本发明属于船舶电站及其自动化控制技术领域，具体涉及一种v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法。
背景技术：
船舶电站是船舶电力系统的重要组成部分，是产生连续供应全船电能的设备。保证船舶电站的安全稳定运行，具有重要意义。
船舶电站的多台柴油发电机(dg)组以并联方式运行，目前，每套发电机组各自需要配备一套avr自动电压调节器、一套功率控制器和一套并车管理单元，它们之间独立运行，相互影响，导致调节过程振荡；此外，控制器太多，缺少等时同步实时通讯能力，导致控制品质较差。
技术实现要素：
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制系统，包括：公共母线电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、每套柴油发电机组的有功功率采样电路、每套柴油发电机组的频率检测器、每套柴油发电机组的变频器、每套柴油发电机组的pwm发生器、viq协同控制器、备用viq协同控制器、通信装置、稳压电源以及切换控制器；
所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个主控制开关连接到所述viq协同控制器的输入端；
所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个备控制开关连接到所述备用viq协同控制器的输入端；
所述viq协同控制器的输出端依次通过每套柴油发电机组的pwm发生器和每套柴油发电机组的变频器后，连接到每套柴油发电机组的励磁电流调节端子；
所述viq协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述备用viq协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；
所述切换控制器分别与所述主控制开关和所述备控制开关连接。
本发明还提供一种v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制方法，包括以下步骤：
步骤1，viq协同控制器预建立viq协同控制模型；所述viq协同控制模型包括发电机电压电流控制模型、发电机无功功率控制模型和发电机励磁电流控制模型；
其中：
发电机电压电流控制模型：
式中，u-发电机电枢端电压，i-发电机电枢端电流，if-发电机励磁电流，kw1-基波绕组因数，f-频率，n1-电枢绕组匝数，n2-励磁绕组匝数，rmf-励磁绕组磁阻，ra-电枢电阻，j-复数算子，xs-发电机同步电抗；
发电机无功功率控制模型：
式中，q-发电机输出的无功功率，δ-功率角，
发电机励磁电流控制模型：
if＝ieu+iei+k·δu
式中，ieu-电压分量，具体为发电机励磁电流if整流前的交流电流ie中来自发电机端电压部分的电压分量；iei-电流分量，具体为发电机励磁电流if整流前的交流电流ie中来自负载电流部分的电流分量；δu-发电机端电压偏差，k为viq协同控制器调节系数；
步骤2，viq协同控制器设定控制目标，即：发电机电枢端电压u稳定在电压目标值；频率f稳定在频率目标值；并联运行时各个发电机所输出的无功功率趋于相等；
步骤3，viq协同控制器实时采样到每个发电机的发电机实际运行参数，包括：发电机电枢端电压u、发电机电枢端电流i、发电机励磁电流if、基波绕组因数kw1、频率f、电枢绕组匝数n1、励磁绕组匝数n2、励磁绕组磁阻rmf、电枢电阻ra、复数算子j、发电机同步电抗xs、发电机输出的无功功率q、功率角δ、功率因数角
viq协同控制将采样到的每个发电机的发电机实际运行参数代入到发电机电压电流控制模型、发电机无功功率控制模型和发电机励磁电流控制模型中，并对发电机励磁电流if进行调节控制，使发电机电枢端电压u稳定在电压目标值、频率f稳定在频率目标值以及并联运行时各个发电机所输出的无功功率趋于相等；具体调节方法为：
首先根据发电机电压电流控制模型，根据发电机电枢端电压和发电机电枢端电流的波动情况，以发电机电枢端电压为电压目标值，以频率f为频率目标值，计算得到每个发电机的发电机励磁电流目标值，然后根据该发电机的发电机励磁电流实际值，得到每个发电机的第1发电机励磁电流调节值δif1；
然后，根据发电机无功功率控制模型，以发电机电枢端电压为电压目标值，以频率f为频率目标值，以使各台发电机所输出的无功功率相等为目标，得到使各个发电机所输出的无功功率最为接近时的每个发电机的第2发电机励磁电流调节值δif2；
