多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法.pdf

本发明涉及一种多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法。该方法应用于以太阳能、柴油发电机和储能系统组成的多能源船舶交流电力系统，即将逆变器与柴油发电机并联连接，为船舶负载供电，逆变器工作在独立运行、与柴油发电机并联运行两种模式，即：当逆变器独立运行时，控制船舶电网电压为恒压恒频，此时逆变器等效为电压源；当逆变器与柴油发电机并联运行时，逆变器实现对船舶电网无功功率补偿、带不平衡负载及提供负载谐波电流功能，柴油发电机三相功率平衡，逆变器输出电压由柴油发电机输出电压决定，此时逆变器等效为电流源。本发明方法将有源与无源逆变技术相结合，解决多能源船舶电力系统中逆变器逆变技术关键问题，提高供电质量。

权利要求书1.  一种多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，该方法应用于以太阳能、柴油发电机和储能系统组成的多能源船舶交流电力系统，即将逆变器与柴油发电机并联连接，为船舶负载供电，其特征在于：逆变器工作在独立运行、与柴油发电机并联运行两种模式，即：当逆变器独立运行时，控制船舶电网电压为恒压恒频，此时逆变器等效为电压源；当逆变器与柴油发电机并联运行时，逆变器实现对船舶电网无功功率补偿、带不平衡负载及提供负载谐波电流功能，柴油发电机三相功率平衡，逆变器输出电压由柴油发电机输出电压决定，此时逆变器等效为电流源。2.  根据权利要求1所述的多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，其特征在于：当逆变器与柴油发电机并联运行时，所述逆变器实现对船舶电网无功功率补偿是通过给定逆变器输出有功功率与无功功率的值来确定输出电流基准值的方法实现。3.  根据权利要求1所述的多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，其特征在于：当逆变器与柴油发电机并联运行时，所述逆变器实现船舶电网带不平衡负载的具体过程如下，S31：逆变器A、B、C三相电流分相控制，且每相电流控制相对独立；S32：通过与负载具有相同的功率差的方法，由式（1）确定逆变器有功功率基准                                                、、与无功功率基准、、；             式（1）式中PLA、PLB、PLC、PL(=PLA+PLB+PLC)分别为负载A、B、C三相功率及总功率，PInv、QInv为逆变器给定有功与无功功率；S33：由步骤S32获得的有功功率基准、、与无功功率基准、、，结合对船舶电网电压锁相后获得电压的频率f与相位φ信息，获得A、B、C三相基波电流基准、、，逆变器实现带不平衡负载能力。4.  根据权利要求1所述的多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，其特征在于：当逆变器与柴油发电机并联运行时，所述逆变器实现为船舶电网提供负载谐波电流的具体过程如下，S41：负载电流iLA、iLB、iLC通过有源滤波后获得基波电流ifA、ifB、ifC，将基波电流ifA、ifB、ifC再与负载电流iLA、iLB、iLC相减，即可获得谐波电流基准ihA、ihB、ihC；S42：将步骤S41获得的谐波电流基准ihA、ihB、ihC分别与步骤S33的基波电流基准、、相加，即可获得逆变器A、B、C三相电流的基准，从而实现了逆变器对船舶电网提供负载谐波电流补偿功能。5.  根据权利要求1所述的多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，其特征在于：当逆变器与柴油发电机并联运行时，在三相功率不平衡负载条件下，发电机输出三相平衡功率。

说明书多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法
技术领域
