、可靠運行。

vsg是基于同步發(fā)電機思想的新型電力電子逆變器控制技術(shù)，通過模擬同步發(fā)電機的電磁及機械特性，解決傳統(tǒng)逆變器輸出阻抗小、低阻尼、無慣性等問題，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，針對vsg技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在微電網(wǎng)以及柔性直流輸電等領(lǐng)域，而涉及船舶微電網(wǎng)岸電電源的相關(guān)研究和應(yīng)用較少。

在船舶靠港時，船舶電力負載通常以電動機為主，如大型起重設(shè)備，此類大容量負載在貨物裝卸時頻繁起動，將對有限容量船舶電網(wǎng)造成較大的功率沖擊，具體表現(xiàn)為電網(wǎng)頻率和電壓的大幅波動，嚴重影響了船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性。因此，相對于其他微電網(wǎng)，船舶電網(wǎng)對供電電源提出了更高的穩(wěn)定性要求。

傳統(tǒng)岸電電源的vsg技術(shù)解決了兩個問題：一是模擬同步發(fā)電機的一次調(diào)頻特性，即下垂控制特性，可以實現(xiàn)多機并聯(lián)的功率自動分配；二是模擬同步發(fā)電機的慣性和阻尼特性，可以有效抑制系統(tǒng)頻率的劇烈波動。存在的問題是，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)依然存在頻率偏差。

傳統(tǒng)岸電電源的無功-電壓控制主要模擬了同步發(fā)電機的下垂控制特性，可以實現(xiàn)多機并聯(lián)的功率自動分配。主要問題是不能消除系統(tǒng)電壓的穩(wěn)態(tài)偏差，特別是沒有解決由于大功率船舶電網(wǎng)無功沖擊造成的電壓劇烈波動問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于虛擬同步發(fā)電機的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，能夠有效抑制船舶電網(wǎng)電力負荷沖擊引起的系統(tǒng)頻率和電壓的劇烈變動，消除系統(tǒng)頻率和電壓控制靜差,解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不能消除系統(tǒng)電壓的穩(wěn)態(tài)偏差，特別是沒有解決由于大功率船舶電網(wǎng)無功沖擊造成的電壓劇烈波動問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種基于虛擬同步發(fā)電機的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，包括有功-頻率控制和無功-電壓控制兩個部分，

有功-頻率控制由虛擬調(diào)速控制和虛擬慣性控制級聯(lián)組成，其中虛擬調(diào)速控制的輸出機械功率pm由三個部分組成：指令有功功率p0、一次調(diào)頻補償有功功率δp1、頻率穩(wěn)定控制補償有功功率δp2，且存在關(guān)系：虛擬慣性控制由虛擬機械轉(zhuǎn)動慣量jω0s和機械阻尼dω0組成；有功-頻率控制p-f的控制方程為：

其中，ω為角速度，ω0為同步角速度，m為p-f控制下垂系數(shù)，kω為頻率偏差積分系數(shù)，j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，s為復(fù)頻率，d為阻尼系數(shù)，p0為指令有功功率，p為岸電電源輸出有功功率；

無功-電壓控制由虛擬勵磁控制和無功慣性控制級聯(lián)組成，其中虛擬勵磁控制器的輸出無功功率qe由三個部分組成：指令無功功率q0、勵磁補償無功功率δq1、電壓穩(wěn)定控制補償無功功率δq2，且存在關(guān)系：無功慣性控制在電源輸出無功功率q與qe的偏差通道上設(shè)置一階慣性控制無功-電壓控制q-u的穩(wěn)定控制方程為：

其中，e為無功-電壓控制器輸出電壓，e0為指令電壓，n為無功-電壓下垂控制系數(shù)，tq為一階無功慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，kq為一階無功慣性環(huán)節(jié)的增益，ke為電壓偏差積分系數(shù)，q0為指令無功功率，q為電源輸出無功功率。