然后，根据发电机励磁电流控制模型，根据电压分量ieu和电流分量iei的波动情况，以发电机端电压偏差δu为0作为目标，得到使各个发电机端电压偏差最为接近0时的每个发电机的第3发电机励磁电流调节值δif3；
计算δif1、δif2和δif3的平均值，即为最终的每个发电机的发电机励磁电流调节值δif0；
步骤4，根据步骤3得到的每个发电机的发电机励磁电流调节值δif0，调节各个发电机的发电机励磁电流，进而实现发电机电枢端电压u稳定在电压目标值、频率f稳定在频率目标值、各个发电机所输出的无功功率最为相等的控制目标。
本发明提供的v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法具有以下优点：
针对两台及其以上柴油发电机组成的船舶电站系统，多套柴油发电机组公用一套viq协同控制器，另一套备用viq协同控制器作为热备用，基于viq协同控制模型，实现多机多任务发电柴油机组并网的viq协同控制，本发明的viq协同控制算法具有自适应能力，可以对每套柴油发电机组进行逻辑控制和闭环调节，以发电机电枢端电压稳定、频率稳定和输出的无功功率相等为目标，调节各个柴油发电机组的励磁电流，优化控制发电机组并网运行自动适应负荷的能力，实现多机多任务的发电机组协同控制优化，viq协同控制器是一种新型而实用的先进控制技术，在船舶与海洋工程领域获得显著的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明提供的v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制方法的整体流程图；
图2为本发明提供的v-i-q协同控制船舶电力系统的母线电压的流程图；
图3为本发明提供的v-i-q协同控制船舶电力系统的无功分配的流程图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及到船舶电站及其自动化领域的发电系统电压及无功功率自动调节控制系统，现代船舶电站的设计以最大限度地维持不间断供电为目标。船舶电站的电压(v)、励磁电流(i)与无功功率(q)的自动控制是保证船舶电力系统正常工作的必要条件，船舶电力系统的稳定性一直是电站自动化管理系统(pms)的重点。励磁控制与同步发电机一起构成电压闭环调节为自动电压调整器(avr)，根据负荷波动和电压偏离自动调节发电机的励磁电流，保持发电机的电压稳定在允许范围内；调节发电机无功功率、控制并联机组间的无功分配。
船舶电站调压与调无功功率两者之间存在着相互作用和影响。例如发电机励磁电流的改变会造成电压和无功功率的变化，对调压来说，这面临着调励磁电流和调无功功率两种控制作用之间的叠加或抵消，叠加导致电压过快而超调，抵消导致电压过慢而控制不利。以往的单目标控制策略和装置受到各种因素的约束而无法实现关联控制，增加了被控变量的不稳定性，这是单机多变量解耦问题。对于多台柴油发电机组的船舶电站并网系统，存在多个调压调无功过程，超出了传统单回路控制技术的能力范围。因此，多机多过程的发电柴油机并网控制需要具备v-i-q协同控制的能力。
本专利提供的一种船舶电站v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制系统是十分必要的，满足船舶电站及自动化技术领域高品质控制的需求，节省了分布式控制器数量，解决控制器相互影响的问题，为船舶电站能效优化带来显著的经济和社会效益，具有重要的创新性和现实意义。
本发明提供一种v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制系统，包括：公共母线电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、每套柴油发电机组的有功功率采样电路、每套柴油发电机组的频率检测器、每套柴油发电机组的变频器、每套柴油发电机组的pwm发生器、viq协同控制器、备用viq协同控制器、通信装置、稳压电源以及切换控制器；
所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个主控制开关连接到所述viq协同控制器的输入端；
所述公共母线电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电压采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机电枢端电流采样电路、所述每套柴油发电机组的发电机励磁电流采样电路、所述每套柴油发电机组的有功功率采样电路和所述每套柴油发电机组的频率检测器分别通过一个备控制开关连接到所述备用viq协同控制器的输入端；