本发明属于船舶电力系统领域与电力电子变换技术领域，特别是一种多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭和环境污染问题的日益加剧，及船舶大型化、自动化趋势的日趋显著和依靠电力驱动与控制的大功率船用设备比例不断提高，能源问题成为制约船舶电力系统发展的瓶颈，需要研究将效率高、无环境污染、总量大、分布广的可再生新能源逐步替代传统能源的绿色船舶技术。基于船舶海上航行特点，太阳能是最直接、最经济和最有效的新能源，但存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺陷。为了提高船舶供电系统的稳定性与灵活性，将新能源与传统化石能源相结合所构成的船舶多能源电力系统，可满足船舶能源大幅增长的需求，改善环境污染。
相对于陆地电网，船舶电力系统通常采用三相三线制，电网容量较小，且与大电网无公共连接点，大功率推进负荷、变频装置、非线性负荷较多，一些与船舶电力系统容量相近的大容量用电设备（如侧推器）在启动过程中，会造成船舶电网电压和频率波动，从而降低电网电能质量。而电能质量的下降，不但会造成能耗的增加，还会降低电力系统的可靠性和船舶运行的安全裕度，这些也是船舶电网与分布式微电网不同之处。从船舶电力系统角度来看，船舶电网电压的稳定性是由同步发电机的励磁控制系统所决定，船舶电网频率的稳定性是由原动机转速控制系统所决定。大的电压暂降会引起异步电动机定子绕组的温度升高，从而加速绝缘老化，缩短电动机的使用寿命，严重时会烧坏电动机。同时，电压暂降会导致输电线路输送功率的降低，易造成系统频率的不稳定。从船舶电网电能质量角度来看，非线性负载造成的电网谐波与三相不平衡负载是影响船舶电网电能质量的两个重要原因，它不仅依赖于发电装置所发电能的质量，而且依赖于电力负载的用电质量，传统的三相四线电制、通过中线平衡各相不平衡性的方法难以适用于以三相三线电制为主的船舶电力系统中。
船舶光伏逆变器是实现将新能源并入船舶交流电网的关键，它作为能量传输的通道，承担着电压电流转换、与船舶电网匹配等功能，实现可再生能源的利用、能源消耗与碳排放量的降低。然而考虑到船舶铺设面积受限、光伏电池电能转化率不高的现状，用太阳能做为船舶动力源还不够现实。若直接把陆电电网中分布式并网逆变技术应用于船舶电网，最大限度地利用新能源发电，不足电量由发电机提供，将存在如下问题：①太阳能发电对天气的依赖性较强，供电可靠性不高；②发电量的不固定使得发电机运行范围大、效率低，发电机易造成更大的能量消耗；③负载变化较大，船舶电网电压与波动及发电机组无功功率的损耗等船舶固有问题无法得到根本性改善，且逆变器的加入可能进一步恶化电网的电能质量。显然，对于船舶光伏与柴电混合供电系统，研究具有电路结构简洁、功率密度高、变换效率高、成本低、适用于船舶电网特性的逆变器，是船舶电力系统中将电力电子学逆变技术和新能源联合供电技术相结合的前沿研究课题。
因此，寻求一种适用于以太阳能、柴油发电机和储能系统组成的多能源船舶交流电力系统且具有无功补偿、带不平衡性负载能力的多功能逆变器控制方法，对于提高太阳能与发电机利用率，提高逆变器供电电流质量，改善电网电能质量均具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，该方法极好地化解船舶对设备体积重量的受限与船舶电网电能质量的亟待提高之间的矛盾，并从根本上降低船舶电网电压与频率的波动、提高柴油发电机有功功率的输出。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，该方法应用于以太阳能、柴油发电机和储能系统组成的多能源船舶交流电力系统，即将逆变器与柴油发电机并联连接，为船舶负载供电，逆变器工作在独立运行、与柴油发电机并联运行两种模式，即：当逆变器独立运行时，控制船舶电网电压为恒压恒频，此时逆变器等效为电压源；当逆变器与柴油发电机并联运行时，逆变器实现对船舶电网无功功率补偿、带不平衡负载及提供负载谐波电流功能，柴油发电机三相功率平衡，逆变器输出电压由柴油发电机输出电压决定，此时逆变器等效为电流源。
在本发明一实施例中，当逆变器与柴油发电机并联运行时，所述逆变器实现对船舶电网无功功率补偿是通过给定逆变器输出有功功率与无功功率的值来确定输出电流基准值的方法实现。
在本发明一实施例中，当逆变器与柴油发电机并联运行时，所述逆变器实现船舶电网带不平衡负载的具体过程如下，
S31：逆变器A、B、C三相电流分相控制，且每相电流控制相对独立；