進一步地，具體控制步驟如下：

步驟1：求取指令頻率ω0與系統(tǒng)頻率ω的偏差δω，經(jīng)過比例控制器1/m和積分控制器kω/s，分別獲得一次調(diào)頻補償有功功率δp1和頻率穩(wěn)定控制補償有功功率δp2；

步驟2：求和一次調(diào)頻補償有功功率δp1、頻率穩(wěn)定控制補償有功功率δp2和p0，獲取機械功率pm；

步驟3：機械功率pm與電源輸出有功功率p相比較，獲得有功功率偏差δp；

步驟4：有功功率偏差δp經(jīng)過虛擬慣性控制控制輸出與ω0相疊加，獲得系統(tǒng)頻率ω；

步驟5：求取指令電壓e0與無功-電壓控制器輸出電壓e的偏差δe，經(jīng)過比例控制器1/n和積分控制器ke/s，分別獲得勵磁補償無功功率δq1和電壓穩(wěn)定控制補償無功功率δq2；

步驟6：求和勵磁補償無功功率δq1、電壓穩(wěn)定控制補償無功功率δq2和q0，獲取虛擬勵磁控制器輸出無功功率qe；

步驟7：虛擬勵磁控制器輸出無功功率qe與電源輸出無功功率q相比較，獲得無功功率偏差δq；

步驟8：無功功率偏差δq經(jīng)過虛擬慣性控制控制輸出與e0相疊加，獲得無功-電壓控制器輸出電壓e。

本發(fā)明的有益效果是：該種基于虛擬同步發(fā)電機的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，一方面，可以克服現(xiàn)有基于vsg技術(shù)的岸電電源存在的系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)偏差問題，消除系統(tǒng)頻率靜差；另一方面，由于在傳統(tǒng)無功-電壓控制策略中，增加了無功慣性控制和虛擬勵磁控制環(huán)節(jié)，可以有效抑制由于船舶負荷無功功率沖擊引起的系統(tǒng)電壓劇烈波動，并消除系統(tǒng)電壓的靜差。同時，本發(fā)明控制策略可實現(xiàn)大容量多模塊岸電電源并聯(lián)運行時的功率自動分配。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例基于虛擬同步發(fā)電機的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法的說明示意圖。

圖2是有功-頻率控制仿真波形圖，其中，(a)岸電電源輸出有功功率，(b)系統(tǒng)頻率，無慣性控制，(c)系統(tǒng)頻率，kω＝0，(d)系統(tǒng)頻率，kω＝10，即采用了本發(fā)明控制策略。

圖3是無功-電壓控制仿真波形圖，其中，(a)岸電電源輸出無功功率，(b)系統(tǒng)電壓，無慣性控制，ke＝0，(c)系統(tǒng)電壓，ke＝0，(d)系統(tǒng)頻率，ke＝10，(e)電源輸出無功功率，ke＝10。

圖4是實施例中多模塊岸電電源功率均分控制仿真波形圖，其中，(a)有功功率輸出，(b)無功功率輸出。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例

一種基于虛擬同步發(fā)電機的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，包含有功-頻率控制和無功-電壓控制兩個部分?？刂圃砣鐖D1。

有功-頻率控制由虛擬調(diào)速控制和虛擬慣性控制級聯(lián)組成，其中：

1)虛擬調(diào)速控制的輸出機械功率pm由三個部分組成：指令有功功率p0、一次調(diào)頻補償有功功率δp1、頻率穩(wěn)定控制補償有功功率δp2，且存在關(guān)系：

2)虛擬慣性控制由虛擬機械轉(zhuǎn)動慣量jω0s和機械阻尼dω0組成。

無功-電壓控制由虛擬勵磁控制和無功慣性控制級聯(lián)組成，其中：

1)虛擬勵磁控制器的輸出無功功率qe由三個部分組成：指令無功功率q0、勵磁補償無功功率δq1、電壓穩(wěn)定控制補償無功功率δq2，且存在關(guān)系：

2)無功慣性控制在電源輸出無功功率q與qe的偏差通道上設(shè)置一階慣性控制

具體的控制步驟如下：

步驟1：求取指令頻率ω0與系統(tǒng)頻率ω的偏差δω，經(jīng)過比例控制器1/m和積分控制器kω/s，分別獲得一次調(diào)頻補償有功功率δp1和頻率穩(wěn)定控制補償有功功率δp2；