所述viq协同控制器的输出端依次通过每套柴油发电机组的pwm发生器和每套柴油发电机组的变频器后，连接到每套柴油发电机组的励磁电流调节端子；
所述viq协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；所述备用viq协同控制器还分别与所述通信装置和所述稳压电源连接；
所述切换控制器分别与所述主控制开关和所述备控制开关连接。
具体的，假如船舶电力系统有6600v中压配电板和440v低压配电板组成，v-i-q协同控制系统管理1～5台中压发电机和1台低压停泊发电机，采集船舶电力系统的信号由母线电压和柴油发电机组各采样电路组成，采样信号经过滤波、量化处理后，输入到viq协同控制器进行运算。
本发明还提供一种v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制方法，包括以下步骤：
步骤1，viq协同控制器预建立viq协同控制模型；所述viq协同控制模型包括发电机电压电流控制模型、发电机无功功率控制模型和发电机励磁电流控制模型；
其中：
发电机电压电流控制模型：
式中，u-发电机电枢端电压，i-发电机电枢端电流，if-发电机励磁电流，kw1-基波绕组因数，f-频率，n1-电枢绕组匝数，n2-励磁绕组匝数，rmf-励磁绕组磁阻，ra-电枢电阻，j-复数算子，xs-发电机同步电抗；
由于实际中，发电机电枢端电流i会发生波动，因此，当发电机电枢端电流i增大时，则内部压降和电枢反应引起的压降都增大，导致发电机电枢端电压u下降，即发电机输出电压降低，因此，必须增大发电机励磁电流if，即增大发电机的激磁电动势e0，维持发电机电枢端电压u稳定在额定值上。
同理，当发电机电枢端电流i减小时，，需减小发电机励磁电流if。
发电机的有功负荷变化，影响频率f波动，导致u波动，也需要调节发电机励磁电流if来维持u稳定。即，频率f减小(或增大)，v‐i‐q协同控制器调节励磁电流if增大(或减小)。但频率f波动时，原动机侧通过调速器控制转速来稳定频率f的，因此，本发明中，可认为频率f一直稳定在额定值。
发电机无功功率控制模型：
式中，q‐发电机输出的无功功率，δ‐功率角，
忽略电枢电阻，不计磁饱和的影响，并假设调节励磁时柴油机的输入有功功率保持不变。根据功率平衡关系可知，调节励磁前后，发电机的电磁功率pe和输出的有功功率p2近似保持不变，则
由于发电机电枢端电压u和发电机的同步电抗xs均为定值，则
e0sinδ＝常数，
当激磁电动势为e0、发电机电枢端电流为i，功率因数
增大励磁电流，发电机工作在“过励”状态，此时电枢电流滞后于电网电压，电枢电流中除有功分量外，还有滞后的无功分量。过励时e0′cosδ′＞u，发电机除输出一定的有功功率外，还将输出滞后的无功功率。
减少励磁电流，发电机工作在“欠励”状态，此时电枢电流超前于电网电压，电枢电流中除有功分量外，还出现超前的无功分量。欠励时e0″cosδ″＜u，发电机除输出一定的有功功率外，还将输出超前的无功功率。
所以，通过调节发电机励磁电流if控制发电机输出的无功功率q。
发电机励磁电流控制模型：
if＝ieu+iei+k·δu
式中，ieu-电压分量，具体为发电机励磁电流if整流前的交流电流ie中来自发电机端电压部分的电压分量；iei-电流分量，具体为发电机励磁电流if整流前的交流电流ie中来自负载电流部分的电流分量；δu-发电机端电压偏差，k为viq协同控制器调节系数；
ieu通过线性电抗器检测，iei通过电流互感器检测，这两个电流反映负载变化，属于v-i-q协同控制器的开环调节，按负载电流大小和负载功率因数大小进行补偿。δu反映发电机端电压大小和相位的变化，励磁电流if对此的调节属于v-i-q协同控制器闭环调节。
步骤2，viq协同控制器设定控制目标，即：发电机电枢端电压u稳定在电压目标值；频率f稳定在频率目标值；并联运行时各个发电机所输出的无功功率趋于相等；
步骤3，viq协同控制器实时采样到每个发电机的发电机实际运行参数，包括：发电机电枢端电压u、发电机电枢端电流i、发电机励磁电流if、基波绕组因数kw1、频率f、电枢绕组匝数n1、励磁绕组匝数n2、励磁绕组磁阻rmf、电枢电阻ra、复数算子j、发电机同步电抗xs、发电机输出的无功功率q、功率角δ、功率因数角
viq协同控制将采样到的每个发电机的发电机实际运行参数代入到发电机电压电流控制模型、发电机无功功率控制模型和发电机励磁电流控制模型中，并对发电机励磁电流if进行调节控制，使发电机电枢端电压u稳定在电压目标值、频率f稳定在频率目标值以及并联运行时各个发电机所输出的无功功率趋于相等；具体调节方法为：
