本发明涉及一种岸电供电切换船舶电网的方法及装置，尤其涉及一种50hz-60hz岸电无缝切换船电的方法及装置。
背景技术：
船舶岸电技术是指船舶在靠港期间接入码头侧的电网，从岸上电源获得其水泵、通信、通风、照明和其他设施所需的电力，从而关闭自身的柴油发电机。船舶接岸电后可有效地减少废气的排放，具有节能环保的显著优点，可减少发电机组运行产生的噪音污染，降低成本，因此，政府及其交通部门、航运企业、港口企业都大力推行岸电的使用。
现有的岸电系统的缺陷在于，国内大多数码头岸电装置采用400v/50hz供电，而采用其电制的船舶靠港大多不愿接岸电，因为一般船舶接岸电的步骤是，先关闭船舶发电机，再接岸电电网，在船舶需要离开时，先断开岸电电网，再起动船舶发电机，这两个断电切换的过程极为耗时，船上许多设备断电后复位麻烦，罗经等设备断电后复位有时需要6个小时，影响船舶的开航；另外，机舱互为备用的设备断电后通电存在同时启动的危险。经对远洋船舶船长/轮机长的调查证实，其船只若靠泊时间为48小时内，一般不愿接岸电。另外，岸电和船电在电网标准上也存在差异，根据国际海事组织统计，60％以上的国际航运船舶采用450v/60hz电制，而60％以上的岸上供电为400v/50hz电制，其船舶电站和发电机控制差别很大，对完成50hz岸电接60hz船电的无缝对接，产生了很大的技术难题。
技术实现要素：
基于此，本发明的目的在于，提供一种能够实现50hz-60hz岸电无缝切换船电的方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种50hz-60hz岸电无缝切换船电的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将包括岸电变压器和整流逆变器在内的岸电电网线路分别与岸上电源、船舶电网电连接；
步骤2：对整流逆变器采用内环控制方法和外环控制方法，其中，外环控制方法采用v/f控制方法，由船舶发电机的目标频率转换为岸电变压器输出的目标频率；同时，使用锁相环控制方法控制整流逆变器输出的频率和电压；
步骤3：将整流逆变器的外环控制方法由v/f控制方法转换为p/q控制方法，控制船舶发电机频率和电压，以船舶电网实时负载功率为目标功率，进行功率转移，使整流逆变器输出功率增加，船舶发电机输出功率下降；同时，使用锁相环控制方法控制整流逆变器输出的频率和电压；
步骤4：当船舶发电机输出功率下降到预设功率时，关闭船舶发电机。
本发明的50hz-60hz岸电无缝切换船电的方法及装置，在岸电和船电供电切换时，船上设备无需断电，通过v/f控制跟随频率，再通过p/q控制将负载功率从船舶发电机转移到岸电电网中，完成无缝切换。
进一步地，所述岸电电网线路包括岸电变压器、整流逆变器和60hz线路，所述60hz线路包括第三开关、第三电感、第五电感、第二电容、第一电阻、第六电感和第四开关；
岸电变压器的一端用于连接岸上电源，另一端接整流逆变器的一端，整流逆变器的另一端接第三开关的一端；第三开关的另一端连接第三电感的第一连接端，第三电感的第二连接端依次串接第五电感、第一电阻、第六电感和第四开关，通过所述第四开关与船舶电网连接，第二电容的一端连接在第三电感与第五电感之间，其另一端接地。
进一步地，步骤2具体包括以下步骤：
步骤21：获得第三电感的第二连接端处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；获得第五电感和第一电阻之间的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
步骤22：根据ω、uref、vd、vq，以v/f控制方法获得电流环参考值idref、iqref，具体公式如下：
θ＝∫(2πf-ω)dt,udref＝urefcosθ,uqref＝urefsinθ,
idref＝kpv(udref-vd)+kiv∫(udref-vd)dt,iqref＝kpv(udref-vd)+kiv∫(uqref-vq)dt
其中，uref为电压环参考值，ω为整流逆变器输出角频率，θ为整流逆变器输出电压相角，kpv为电压环比例系数，kiv为电压环积分系数；
步骤23：根据i1d、i1q、i2d、i2q、idref、iqref、vd、vq，以内环控制方法获得vsd、vsq，具体公式如下：
vsd＝vd-ωlsilq+kpi(idref-i2d)+kii∫(idref-i2d)dt
vsq＝vq-ωlsilq+kpi(iqref-i2q)+kii∫(iqref-i2q)dt；