步驟2：求和一次調(diào)頻補償有功功率δp1、頻率穩(wěn)定控制補償有功功率δp2和p0，獲取機械功率pm；

步驟3：機械功率pm與電源輸出有功功率p相比較，獲得有功功率偏差δp；

步驟4：有功功率偏差δp經(jīng)過虛擬慣性控制控制輸出與ω0相疊加，獲得系統(tǒng)頻率ω；

步驟5：求取指令電壓e0與無功-電壓控制器輸出電壓e的偏差δe，經(jīng)過比例控制器1/n和積分控制器ke/s，分別獲得勵磁補償無功功率δq1和電壓穩(wěn)定控制補償無功功率δq2；

步驟6：求和勵磁補償無功功率δq1、電壓穩(wěn)定控制補償無功功率δq2和q0，獲取虛擬勵磁控制器輸出無功功率qe；

步驟7：虛擬勵磁控制器輸出無功功率qe與電源輸出無功功率q相比較，獲得無功功率偏差δq；

步驟8：無功功率偏差δq經(jīng)過虛擬慣性控制控制輸出與e0相疊加，獲得無功-電壓控制器輸出電壓e。

該種基于虛擬同步發(fā)電機的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，包含有功-頻率控制和無功-電壓控制兩個部分，參照圖1，基本控制原理分別闡述如下：

(1)有功-頻率(p-f)穩(wěn)定控制

同步發(fā)電機通常根據(jù)系統(tǒng)頻率偏差，通過調(diào)速器實時調(diào)節(jié)輸出機械功率，維持系統(tǒng)頻率在一定范圍內(nèi)，也稱之為發(fā)電機的一次調(diào)頻。為了模擬同步電機一次調(diào)頻特性，虛擬同步發(fā)電機(virtualsynchronousgenerator，vsg)通常設(shè)置虛擬調(diào)速器，其控制方程如下：

式中，m為p-f控制下垂系數(shù)。

式(1)模擬了同步發(fā)電機的頻率靜態(tài)下垂輸出特性，可實現(xiàn)岸電電源多機并聯(lián)運行時的有功功率的自動分配。

同時，為了模擬同步發(fā)電機的機械慣性特性，vsg通常設(shè)置虛擬慣性控制器。設(shè)置vsg的極對數(shù)為1，則其轉(zhuǎn)矩方程可表示為：

式中，j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；pm為機械功率；pe為電磁功率，如忽略vsg定子損耗(對應(yīng)并網(wǎng)vsc的功率損耗)，pe等效為并網(wǎng)vsc的輸出功率p；ω0為同步角速度，ω為角速度，d為阻尼系數(shù)。

結(jié)合式(1)和式(2)，可獲得p-f控制方程：

式(3)忽略了p/ω的角速度偏差δω＝ω0-ω，取ω＝ω0。

分析式(3)，vsg的慣性控制可以抑制系統(tǒng)頻率劇烈波動。但在有限j和d值條件下，穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)依然存在頻率偏差。

為了消除該頻率靜差，實施例的該種系統(tǒng)頻率穩(wěn)定控制方法，參照圖1在虛擬調(diào)速器的頻率偏差控制通道上增加了積分環(huán)節(jié)，用來補償頻率穩(wěn)態(tài)控制誤差。此時，vsg虛擬調(diào)速控制方程可調(diào)整為：

式中，

可見，積分環(huán)節(jié)改變了vsg輸出機械功率pm。當(dāng)系統(tǒng)頻率下降時，pm增加，根據(jù)式(2)的vsg轉(zhuǎn)子運動方程，系統(tǒng)頻率增加，直到消除頻率靜差；反之亦然。