首先根据发电机电压电流控制模型，根据发电机电枢端电压和发电机电枢端电流的波动情况，以发电机电枢端电压为电压目标值，以频率f为频率目标值，计算得到每个发电机的发电机励磁电流目标值，然后根据该发电机的发电机励磁电流实际值，得到每个发电机的第1发电机励磁电流调节值δif1；
然后，根据发电机无功功率控制模型，以发电机电枢端电压为电压目标值，以频率f为频率目标值，以使各台发电机所输出的无功功率相等为目标，得到使各个发电机所输出的无功功率最为接近时的每个发电机的第2发电机励磁电流调节值δif2；
然后，根据发电机励磁电流控制模型，根据电压分量ieu和电流分量iei的波动情况，以发电机端电压偏差δu为0作为目标，得到使各个发电机端电压偏差最为接近0时的每个发电机的第3发电机励磁电流调节值δif3；
计算δif1、δif2和δif3的平均值，即为最终的每个发电机的发电机励磁电流调节值δif0；
步骤4，根据步骤3得到的每个发电机的发电机励磁电流调节值δif0，调节各个发电机的发电机励磁电流，进而实现发电机电枢端电压u稳定在电压目标值、频率f稳定在频率目标值、各个发电机所输出的无功功率最为相等的控制目标。
通过上述步骤，对于并联运行的多个发电机，viq协同控制器对每个发电机的励磁电流进行调节，实现了同时调节每个发电机的无功功率q和发电机电枢端电压u，实现了发电机电枢端电压u尽量稳定在电压目标值、频率f稳定在频率目标值、并联运行时各个发电机所输出的无功功率趋于相等的控制目标。因此，viq协同控制器同时完成了调压器avr和并车管理单元、功率控制模块的功能。
除上述描述的功能之外，viq协同控制器还具有母线电压调节和无功功率分配功能，下面对这两项功能分别介绍：
1)v-i-q协同控制船舶电力系统的母线电压
如图2所示：根据图1检测的母线电压ub和发电机电压u0，u0即为发电机电枢端电压u；计算电压偏差|△u|＝|ub-u0|，判断|△u|≤0.5％ue，其中ue为额定电压值。若|△u|超出范围，则|△u|＜1.5％ue，v-i-q协同控制器输出pwm(脉冲宽度调制)脉宽为0.25s；1.5％ue＜|△u|＜3％ue，v-i-q协同控制器输出pwm(脉冲宽度调制)脉宽为0.6s；3％ue＜|△u|，v-i-q协同控制器输出pwm(脉冲宽度调制)脉宽为1.5s。
|△u|＜0，v-i-q协同控制器调大励磁电流if，使电压升高；|△u|＞0，v-i-q协同控制器调小励磁电流if，使电压降低。
v-i-q协同控制器输出pwm(脉冲宽度调制)开关量控制电动电位vad的伺服马达cm，提高发电机励磁系统的电压调整精度与无功功率分配精度，发电机电压调整精度可达±0.5％以内，无功功率分配不平衡度可控制在±5％以内。
控制伺服马达的pwm脉冲，根据偏差大小自动选择脉宽，偏差越大，pwm脉宽越宽，则伺服马达转动时间越长，调节作用就越强。pwm脉冲宽度调制作用，把连续调节转换为断续调节，使调节过程既快又不至于产生超调。
2)v-i-q协同控制船舶电力系统的无功功率分配
如图3所示：首先计算并网运行发电机的无功功率平均值，然后计算每台发电机的无功功率偏差△q。判断|△q|≤1.2％qe，其中qe为无功功率额定值。若|△q|超出范围，则|△q|＞20％qe，v-i-q协同控制器输出pwm(脉冲宽度调制)脉宽为1.5s；10％qe≤|△q|≤20％qe，v-i-q协同控制器输出pwm(脉冲宽度调制)脉宽为0.6s；10％qe＞|△q|，v-i-q协同控制器输出pwm(脉冲宽度调制)脉宽为0.25s。
对电网电压进行定值自动调节时，各台发电机的伺服马达cm向同一方向一齐转动。发电机组并车合闸后或并联运行中的无功负荷分配，承担无功少的发电机cm→vad向增加无功的方向转动，同时使承担无功多的发电机cm→vad向减少无功的方向转动，这样两机组的无功分配趋于平衡。解列前，被解列机组的cm→vad减少无功方向转动，运行机组的cm→vad增加无功方向转动，进行负荷转移。
综上所述，本发明提供的v-i-q自动调节电压及无功功率协同控制系统及方法具有以下优点：
针对两台及其以上柴油发电机组成的船舶电站系统，多套柴油发电机组公用一套viq协同控制器，另一套备用viq协同控制器作为热备用，基于viq协同控制模型，实现多机多任务发电柴油机组并网的viq协同控制，本发明的viq协同控制算法具有自适应能力，可以对每套柴油发电机组进行逻辑控制和闭环调节，以发电机电枢端电压稳定、频率稳定和输出的无功功率相等为目标，调节各个柴油发电机组的励磁电流，优化控制发电机组并网运行自动适应负荷的能力，实现多机多任务的发电机组协同控制优化，viq协同控制器是一种新型而实用的先进控制技术，在船舶与海洋工程领域获得显著的经济和社会效益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。