一种绿色港口分布式能源预并网控制方法

1.本发明属于港口能源控制技术领域，尤其涉及一种绿色港口分布式能源预 并网控制方法。


背景技术：

2.绿色港口是以绿色环保为指导观念，建设在环境和经济发展之间达到的一 个可持续动态平衡、实现资源合理应用、低污染、低能耗的新型港口。船舶靠港 作业期间主要依靠船舶四冲程柴油发电机维持船舶上各类设备及生活所需电力， 其排放的大量二氧化碳、硫化物和氮化物对港口地区造成严重污染。因此通过建 立波浪能、太阳能光伏、风电、储能供电、岸电等港口综合供电系统的船舶电网， 建设智慧绿色能源平台，实现港口绿色、低碳、循环发展尤为重要。
3.值得指出的是，当船舶靠港作业期间，当使用船载克令吊等大功率设备时， 由于港口分布式能源的特殊复杂性，将会导致港口分布式能源预并网控制精度 差和过渡过程时间长等问题，不能更好满足港口分布式能源对于预并网控制的 快速性与稳定性的要求，这对绿色港口分布式能源预并网控制策略提出了更高 要求。
4.近年来，为保证分布式能源高质量的电能与本地敏感负荷的正常工作以及 余量上网，钟庆昌教授等人提出的基于虚拟同步发电机技术的传统预并网控制 方法得到了广泛应用。通过设计一种基于锁相环的预同步单元来跟踪电网电压 的幅值跟相位，从而避免并网过程中由于并网点两侧相位差导致的冲击电流。然 而，船舶靠港作业期间大功率设备启停时，船舶电网频率波动下由于锁相环自身 测量数据延迟、动态响应时间长的特性，因此通过锁相得到的相位差送入pi控 制器将会导致预并网控制精度差和过渡过程时间长的问题。因此传统预并网控 制方法难以满足港口分布式能源对于预并网控制快速性与稳定性的要求。
5.智能自学习pid学习控制将pid控制与智能控制算法相结合来处理实际控 制过程中遇到的强非线性和随机扰动问题，是一种针对离散时间非线性系统的 控制算法。该算法对与非线性不确定项和未知参数，分别设计自适应估计器和时 间差分估计器，以此来提高智能自学习pid控制器的自适应性和鲁棒性。并且 控制器引入了一种自适应机制，仅利用实时i/o量测数据更新局部线性数据模型 并且是一种数据驱动控制器，其设计和分析不依赖于模型信息，非常适合应用于 工业控制领域。
6.本发明考虑在大型商船靠港情况下，波浪能等港口分布式能源通过并网参 与靠港船舶能源调度和负荷分配期间产生的并网冲击电流问题及传统预并网控 制方法控制精度差、过渡过程时间长的问题，提出了一种绿色港口分布式能源预 并网控制方法。该方法仅利用dq坐标轴电压分量计算虚拟电抗上的虚拟无功功 率，通过智能自学习pid控制器控制虚拟无功功率获得逆变器误差补偿角频率 与逆变器误差补偿电压幅值并分别将其引入虚拟同步发电机控制算法中的有功 调频控制环与无功调压控制环，进而改变港口分布式逆变器输出电压相位与电 压幅值，实现与船舶电网电压的幅值与相位的同步，改善港口分
布式能源接入港 口综合供电系统时并网冲击电流的产生以及港口分布式能源并网过程中的快速 性与稳定性。


技术实现要素：

7.本发明考虑在大型商船靠港情况下，波浪能等港口分布式能源通过并网参 与靠港船舶能源调度和负荷分配期间产生的并网冲击电流问题及传统预并网控 制方法控制精度差、过渡过程时间长的问题，提供了一种绿色港口分布式能源预 并网控制方法，改善港口分布式能源接入港口综合供电系统时产生的并网冲击 电流，实现港口分布式能源的快速、稳定并网。
8.为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
9.s1：根据dq坐标轴电压分量计算虚拟电抗上的虚拟无功功率；
