虚拟同步发电机控制和恒压恒频控制在线切换控制方法与流程

本发明属于岸电控制领域，具体涉及一种虚拟同步发电机控制和恒压恒频控制在线切换控制方法，实现船舶高压岸电电源虚拟同步发电机控制和恒压恒频控制的在线无缝切换。

背景技术

船舶岸电是指当船舶泊靠码头时，停止所有的船舶柴油机电站运转，将船舶用电改由岸电电源提供，这样能够改善空气质量、降低噪音与港口区域的震动，同时提高经济效益。船舶岸电适用于港口、修造船厂、浮船坞、海洋钻井平台等场合。目前，国内港口岸电电源绝大多数采用断电接入负载的模式，该模式常采用恒压恒频控制策略。而断电接入需在船舶靠岸后停止柴油发电机，然后再与岸上电源连接，通常会花费2-3个小时，不仅过程繁琐，也给船上用电造成不便。因此不断电情况下接入负载成为一种趋势。

针对不断电接入模式，虚拟同步发电机控制在岸电电源与船侧同步发电机的并联工况下能够保证并联稳定运行，同时在岸电电源单独给船舶负载供电时，恒压恒频控制也提高了电压的幅值和频率的稳定性。因此，虚拟同步发电机控制与恒压恒频控制在线无缝切换能够实现岸电电源并网和离网的稳定运行，满足负载的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种虚拟同步发电机控制和恒压恒频控制在线切换控制方法，岸电电源与船侧同步发电机并联运行时，具有阻尼和惯性特性，运行稳定，同时在岸电电源离网单独供电时恒压恒频输出，提高电压的幅值和频率的稳定性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

包括在接收到船侧发电机停机信号时将虚拟同步发电机控制切换到恒压恒频控制的步骤，以及在接收到船侧发电机启动命令时将恒压恒频控制切换到虚拟同步发电机控制的步骤；

1)将虚拟同步发电机控制切换到恒压恒频控制的步骤包括：将虚拟同步发电机控制中的电磁转矩te设置为0，以及将无功电压下垂控制生成的电压δu设置为0；

2)将恒压恒频控制切换到虚拟同步发电机控制的步骤包括：将虚拟同步发电机控制中的电磁转矩te设置为实际岸电电源输出的有功功率pe/ωo，电压δu由无功电压下垂控制生成。

步骤1)将虚拟同步发电机控制中的电磁转矩te设置为0，则机械传递函数为：

上式中，

tm＝kp(ωo-ω)＝kpδω(2)

td＝d·δω(3)

联立(1)、(2)和(3)式得到：

式中的，ωo为参考角频率，ω为实际输出角频率，kp为有功频率下垂系数，tm为机械转矩，td为阻尼转矩，j为惯性时间常数，d为阻尼系数；

由式(4)得出δω＝0，则ω＝ωo。

步骤2)中的虚拟同步发电机控制传递函数g1(s)为：

将(5)式整理为一阶惯性环节：

上式中，ωpcc为高压岸电电源与船舶并联运行时的公共点角频率，pn为额定有功功率；

当接收到船舶启动时，将te设置为实际电磁功率pe/ωo，ω＝ωo+ω。

步骤1)当接收到船侧所有发电机停机命令时，令△u＝0，则参考电压为uref＝uo，为恒定值，继而实现虚拟同步发电机控制在线切换到恒压控制。

所述的步骤2)当接收到船侧发电机启动命令时，加入下垂控制，参考电压uref＝uo+kq*(qref-q)，式中的qref为参考无功功率，q为岸电电源输出无功功率，kq为无功电压下垂系数，uo为参考电压幅值，输出电压幅值与岸电电源的输出无功功率相关，继而实现恒压控制在线切换到虚拟同步发电机控制。