S32：通过与负载具有相同的功率差的方法，由式（1）确定逆变器有功功率基准                                                与无功功率基准；
                  式（1）
式中PLA、PLB、PLC、PL(=PLA+PLB+PLC)分别为负载A、B、C三相功率及总功率，PInv、QInv为逆变器给定有功与无功功率；
S33：由步骤S32获得的有功功率基准与无功功率基准，结合对船舶电网电压锁相后获得电压的频率f与相位φ信息，获得A、B、C三相基波电流基准、、，逆变器实现带不平衡负载能力。
在本发明一实施例中，当逆变器与柴油发电机并联运行时，所述逆变器实现为船舶电网提供负载谐波电流的具体过程如下，
S41：负载电流iLA、iLB、iLC通过有源滤波后获得基波电流ifA、ifB、ifC，将基波电流ifA、ifB、ifC再与负载电流iLA、iLB、iLC相减，即可获得谐波电流基准ihA、ihB、ihC；
S42：将步骤S41获得的谐波电流基准ihA、ihB、ihC分别与步骤S33的基波电流基准、、相加，即可获得逆变器A、B、C三相电流的基准，从而实现了逆变器对船舶电网提供负载谐波电流补偿功能。
在本发明一实施例中，当逆变器与柴油发电机并联运行时，在三相功率不平衡负载条件下，发电机输出三相平衡功率。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法既能够将新能源产生的直流电压变换成与船舶电网电压相匹配且稳定的优质正弦交流电流，同时还可以提高船舶电网电能质量与柴油发电机利用率、带不平衡性负载能力，具有双向功率流、负载适应能力强、应用前景广泛等优点；将本发明所述控制方法应用于船舶多能源电力系统中光伏逆变器中，适应性更强、综合特性更优越。
附图说明
图1是本发明船舶交流电网侧连接图。
图2是本发明逆变器与柴油发电机并联运行时船舶电网电流原理图。
图3是本发明控制电路的结构框图。
图4是本发明逆变器与柴油发电机并联运行时逆变器输出电流基准原理图。
图5是本发明逆变器独立运行时逆变器输出电压基准原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法，该方法应用于以太阳能、柴油发电机和储能系统组成的多能源船舶交流电力系统，即将逆变器与柴油发电机并联连接，为船舶负载供电，逆变器工作在独立运行、与柴油发电机并联运行两种模式，即：当逆变器独立运行时，控制船舶电网电压为恒压恒频，此时逆变器等效为电压源；当逆变器与柴油发电机并联运行时，逆变器实现对船舶电网无功功率补偿、带不平衡负载及提供负载谐波电流功能，柴油发电机三相功率平衡，逆变器输出电压由柴油发电机输出电压决定，此时逆变器等效为电流源。
以下具体讲述本发明实现过程。
采用本发明控制方法使得光伏逆变器在实现与柴油发电机并联运行的同时，提高船舶电网电能质量与柴油发电机利用率。太阳能电池板与储能系统并联接在逆变器输入侧，在船舶交流电网侧，逆变器与柴油发电机并联运行，共同为船舶负载提供电能，如图1所示。船舶交流电网将柴油发电机、逆变器和负载三部分连接在一起，且柴油发电机输出电流iG与逆变器输出电流iO之和等于负载电流iL。
本发明的多能源船舶电力系统中逆变器的电流随动控制方法应用于船舶逆变器与柴油发电机并联运行供电情况下，逆变器可工作在独立运行、与柴油发电机并联运行两种工作模式。当逆变器独立运行时，工作在无源逆变状态，逆变器控制目标为保持电网电压为恒压恒频，且具有强的带载能力；当逆变器与柴油发电机并联运行时，逆变器除实现将太阳能并入船舶电网的基本功能外，还可实现对电网无功功率补偿、带不平衡负载、提供负载谐波电流三个功能，仅以一相为例，柴油发电机输出电流iG、光伏逆变器输出电流iO与负载电流iL三者的原理波形如图2所示，其中负载电流iL中含有大量谐波电流，柴油发电机输出电流iG为负载所需的一部分基波电流，而逆变器输出电流io除包括负载所需剩余基波电流外，还包含负载所需全部谐波电流。