10.s2：通过智能自学习pid控制器控制虚拟无功功率得到逆变器误差补偿角 频率与逆变器误差补偿电压幅值；
11.s3：分别将逆变器误差补偿角频率与逆变器误差补偿电压幅值引入虚拟同 步发电机控制算法中的有功调频控制环与无功调压控制环实现预并网控制；
12.s4：通过控制分布式能源逆变器输出电压的幅值与相位与船舶电网电压的 幅值与相位同步实现预并网控制；
13.进一步，步骤s1中，所述根据dq坐标轴电压分量计算虚拟电抗上的虚拟 无功功率具体包括：
14.(1)采集分布式能源逆变器输出三相电压u
0a
、u
0b
、u
0c
与船舶电网三相电 压u
ga
、u
gb
、u
gc
；通过park变换分别将分布式能源逆变器输出三相电压u
0a
、 u
0b
、u
0c
与船舶电网三相电压u
ga
、u
gb
、u
gc
转换为dq坐标轴下的电压分量u
0d
、 u
0q
与u
gd
、u
gq
；
15.(2)假设船舶电网与港口分布式能源之间存在一个虚拟阻抗，将虚拟阻抗 等效为虚拟电抗并且根据dq坐标轴下的电压分量u
0d
、u
0q
与u
gd
、u
gq
计算船舶 电网与港口分布式能源之间的虚拟无功功率，表达式如下：
[0016][0017][0018][0019][0020]
其中，qv为船舶电网与港口分布式能源之间的虚拟无功功率；xv为虚拟电 抗；δθ为船舶电网电压与港口分布式能源逆变器输出电压之间的相位差；u0、 ug分别为港口分布式能源逆变器输出电压的有效值与船舶电网电压的有效值；
[0021]
进一步，步骤s2中，所述通过智能自学习pid控制器控制虚拟无功功率得 到逆变器误差补偿角频率与逆变器误差补偿电压幅值具体包括：
有其中，b＞0为一个正常数；
[0044]
(22)由虚拟无功功率离散化方程可得下述两式：
[0045][0046]
ξ(t)＝qv(t)-qv(t-1)；
[0047]
由于故方程有解η(t)；
[0048]
令
[0049]
可以得到|φc(t)||≤b；
[0050]
(3)计算虚拟无功功率的伪jacobian矩阵估计律：
[0051][0052]
对于γc(t)，通过采用时间差分估计算法使用之前的i/o信息来对当前时刻 γc(t)进行估计：
[0053][0054]
其中，为的估计值；
[0055]
为的估计值；
[0056]
为γc(t)的估计值；
[0057]
η∈(0,2]为步长因子，目的是为了让控制算法更具一般性
[0058]
μ＞0为权重因子；
[0059]
进一步，步骤(3)具体包括下述步骤：
[0060]
(31)建立参数估计指标函数
[0061][0062]
(32)对该参数估计指标函数两边关于φc(t)求导，并令其为零，可得伪 jacobian矩阵数估计律：
[0063][0064]
(4)设计虚拟无功功率的智能自学习pid控制器：
[0065]
定义输出跟踪误差e(t)＝q
vr
(t+1)-qv(t+1)，根据等价反馈原理,并且在 引入误差反馈项，可以得到：
[0066][0067]
其中，λ＞0为个权重因子；为期望输出虚拟功率；ρ∈(0,2]为步长因 子，目的是用来限制输入量的变化；k
p
、ki、kd为学习增益；
[0068]
又进一步，步骤s3中，所述分别将逆变器误差补偿角频率与逆变器误差补 偿电压幅值引入虚拟同步发电机控制算法中的有功调频控制环与无功调压控制 环实现预并网控制具体包括：
[0069][0070]
e＝kq(q
set-qe)+u0+e(t)；
[0071]
其中，j为虚拟同步发电机的虚拟转动惯量；p
set
为虚拟输入机械功率；pe为 虚拟同步发电机的输出电磁功率；ω为虚拟同步发电机输出角频率；ωn为虚拟同 步发电机额定输出角频率；d
