一种岸电系统及其并网控制方法与流程

本发明涉及电力电子功率变换领域，特别涉及一种应用与港口码头的岸电系统及其并网控制方法。

背景技术：

岸电系统应用于岸电接入技术，是指船舶靠港期间，停止使用船舶上的发电机，而改用陆地电源供电。变频电源是岸电接入系统的核心，负责将岸上50HZ交流电源通过AC-DC-AC变频环节转换为船舶所需的60HZ交流电源，当船舶发电系统与岸电系统并车时，即船舶发电系统检测岸电系统的电压满足条件后合上并网开关，将船舶发电系统并入岸电系统的过程，此时会产生较大的冲击，冲击电流会导致并网失败，或导致产生逆功率现象，当发生逆功率时，发电机的功率方向是由系统侧流向电机侧，此时从系统中吸取有功功率，发生逆功率会对电机造成不利影响。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种岸电系统及其并网控制方法，能够减小船舶发电系统与岸电系统并车时的冲击电流，并避免发生逆功率现象，提高并网成功率。

本发明设计了一种岸电系统，包括岸电电网、变频电源、并网开关、发电机开关以及船舶发电系统，其中变频电源包括多绕组变压器以及至少一个电源模块，电源模块的输入侧与多绕组变压器的低压侧绕组连接，输出侧相互级联；所述电源模块包含整流单元、逆变单元。

所述电源模块还包括快速开关、吸收电阻以及旁路开关，快速开关与吸收电阻串联连接，所述串联连接与整流单元的直流输出侧并联连接，所述旁路开关与逆变单元的输出侧并联连接。

所述电源模块的整流单元包括三相整流桥，三相整流桥由不可控功率半导体器件构成。

所述电源模块的逆变单元可将直流电压变换为交流电压，由可控功率半导体器件构成。

所述快速开关由功率半导体器件构成，功率半导体器件可以是主动功率半导体器件，主动功率半导体器件的导通和关断需要控制触发信号；也可以是被动功率半导体器件，无需控制触发信号，当检测到直流超过一定值时自动导通。

本发明还包含了一种岸电系统的并网控制方法，该控制方法包括如下步骤：

1)当变频电源接收到并网指令时，按照船侧电压作为参考，输出与船侧电压同幅值同频率同相位的交流电压；

2)船侧发电系统检测船侧电压与岸侧电压的幅值、频率和相位，当船侧电压幅值和频率稍高于岸侧电压，相位差小于某值时，合上并网开关；

3)当变频电源检测到并网开关闭合时，切换控制目标，令变频电源以输出电流或功率作为控制目标，变频电源输出电流或输出功率控制目标设定为0,在此期间检测电源模块的直流电压，当电源模块检测到直流电压超过第一门槛值时，闭合快速开关；当直流电压超过第二门槛值时，关断逆变单元的全部功率半导体器件，然后闭合旁路开关；

4)待变频电源输出电流小于第一允许值后，逐渐调节变频电源输出电压，使变频电源输出功率逐渐增加，船舶发电系统输出功率逐渐减小；

5)待船舶发电系统检测到流过发电机开关的电流小于第二允许值时，断开发电机开关；

6)当变频电源检测到发电机开关断开后，切换控制策略，令变频电源以输出电压作为控制目标。

其中所述变频电源输出电流或输出功率为流过并网开关的电流或功率。

其中所述第一允许值不超过变频电源输出电流额定值的10％，所述第二允许值不超过变频电源输出电流额定值的20％。

其中所述第一门槛值低于第二门槛值。

本发明所述一种岸电系统以及并网控制方法与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明设计的一种岸电系统，变频电源配置了快速开关、吸收电阻以及旁路开关，在并网过程中，可吸收并网过程中的冲击功率，当存在冲击功率时，会在每个电源模块的直流侧累积能量，会造成直流电压上升，此时将过剩的能量通过快速开关导入吸收电阻，将过剩能量吸收，当直流电压继续上升，可将旁路开关闭合，使电源模块被旁路掉，以防止模块发生过压损坏，作为后备保护。通过快速开关、吸收电阻以及旁路开关逻辑的配合，最大程度上吸收并网过程中的冲击功率，且能够通过双重保护，保证变频电源安全工作。

(2)本发明设计的一种岸电系统及并网控制方法，在并网前令船侧发电系统输出的船侧电压幅值和频率稍高于岸侧电压，以使并网的冲击功率方向是由船侧到岸侧，同时岸电变频电源配置了能量吸收回路，可将该冲击功率吸收掉，避免船舶发电系统发生逆功率现象，极大提高了并网的成功率。

(3)本发明设计的一种岸电系统及并网控制方法，变频电源根据并网开关的状态以及发电机开关的状态切换控制策略，在并网过程中通过控制策略的切换，可有效的限制冲击电流，提高并网成功率以及并网的安全性，通过开关状态的判断来切换控制策略，与通讯方式相比更加快速准确，且系统复杂度更低，成本更低。