其中，kpi为电流环比例系数，kii为电流环积分系数，ls为滤波电感；
步骤24：根据vsd、vsq，计算其abc轴分量，转换为pwm后输出至整流逆变器。
进一步地，步骤3具体包括以下步骤：
步骤31：获得第三电感的第二连接端处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；获得第五电感和第一电阻之间的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，然后计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
步骤32：根据vd、vq、i2d、i2q、pref、qref，以p/q控制方法获得电流环参考值idref、iqref，具体公式如下：
p＝vdi2d+vqi2q,q＝vqi2d+vdi2q
idref＝kpp(pref-p)+kip∫(pref-p)dt
iqref＝kpq(qref-q)+kiq∫(qref-q)dt
其中，pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，kpp为p/q控制的比例系数，kpq为，kip为p/q控制的积分系数；
步骤33：根据i1d、i1q、i2d、i2q、idref、iqref、vd、vq，以内环控制方法获得vsd、vsq，具体公式如下：
vsd＝vd-ωlsilq+kpi(idref-i2d)+kii∫(idref-i2d)dt
vsq＝vq-ωlsilq+kpi(iqref-i2q)+kii∫(iqref-i2q)dt；
其中，kpi为电流环比例系数，kii为电流环积分系数，ls为滤波电感；
步骤24：输入vsd、vsq，计算其abc轴分量，转换为pwm后输出至整流逆变器。
进一步地，所述锁相环控制方法包括以下步骤：
步骤61：获得第三电感的第二连接端处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；获得第五电感和第一电阻之间的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，然后计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
步骤62：根据va、vb、vc、ωff，以锁相环控制方法获得锁相环输出θpll，具体公式如下：
ωpll＝ωff+kp.pllvq+ki.pll∫vqdt
其中，kp.pll为锁相环比例系数，ki.pll为锁相环积分系数，ωff为锁相环输出电压相角；
步骤63：输入θpll，经处理后输出至整流逆变器。
本发明还提供一种50hz-60hz岸电无缝切换船电的装置，包括岸电变压器、整流逆变器、60hz线路、内环控制器和外环控制器，所述外环控制器包括v/f控制器、p/q控制器和锁相环控制器；
所述岸电变压器、整流逆变器和60hz线路依次连接；岸电变压器另一端用于与岸上电源连接，60hz线路另一端用于与船舶电网连接；
所述v/f控制器，用于使船舶发电机的目标频率转换为岸电变压器输出的目标频率；
所述p/q控制器，用于当v/f控制器处理完毕后，控制船舶发电机频率和电压，以船舶电网实时负荷功率为目标功率，进行功率转移，整流逆变器输出功率增加，船舶发电机输出功率下降，当船舶发电机输出功率下降到预设功率时，船舶发电机关闭；
所述锁相环控制器用于控制整流逆变器输出的频率和电压。
进一步地，所述60hz线路包括第三开关、第三电感、第五电感、第二电容、第一电阻、第六电感和第四开关；
岸电变压器的一端用于连接岸上电源，另一端接整流逆变器的一端，整流逆变器的另一端接第三开关的一端；第三开关的另一端连接第三电感的第一连接端，第三电感的第二连接端依次串接第五电感、第一电阻、第六电感和第四开关的一端，第二电容的一端连接在第三电感与第五电感之间，其另一端接地；第四开关的另一端用于与船舶电网连接。
进一步地，还包括a处理器、b处理器和整流逆变器处理器；
所述a处理器，与第三电感的第二连接端连接，用于获得该处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；
所述b处理器，与第五电感和第一电阻之间连接，用于获得该处的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，然后计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