p
为阻尼系数；θ为虚拟同步发电机输出参考电压相 位；kq为无功调压系数；q
set
为虚拟无功功率设定值；qe为虚拟同步发电机输出 的无功功率；e为虚拟同步发电机输出参考电压幅值；
[0072]
通过控制虚拟无功功率和虚拟无功功率设定值相等时，分布式能源逆变器 输出电压的幅值、相位与船舶电网电压的幅值、相位同步，闭合并网开关，即可 实现绿色港口分布式能源预并网控制。
[0073]
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
[0074]
(1)相比于传统预并网控制方法，省略了锁相环环节，避免在船舶靠港作 业大功率设备启停环境下通过锁相环测得的相位差送入pi控制器导致的预并网 控制精度差和过渡过程时间长的问题；
[0075]
(2)相比于传统预并网控制策略，本发明采用的智能自学习pid学习控制 器鲁，棒性更强并且具备自适应性；此外仅需一个控制器，减小了控制器成本并 且避免了传统预并网控制方法中的同步使能环节；
[0076]
(3)可以快速实现港口分布式逆变器输出电压相位与电压幅值与船舶电网 电压的幅值与相位的同步，改善港口分布式能源接入港口综合供电系统时并网 冲击电流的产生以及港口分布式能源并网过程中稳定性。
附图说明
[0077]
图1为本发明提出的一种绿色港口分布式能源预并网控制方法的一个实施 例的流程图；
[0078]
图2为本发明所述的绿色港口综合供电系统简图；
[0079]
图3为本发明提出一种绿色港口分布式能源预并网控制方法的控制框图；
[0080]
图4是传统预并网控制方法与本发明提出的预并网控制方法的港口分布式 能源逆变器输出电压与船舶电网电压之间的相位差对比图；
[0081]
图5是传统预并网控制方法与本发明提出的预并网控制方法下港口分布式 能源逆变器输出a相电压与船舶电网a相电压的对比图；
[0082]
图6是传统预并网控制方法与本发明提出的预并网控制方法的分布式能源 输出电流对比图；
具体实施方式
[0083]
为使本发明实例的目的、技术方案更加清楚，接下将结合本发明实例附图， 对本发明进行更为完整的描述。
[0084]
本发明考虑在大型商船靠港情况下，波浪能等港口分布式能源通过并网参 与靠港船舶能源调度和负荷分配期间产生的并网冲击电流问题及传统预并网控 制方法控制精度差、过渡过程时间长的问题，提出了一种绿色港口分布式能源预 并网控制方法。下面，对一种绿色港口分布式能源预并网控制方法进行详细说明。
[0085]
请参阅图1～图6为绿色港口分布式能源预并网控制方法。图1为本发明提 出的一种绿色港口分布式能源预并网控制方法的一个实施例的流程图，本方法 通过采集分布式能源逆变器输出三相电压与船舶电网三相电压经过park变化后 来计算虚拟电抗上的虚拟无功功率，通过智能自学习pid控制器控制虚拟无功 功率获得逆变器误差补偿角频率与逆变器误差补偿电压幅值并分别将其引入虚 拟同步发电机控制算法中的有功调频控制环与无功调压控制环，进而改变港口 分布式逆变器输出电压相位与电压幅值，实现与船舶电网电压的幅值与相位的 同步，改善港口分布式能源接入港口综合供电系统时并网冲击电流的产生以及 港口分布式能源并网过程中的快速性与稳定性。
[0086]
图2是为本发明所述的绿色港口综合供电系统简图，大型商船靠港期间， 绿色港口综合供电系统由港口岸电、商船搭载波浪能发电装置、光伏阵列、风力 发电机、储能单元共同组成船舶电网，各分布式能源通过逆变器连接交流母线， 通过并网开关来决定分布式能源是否并网。
[0087]