将10kv/50hz岸电电网电压首先经多绕组移相变压器分成18组不同相位的绕组，然后经三相二极管整流器整流为直流，分别作为每组h桥单元的直流输入，级联后经逆变、lc滤波器滤波以及变压器隔离后输出6.6kv/60hz，进而实现对负荷的供电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：在接收到船侧发电机停机信号时，将虚拟同步发电机控制切换到恒压恒频控制，在接收到船侧发电机启动命令时，将恒压恒频控制切换到虚拟同步发电机控制，通过控制策略切换命令，实现虚拟同步发电机控制与恒压恒频控制的在线无缝切换，切换过程平滑无冲击，既保证了岸电电源与船侧同步发电机的并联稳定运行，同时在岸电电源单独为船舶负载供电时，提高了电压幅值和频率的稳定性，且本发明实现简单，具有成本低和可靠性高的优点。

附图说明

图1船舶高压岸电电源系统结构框图；

图2船舶高压岸电电源功率单元结构电路图；

图3船舶高压岸电电源虚拟同步发电机控制和恒压恒频控制切换框图；

图4船舶高压岸电电源虚拟同步发电机控制转恒频控制框图；

图5船舶高压岸电电源虚拟同步发电机控制转恒压控制框图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参见图1-2，本发明将10kv/50hz岸电电网电压首先经多绕组移相变压器分成18组不同相位的绕组，然后经三相二极管整流器整流为直流，分别作为每组h桥单元的直流输入，级联后经逆变、lc滤波器滤波以及变压器隔离后输出6.6kv/60hz电压，实现对负荷的供电。

参见图3，本发明虚拟同步发电机控制与恒压恒频控制在线切换包括：当接收到船侧所有发电机停机时，虚拟同步发电机控制切换到恒压恒频控制，当接收到船侧启动命令时，恒压恒频控制切换到虚拟同步发电机控制。参见图4-5，切换包括两方面：第一，虚拟同步发电机控制与恒压控制在线切换；第二，虚拟同步发电机控制与恒频控制在线切换。

图中，ωo为参考角频率，ω为实际输出角频率，kp为有功频率下垂系数，tm为机械转矩，te为电磁转矩，td为阻尼转矩，j为惯性时间常数，d为阻尼系数，qref为参考无功功率，q为岸电电源输出无功功率，kq为无功电压下垂系数，uo为参考电压幅值。

1)虚拟同步发电机控制与恒频控制在线切换；

a.在线切换为恒频控制：

将虚拟同步发电机控制策略中的电磁转矩置0，即te＝0，机械部分传递函数为：

tm＝kp(ωo-ω)＝kpδω(2)

td＝d·δω(3)

整理(1)、(2)和(3)式得到：

根据(4)式，可以得出：

δω＝0

因此，当接收到切换为恒压恒频控制时，将te设置为零，可以将虚拟同步发电机在线无缝切换到恒频模式，此时ω＝ωo。

b.在线切换为虚拟同步发电机控制模式；

将虚拟同步发电机控制中的电磁转矩te设置为te＝pe/ωo；

虚拟同步发电机控制传递函数g1(s)为：

将(5)式整理为一阶惯性环节，可得：

式(5)中，ωpcc为高压岸电电源与船舶并联运行时公共点角频率，pn为额定有功功率。

由式(5)可知，功率的变化引起角频率ω的变化，当接收到船舶启动时，将te设置为实际电磁功率pe/ωo，可以将恒压恒频控制在线切换到虚拟同步发电机控制，此时，ω＝ωo+ω。

2)虚拟同步发电机控制在线切换恒压控制

a.在线切换为恒压控制

当接收到船侧所有发电机停机命令时，令δu＝0，则参考电压为uref＝uo，为一恒定值，则实现虚拟同步发电机控制在线切换到恒压控制。

b.在线切换为虚拟同步发电机控制

当接收到船侧启动命令时，加入下垂控制，则参考电压uref＝uo+kq*(qref-q)，输出电压幅值与岸电电源输出无功功率有关，则实现恒压控制在线切换到虚拟同步发电机控制。