所述v/f控制器，与所述b处理器连接，用于获得b处理器输入的vd、vq，根据v/f控制方法获得电流环参考值idref、iqref，具体公式如下：
θ＝∫(2πf-ω)dt,udref＝urefcosθ,uqref＝urefsinθ,
idref＝kpv(udref-vd)+kiv∫(udref-vd)dt,iqref＝kpv(udref-vd)+kiv∫(uqref-vq)dt
其中，uref为电压环参考值，ω为整流逆变器输出角频率，θ为整流逆变器输出电压相角，kpv为电压环比例系数，kiv为电压环积分系数；
所述内环控制器，分别与所述a处理器、b处理器和v/f控制器连接，用于获得a处理器输入的i1d、i1q，b处理器输入的i2d、i2q、vd、vq，v/f控制器输入的idref、iqref，根据内环控制方法获得vsd、vsq，具体公式如下：
vsd＝vd-ωlsilq+kpi(idref-i2d)+kii∫(idref-i2d)dt
vsq＝vq-ωlsilq+kpi(iqref-i2q)+kii∫(iqref-i2q)dt；
其中，kpi为电流环比例系数，kii为电流环积分系数，ls为滤波电感；
所述整流逆变器处理器，与所述内环控制器连接，用于获得内环控制器输入的vsd、vsq，计算其abc轴分量，转换为pwm后输出至整流逆变器。
进一步地，还包括a处理器、b处理器和整流逆变器处理器；
所述a处理器，与第三电感的第二连接端连接，用于获得该处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；
所述b处理器，与第五电感和第一电阻之间连接，用于获得该处的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，然后计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
所述p/q控制器，与所述b处理器连接，用于获得b处理器输入的vd、vq、i2d、i2q，根据p/q控制方法获得电流环参考值idref、iqref，具体公式如下：
p＝vdi2d+vqi2q,q＝vqi2d+vdi2q
idref＝kpp(pref-p)+kip∫(pref-p)dt
iqref＝kpq(qref-q)+kiq∫(qref-q)dt
其中，pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，kpp为有功控制的比例系数，kpq为无功控制的比例系数，kip为有功控制的积分系数，kiq为无功控制的积分系数；
所述内环控制器，分别与所述a处理器、b处理器、p/q控制器连接，用于获得a处理器输入的i1d、i1q，b处理器输入的i2d、i2q、vd、vq，p/q控制器输入的idref、iqref，根据内环控制方法获得vsd、vsq，具体公式如下：
vsd＝vd-ωlsilq+kpi(idref-i2d)+kii∫(idref-i2d)dt
vsq＝vq-ωlsilq+kpi(iqref-i2q)+kii∫(iqref-i2q)dt；
其中，kpi为电流环比例系数，kii为电流环积分系数，ls为滤波电感；
所述整流逆变器处理器，与所述内环控制器、整流逆变器连接，用于获得内环控制器输入的vsd、vsq，计算其abc轴分量，转换为pwm后输出至整流逆变器。
进一步地，还包括整流逆变器处理器；
所述锁相环控制器与第五电感和第一电阻之间连接，用于获得该处的电压v在abc轴上的分量va、vb、vc，再根据锁相环控制方法获得锁相环输出θpll，具体公式如下：
ωpll＝ωff+kp.pllvq+ki.pll∫vqdt
其中，kp.pll为锁相环比例系数，ki.pll为锁相环积分系数，ωff为理论角频率，ωff＝2*π*60hz，ωpll为整流逆变器输出电压的角频率；
所述整流逆变器处理器，与所述锁相环控制器、整流逆变器连接，用于获得锁相环控制器输入的θpll，经处理后传输至整流逆变器。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的岸电无缝切换船电示意图。
具体实施方式
请参阅图1，其为本发明的流程图，同时参阅图2，其为本发明的岸电无缝切换船电示意图。本发明的50hz-60hz岸电无缝切换船电的装置，具体是设置在岸上的岸电电网线路，其包括岸电变压器、整流逆变器、60hz线路、以及控制线路，该控制线路包括内环控制器、外环控制器，所述外环控制器包括v/f控制器、p/q控制器、锁相环控制器。本实施例中，岸上电源采用400v/50hz电制。50hz-60hz是指50hz的岸电与60hz的船电对接。