本发明控制电路的结构框图，如图3所示，它包括逆变器与柴油发电机并联运行时电流基准发生器、负载谐波发生器、逆变器独立运行时电压基准发生器、电压控制器、二选一开关、电流控制器、三相SPWM及三相逆变器部分，且A、B、C三相的控制方法与控制参数完全一致。逆变器独立运行、与柴油发电机并联运行两种工作模式的选择是通过二选一开关选择不同的电流基准来实现，且3个二选一开关是通过相同的触发信号来实现模式选择的同步。当逆变器独立运行时，电压基准发生器产生三相基准电压urA、urB、urC，并分别与逆变器输出电压uA、uB、uC相比较，其电压误差送入电压控制器，电压控制器的输出分别通过选择开关后，做为三相逆变器输出的基准电流irA、irB、irC，三个基准电流分别与逆变器输出电流iA、iB、iC相比较后，其电流误差再送入电流控制器，电流控制器的输出ueA、ueB、ueC即做为SPWM的三相调制波，产生三相逆变器所需的占空比信号dA、dB、dC，此时控制电路为电压电流双闭环控制系统，实现逆变器输出的恒压恒频，逆变器等效为电压源；当逆变器与柴油发电机并联运行时，电流基准发生器与负载谐波发生器分别产生三相逆变器输出基波电流的基准电流、、与负载谐波电流的基准电流，两部分电流各自相加以后，分别通过选择开关做为三相逆变器输出的基准电流irA、irB、irC，后面的电路原理框图与逆变器独立运行时相同，不再重述，此时控制电路构成了电流闭环控制系统，实现逆变器输出的恒流，逆变器输出电压由柴油发电机输出电压决定，逆变器等效为电流源。
当逆变器与柴油发电机并联运行时，采用本发明所述控制电路的逆变器除实现将太阳能并入船舶电网的基本功能外，还可实现对电网无功功率补偿、带不平衡负载、提供负载谐波电流三个功能，柴油发电机三相功率平衡。其中，对电网无功功率补偿是通过给定逆变器输出有功功率与无功功率的值来确定输出电流基准值的方法实现；带不平衡负载通过A、B、C三相电流分相控制来实现，每相电流控制相对独立；而负载谐波电流的实现由负载谐波发生器实现。
本发明逆变器与柴油发电机并联运行时逆变器输出电流基准原理如图4所示，各相电流基准信号（irA、irB、irC）的产生是由各相基波电流基准（、、）与负载谐波电流（ihA、ihB、ihC）相加获得。基波电流基准（、、）的产生原理为：按逆变器相间功率差与负载相间功率差相同的原则，通过逆变器给定有功功率PINV与无功功率QINV及检测到的负载三相有功功率（PLA、PLB、PLC）与无功功率（QLA、QLB、QLC），建立了公式（1）以确定逆变器有功功率基准（）与无功功率基准（），再通过电网电压有效值的检测即可确定各项的电流有效值，之后结合对电网电压锁相后获得电压的频率f与各相相位φ信息后，通过正弦波生成器，即可实现三相基波电流基准（、、）；
                               式（1）
式（1）中PL、QL分别为负载有功功率、无功功率，即PL=PLA+PLB+PLC、QL=QLA+QLB+QLC。
本发明图4所示的负载谐波电流（ihA、ihB、ihC）的产生原理为：负载电流（iLA、iLB、iLC）通过有源滤波后获得基波电流（ifA、ifB、ifC），再与负载电流相减，即可获得谐波电流基准（ihA、ihB、ihC）。该谐波电流基准再分别与基波电流基准相加，即可获得各相电流的基准，从而实现了逆变器对负载电流的谐波补偿功能。
本发明逆变器独立运行时逆变器输出电压基准原理如图5所示，锁相环输出频率f与频率基准fr通过模式选择确定电压基准频率值，之后与锁相环各相相角及给定电压基准有效值Ur一起送入正弦波生成器，即可实现各相电压基准（urA、urB、urC）。为了实现逆变器从并联运行到独立运行的无缝切换，电压基准需要在逆变器并联运行时对电压基准进行预估计，故逆变器并联运行时，各相电压基准（urA、urB、urC）的频率、相位需时刻与锁相器输出的频率、各相相位相一致，才能在切换瞬间对电网的影响最小，实现无缝切换。当逆变器独立运行后，电压基准的频率为fr，从而保证电网电压的恒频特性。
本发明所述多功能逆变器电流随动控制方法基于船舶节能环保要求，将电力电子功率变换技术应用于船舶新能源发电技术中，根据船舶电力系统大负载、强耦合特点，将有源与无源逆变技术相结合，解决多能源船舶电力系统中逆变技术关键问题，提高供电质量。逆变器为多功能逆变器，除实现直流电到交流电的功率变换外，还可做为三相负载不平衡补偿器、并联有源电力滤波器、无功补偿器，这种方法应用于逆变器上将在对电力设备体积与重量要求极为苛刻的电力推进船上具有广阔的应用前景。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。