下面分析該控制系統(tǒng)的動靜態(tài)特性。

結(jié)合式(2)和式(4)，根據(jù)圖1，可獲得本發(fā)明的p-f控制方程：

其中，ω為角速度，ω0為同步角速度，m為p-f控制下垂系數(shù)，kω為頻率偏差積分系數(shù)，j為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，s為復(fù)頻率，d為阻尼系數(shù)，p0為指令有功功率，p為岸電電源輸出有功功率；

分析式(5)，可見，穩(wěn)態(tài)時ω＝ω0，消除了系統(tǒng)頻率靜差。

(2)無功-電壓(q-u)穩(wěn)定控制

實施例的該種無功電壓穩(wěn)定控制方法，如圖1所示，包含虛擬勵磁控制和無功慣性控制兩個部分。

1)虛擬勵磁控制環(huán)節(jié)

該環(huán)節(jié)用來模擬同步發(fā)電機的勵磁控制功能，根據(jù)系統(tǒng)電壓偏差自動調(diào)節(jié)勵磁電流(這里表現(xiàn)為無功功率)，維持系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定；同時，保證了岸電電源多機并聯(lián)運行時的無功功率自動分配。

根據(jù)圖1，可獲得虛擬勵磁控制方程：

式中，n為無功-電壓下垂控制系數(shù)，ke為電壓偏差積分系數(shù)。

該勵磁控制器輸出無功功率qe由兩部分組成，第一部分為傳統(tǒng)q-u下垂控制輸出功率，即q0+δe/n；第二部分定義為δq2＝keδe/s，用來補償系統(tǒng)電壓偏差，以實現(xiàn)系統(tǒng)電壓的無靜差控制。

2)無功慣性控制環(huán)節(jié)

借鑒vsg機械特性控制思路，本發(fā)明在q-u控制器中增加一階慣性環(huán)節(jié)，以增加q-u控制的慣性和阻尼特性，抑制船舶電網(wǎng)電力負載無功沖擊造成的電壓閃變。該控制環(huán)節(jié)可表示為：

式中，δq＝qe-q；tq、kq分別為一階無功慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)和增益。

結(jié)合式(6)和式(7)，可獲得本發(fā)明的q-u穩(wěn)定控制方程：

分析式(8)的δe/δq閉環(huán)二階控制系統(tǒng)，由于積分環(huán)節(jié)存在，消除了系統(tǒng)電壓靜差，穩(wěn)態(tài)時有e＝e0；另一方面，可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)ke、tq以及kq來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)性能。

該種基于虛擬同步發(fā)電機(vsg)的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，一方面，可以克服現(xiàn)有基于vsg技術(shù)的岸電電源存在的系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)偏差問題，消除系統(tǒng)頻率靜差；另一方面，由于在傳統(tǒng)無功-電壓控制策略中，增加了無功慣性控制和虛擬勵磁控制環(huán)節(jié)，可以有效抑制由于船舶負荷無功功率沖擊引起的系統(tǒng)電壓劇烈波動，并消除系統(tǒng)電壓的靜差。同時，本發(fā)明控制策略可實現(xiàn)大容量多模塊岸電電源并聯(lián)運行時的功率自動分配。

仿真分析

基于實施例的岸電電源系統(tǒng)穩(wěn)定控制方法，搭建matlab/simulink系統(tǒng)仿真平臺，系統(tǒng)參數(shù)如表1。

表1系統(tǒng)與控制參數(shù)

(1)p-f控制仿真

船舶電力負載初始有功功率pl設(shè)置為50kw；t＝0.5s時刻，pl增加50kw；t＝0.6s時刻，pl下降25kw。仿真波形如圖2所示。

圖2中(a)為岸電電源輸出有功功率p?？梢姡琾跟隨pl在0.5s和0.6s時刻發(fā)生躍變，系統(tǒng)有功功率輸出具有較快的響應(yīng)速度。

圖2中(b)為未采用vsg慣性控制的系統(tǒng)頻率波形?？梢姡到y(tǒng)呈現(xiàn)明顯的p-f下垂控制特性，但由于不存在慣性環(huán)節(jié)，f跟隨p呈階躍響應(yīng)特征，變化幅度較大。