所述岸电变压器t1、整流逆变器ui1、60hz线路依次连接；岸电变压器另一端用于与岸上电源连接，60hz线路另一端用于与船舶电网连接。
在一个实施例中，所述60hz线路包括第三开关k3、第三电感l3、第五电感l5、第二电容c2、第一电阻r1、第六电感l6和第四开关k4；岸电变压器t1的一端用于连接岸上电源，另一端分别接整流逆变器ui1的一端，整流逆变器ui1的另一端接第三开关k3的一端；第三开关k3的另一端连接第三电感l3的第一连接端，第三电感l3的第二连接端依次串接第五电感l5、第一电阻r1、第六电感l6和第四开关k4的一端，第二电容c2的一端连接在第三电感l3与第五电感l5之间，其另一端接地；第四开关k4的另一端用于与船舶电网连接。第一电阻r1、第六电感l6是用于限流，在其他实施方式中也可以省略。
本发明的50hz-60hz岸电无缝切换船电的方法，包括以下步骤：
步骤1：将岸电电网线路分别与岸上电源、船舶电网电连接，具体是将岸电变压器与岸上电源连接，将公共线路的另一端与船舶电网连接；将第三开关与第四开关闭合。
步骤2：整流逆变器采用内环控制方法配合外环控制方法，在本步骤2中，外环控制方法采用v/f控制方法，由船舶发电机的目标频率转换为岸电变压器输出的目标频率；同时，与锁相环控制方法配合稳定频率和电压。
根据整流逆变器v/f控制理论基础，v/f控制由电流内环和电压外环组成，主要系数有：电流环比例系数kpi和积分系数kii、电压环比例系数kpv和积分系数kiv，设负载等效电阻r、等效电抗x、滤波电感ls，整流逆变器输出电流不计电容滤波i1≈i2≈i、id、iq分别为dq轴分量。
设电压环的参考值uref的dq轴分量udref和uqref为输入，整流逆变器输出电压的dq轴分量vd和vq为输出，系统方程为以下公式：
具体地，在本发明中，步骤2包括以下步骤：
步骤21：在第三电感的第二连接端处设置a点，获得a点处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；在第五电感和第一电阻之间设置b点，获得b点处的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，然后计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
步骤22：输入ω、uref、vd、vq，根据v/f控制方法获得电流环参考值idref、iqref，具体公式如下：
θ＝∫(2πf-ω)dt,udref＝urefcosθ,uqref＝urefsinθ,
idref＝kpv(udref-vd)+kiv∫(udref-vd)dt,iqref＝kpv(udref-vd)+kiv∫(uqref-vq)dt
其中，uref为电压环参考值，根据船舶电网的电压设置，ω为整流逆变器输出角频率，也即船舶电网的电压频率60hz，θ为整流逆变器输出电压相角，kpv为电压环比例系数，kiv为电压环积分系数；
步骤23：输入i1d、i1q、i2d、i2q、idref、iqref、vd、vq，根据内环控制方法获得vsd、vsq，具体公式如下：
vsd＝vd-ωlsilq+kpi(idref-i2d)+kii∫(idref-i2d)dt
vsq＝vq-ωlsilq+kpi(iqref-i2q)+kii∫(iqref-i2q)dt；
其中，kpi为电流环比例系数，kii为电流环积分系数，ls为滤波电感；
步骤24：输入vsd、vsq，计算其abc轴分量，转换为pwm后输出至整流逆变器。
在一个实施例中，在步骤2进行的同时，进行锁相环控制，以稳定频率和电压。
根据锁相环控制理论，在输入量的频率变化时，三相锁相环的输出仍是与输入同频同相位的输出信号，在输入存在直流偏移、三相不对称、谐波畸变等条件下，三相锁相环都具有较好的抗干扰能力。参考以下公式，其中θ为整流逆变器输出电压相角，θpll为锁相环输出，ωff、θff分别为目标值：
vq＝vsin(θ-θpll)
θ＝ω0t+θ0
即本发明的步骤2的同时，同步进行以下步骤6：
步骤61：在第三电感的第二连接端处设置a点，获得a点处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；在第五电感和第一电阻之间设置b点，获得b点处的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，然后计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