附图说明

图1是本发明设计岸电系统结构示意图；

图2是本发明中变频电源的结构示意图；

图3是本发明中电源模块的结构示意图。

其中，1.岸电电网，2.变频电源，3.并网开关，4.发电机开关，5.船舶发电系统，6.多绕组移相变压器，7.电源模块，8.整流单元，9.快速开关，10.吸收电阻，11.逆变单元，12.旁路开关。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种本发明设计了一种岸电系统，包括岸电电网1、变频电源2、并网开关3、发电机开关4以及船舶发电系统5，连接方式如图1所示。

变频电源包括多绕组移相变压器6以及至少一个电源模块7，电源模块的输入侧与多绕组变压器的低压侧绕组连接，输出侧相互级联；在本实施例中，多个电源模块的输出侧彼此之间相互级联，分别构成A相、B相和C相换流链，每相包含的电源模块数量相等，该拓扑结构通常应用与高压变频器。连接方式如图2所示。

如图3所示，电源模块包含整流单元8、逆变单元11。电源模块还包括快速开关9、吸收电阻10以及旁路开关12，快速开关与吸收电阻串联连接，所述串联连接与整流单元的直流输出侧并联连接，所述旁路开关与逆变单元的输出侧并联连接。在本实施中，图3中的ABC三相输入与多绕组移相变压器的低压侧绕组的ABC三相连接，多绕组移相变压器包含与电源模块数量相同的低压绕组，绕组之间的相位采用移相方式设计，可以保证输入电流谐波满足要求。

在本实施例中，电源模块的整流单元由三相整流桥构成，三相整流桥由不可控功率半导体器件构成：在本实施例中，由二极管构成；逆变单元可将直流电压变换为交流电压，由可控功率半导体器件构成，在本实施例中，由IGBT构成，IGBT可承受最大电压为1700V。

在本实施例中，快速开关与吸收电阻构成了一个能量吸收回路，其中的快速开关可以是闭合速度很快的机械开关，也可以是由功率半导体器件构成的电子开关，电子开关可以在1ms内闭合回路，使积累在直流侧的能量快速释放，其中电子开关可以是主动功率半导体器件，主动功率半导体器件的导通和关断需要控制触发信号，例如晶闸管或IGBT；也可以是被动功率半导体器件，无需控制触发信号，当检测到直流超过一定值时自动导通,如击穿二极管,通常作为过压保护器件。吸收电阻通常选取可短时承受功率冲击的功率电阻，为了保证能量释放速度，阻值不宜过大，选取阻值应小于5欧姆。

在本实施例中，快速开关由击穿二极管构成，击穿二极管动作电压为1300V，吸收电阻阻值选取阻值1欧姆。

本发明中的旁路开关采用能够快速闭合的机械开关，可将整个电源模块旁路。在本实施例中，每相包配置一个冗余的电源模块，如当船舶发电系统的交流电压为11kV时，变频电源配置每相配置10个电源模块即可，在本实施例中配置11个电源模块，当其中一个电源模块出现故障，或在并网过程中击穿二极管异常而导致能量无法释放，直流电压过高时，即可将故障模块通过旁路开关旁路，将能量分担给其他的电源模块，作为系统级的后备保护。

本发明还包含了一种岸电系统的并网控制方法，该控制方法包括如下步骤：

1)当变频电源接收到并网指令时，按照船侧电压作为参考，输出与船侧电压同幅值同频率同相位的交流电压；在本实施例中，船侧电压为11kV,60HZ。

2)船侧发电系统检测船侧电压与岸侧电压的幅值、频率和相位，当船侧电压幅值和频率稍高于岸侧电压，相位差小于某值时，合上并网开关；在本实施例中，在岸电系统电压已建立后，船舶发电系统控制输出电压调节到11.5kV，60.3HZ,在相位差小于10°时，立即合上并网开关。

3)当变频电源检测到并网开关闭合时，切换控制目标，令变频电源以输出电流或功率作为控制目标，变频电源输出电流或输出功率控制目标设定为0,在此期间检测电源模块的直流电压，当电源模块检测到直流电压超过第一门槛值(1300V)时，击穿二极管导通，能量被吸收电阻吸收；如果能量过大或击穿二极管工作不正常，直流电压仍然升高，当直流电压超过第二门槛值(1400V)时，关断逆变单元的全部功率半导体器件，然后闭合旁路开关；该模块被旁路，能量由其他电源模块吸收，通过两级电压门槛，确保电源模块的直流电压不超过安全值，本实施例中IGBT能承受的最大电压为1700V，应保证直流电压值不超过1500V，留有一定裕量。

4)待变频电源输出电流小于第一允许值后，在本实施例中，小于50A，逐渐调节变频电源输出电压，使变频电源输出功率逐渐增加，船舶发电系统输出功率逐渐减小；

5)待船舶发电系统检测到流过发电机开关的电流小于第二允许值时，在本实施例中第二允许值为100A,断开发电机开关；完成步骤5后，船舶发电系统的负荷已完全转移到岸侧电源。

6)当变频电源检测到发电机开关断开后，切换控制策略，令变频电源以输出电压作为控制目标。变频电源切换回电压控制模式，控制输出电压为11kV,60HZ。

完成整个并网过程。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。