圖2中(c)、(d)為采用了vsg慣性控制的系統(tǒng)頻率波形?？梢姡捎趹T性環(huán)節(jié)的存在，f變化平緩，沒有跟隨p出現(xiàn)較大的躍變。該結(jié)論表明，采用vsg慣性控制，能夠有效抑制負載有功沖擊引起的頻率突變，增強了船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性。其中：

圖2中(c)中由于頻率偏差積分系數(shù)kω取值為0，穩(wěn)定狀態(tài)下出現(xiàn)明顯的頻率偏差δω；圖2(d)中，kω設(shè)置為10，即采用了本發(fā)明所述頻率穩(wěn)定控制策略，頻率靜差近似為0，系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)時穩(wěn)定在60hz附近。

上述仿真分析結(jié)論驗證了本發(fā)明所述有功-頻率控制策略在消除系統(tǒng)頻率靜差、抑制頻率波動的有效性。

(2)q-u控制仿真

船舶電網(wǎng)初始無功負載設(shè)置為容性負載，ql＝-50kvar；t＝0.4s時刻，增加感性無功50kvar。仿真波形如圖3所示。

圖3(a)為岸電電源輸出無功功率q?？梢姡峨婋娫茨軌蜓杆夙憫?yīng)負載無功需求。

圖3(b)為未采用本發(fā)明無功慣性控制的系統(tǒng)電壓。由圖可見，系統(tǒng)呈現(xiàn)q-u下垂控制特性，但由于沒有采用慣性控制，電壓隨電源輸出無功發(fā)生躍變，變化幅度較大。

圖3(c)～圖3(d)為采用了本發(fā)明無功慣性控制的系統(tǒng)電壓波形。由圖可見，由于無功慣性環(huán)節(jié)的存在，系統(tǒng)電壓變化平緩。其中：

圖3(c)的控制系統(tǒng)ke＝0，也即沒有電壓偏差積分環(huán)節(jié)，此時系統(tǒng)電壓穩(wěn)態(tài)時出現(xiàn)偏差δu。該結(jié)論表明，無功慣性控制可以有效抑制無功功率沖擊造成的系統(tǒng)電壓突變，但無法消除電壓靜差。

圖3(d)中ke＝10，穩(wěn)態(tài)時δu近似為0，消除了電壓靜差。并且，比較圖圖3.e和3.a可知，由于電壓偏差的降低，有效提高了電源輸出無功功率精度。

上述仿真試驗結(jié)論表明，本發(fā)明所述無功-電壓控制器的勵磁控制和無功慣性控制環(huán)節(jié)能夠分別有效改善系統(tǒng)電壓的靜態(tài)和動態(tài)性能，抑制電壓波動并消除電壓靜差，從而維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定運行。

(3)多模塊岸電電源功率均分控制仿真

為了驗證基于本發(fā)明控制策略的岸電電源多模塊并聯(lián)運行時的功率自動分配控制效果，搭建兩模塊岸電電源仿真平臺。這里以模塊化岸電電源為例驗證功率均分能力，設(shè)置兩模塊仿真參數(shù)為：kω＝10，ke＝10。

仿真初始時刻，船舶電力負載為pl＝50kw，ql＝-50kvar；t＝0.5s時刻，pl＝100kw，ql＝0kvar。仿真波形如圖4所示。

圖中，p1、q1和p2、q2分別為模塊1和模塊2的輸出有功、無功功率。

分析圖4，兩電源模塊輸出有功和無功功率基本一致，平均分配了船舶電網(wǎng)負載功率。該結(jié)論驗證了本發(fā)明所提控制策略能夠有效實現(xiàn)多模塊岸電電源并聯(lián)運行時的功率自動分配控制。