步骤62：输入va、vb、vc、ωff，根据锁相环控制方法获得锁相环输出θpll，具体公式如下：
ωpll＝ωff+kp.pllvq+ki.pll∫vqdt
其中，kp.pll为锁相环比例系数，ki.pll为锁相环积分系数，ωff为理论角频率，ωff＝2*π*60hz；ωpll为整流逆变器输出电压的角频率；
步骤63：输入θpll，经处理后输出至整流逆变器。
步骤6的锁相环控制方法，能够稳定整流逆变器的输出频率和电压。
步骤3：整流逆变器的外环控制方法由v/f控制方法转换为采用p/q控制方法，控制船舶发电机频率和电压，以船舶电网实时负荷功率为目标功率，进行功率转移，整流逆变器输出功率逐步增加，船舶发电机输出功率逐渐下降；同时，与锁相环控制方法配合稳定频率和电压。此过程中，船舶发电机可以以下垂控制、自动调频调载或手动调节调速器来减少负荷。
根据整流逆变器p/q控制理论，p/q控制在微网中实现间歇性电源的最大利用率，输出有功和无功分别为其参考值pref和qref。其控制原理为：功率给定值与实测值相减，经过比例积分控制器后得到电流参考信号idref、iqref，从而控制整流逆变器输出功率，p/q控制的比例系数kpp和积分系数kip，参考以下公式：
pref＝kp/f(fref-f)
qref＝kq/f(uref-u)
具体地，在本发明中，步骤3包括以下步骤：
步骤31：在第三电感的第二连接端处设置a点，获得a点处的整流逆变器输出电流值i1，并计算其dq轴分量i1d、i1q；在第五电感和第一电阻之间设置b点，获得b点处的整流逆变器输出电压值v、电流值i2，其中，电压v包括其abc轴分量va、vb、vc，然后计算电流值i2的dq轴分量i2d、i2q，以及电压的dq轴分量vd、vq；
步骤32：输入vd、vq、i2d、i2q、pref、qref，根据p/q控制方法获得电流环参考值idref、iqref，具体公式如下：
p＝vdi2d+vqi2q,q＝vqi2d+vdi2q
idref＝kpp(pref-p)+kip∫(pref-p)dt
iqref＝kpq(qref-q)+kiq∫(qref-q)dt
其中，pref为有功功率参考值，qref为无功功率参考值，kpp为有功控制的比例系数，kpq为无功控制的比例系数，kip为有功控制的积分系数，kiq为无功控制的积分系数。
步骤33：输入i1d、i1q、i2d、i2q、idref、iqref、vd、vq，根据内环控制方法获得vsd、vsq，具体公式如下：
vsd＝vd-ωlsilq+kpi(idref-i2d)+kii∫(idref-i2d)dt
vsq＝vq-ωlsilq+kpi(iqref-i2q)+kii∫(iqref-i2q)dt；
其中，kpi为电流环比例系数，kii为电流环积分系数，ls为滤波电感；
步骤34：输入vsd、vsq，计算其abc轴分量，转换为pwm后输出至整流逆变器。
在步骤3进行的同时，进行锁相环控制，以稳定频率和电压，即同时进行步骤6，步骤6已经在上文中说明，不再赘述。
步骤4：当船舶发电机输出功率下降到预设功率时，船舶发电机关闭，供电无缝切换完成。具体地，预设功率为5％的船舶发电机额定功率，也可以根据情况设置为其他大小。
当船舶需要离岸时，则采取上述步骤的逆向操作：首先启动船舶发电机，使发电机与岸电电网线路连接，然后岸上整流逆变器负载功率向船舶发电机转移，船上配合加减油门操作，当岸上整流逆变器的负载功率降低到5％额定功率或以下时(此时电流很小)，岸电电网线路与船舶电网断开，完成供电无缝切换。
船舶接岸电可以实现船舶节能和港口减排环保。以2012年波兰与瑞典间某渡轮为例，每天在波兰港口停3小时，在瑞典港口停7小时，相对发电/岸电成本，瑞典、波兰分别为724/356美元、1759/678美元，改用岸电每天节省1449美元。而maritermab的咨询报告指出欧盟国家港口船舶发电烧重柴油排放与噪声的间接成本是直接成本的10倍以上。中国港口如果80％靠港船舶接岸电，每年节能经济效益可达19亿元以上，港口环保的社会效益更加显著。
本发明的50hz-60hz岸电无缝切换船电的方法及装置，在岸电和船电供电切换时，船上设备无需断电，通过v/f控制跟随频率，再通过p/q控制将负载功率从船舶发电机转移到岸电电网中，完成无缝切换。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。