图3为本发明提出一种绿色港口分布式能源预并网控制方法的控制框图， 具体步骤如下：
[0088]
步骤一：根据dq坐标轴电压分量计算虚拟电抗上的虚拟无功功率
[0089]
(1)采集分布式能源逆变器输出三相电压u
0a
、u
0b
、u
0c
与船舶电网三相电 压u
ga
、u
gb
、u
gc
；通过park变换分别将分布式能源逆变器输出三相相电压u
0a
、u
0b
、u
0c
与船舶电网三相相电压u
ga
、u
gb
、u
gc
转换为dq坐标轴下的电压分量u
0d
、 u
0q
与u
gd
、u
gq
；
[0090]
(2)假设并网开关sg存在一个虚拟阻抗zv，将虚拟阻抗等效为虚拟电抗 xv并且根据dq坐标轴下的电压分量u
0d
、u
0q
与u
gd
、u
gq
计算船舶电网与港口分 布式能源之间的虚拟无
功功率，表达式如下：
[0091][0092][0093][0094][0095]
其中，qv为船舶电网与港口分布式能源之间的虚拟无功功率；xv为虚拟电 抗；δθ为船舶电网与港口分布式能源之间的相位差；u0、ug分别为港口分布式 能源逆变器输出电压的有效值与船舶电网电压的有效值；
[0096]
步骤二：通过智能自学习pid控制器控制虚拟无功功率得到逆变器误差补 偿角频率与逆变器误差补偿电压幅值：
[0097]
(1)对虚拟无功功率表达式进行离散化处理：
[0098][0099][0100][0101]
其中，ω(t+1)为t+1时刻逆变器误差补偿角频率；
[0102]
ω(t)为t时刻逆变器误差补偿角频率；
[0103]
e(t+1)为t+1时刻逆变器误差补偿电压幅值；
[0104]
e(t)为t时刻逆变器误差补偿电压幅值；
[0105]
qv(t+1)为t+1时刻的虚拟无功功率；
[0106]
qv(t)为t时刻的虚拟无功功率；
[0107]
h为采样周期；
[0108]
为了提高虚拟无功功率离散化方程的精确性，离散化方程(5)满足下述假 设：
[0109]
假设1：方程分别关于控制输入ω(t)与e(t)的偏导数存在、连续且有界；
[0110]
假设2：方程满足广义lipschitz条件，即满足对任意的t1≠t2，t1，t2≥0和 有
[0111][0112]
其中，b＞0为一个正常数；
[0113][0114]
由于离散化方程(5)对于全局变量均连续可微，ω(t)与e(t)的偏导数存在、连 续且有界，因此假设1成立。另外，有限的逆变器误差补偿角频率与逆变器误差 补偿电压幅值的变化不会引起虚拟无功功率的无限增加，所以假设2成立。
[0115]
(2)进行紧格式动态线性化处理，获得紧格式局部线性化数据模型：
[0116]
对于虚拟无功功率离散化方程，当时，存在被称为伪jacobian矩 阵的时变参数使得虚拟无功功率离散化方程转换为紧格式局部 线性化数据模型：
[0117][0118]
其中，对任意时间t有界；γc(t)为一个非线性项；
[0119]
公式(7)即为获得的数学模型。
[0120]
具体来说：
[0121]
(21)建立离散时间非线性系统：
[0122][0123]
其中，qv(t)∈r表示t时刻系统的输出ω(t)∈r,e(t)∈r表示t时刻系统的输入， m
ζ
和是两个未知的正整数；γ(
…
)：是系统未知的非线性函数；
[0124]
该系统满足以下假设：
[0125]
假设3：该系统分别关于ω(t)与e(t)的偏导数存在且连续；
[0126]
假设4：方程满足广义lipschitz条件，即满足对任意的t1≠t2，t1，t2≥0和 有其中，b＞0为一个正常数；
[0127]
(22)由虚拟无功功率离散化方程可得下述两式：
[0128][0129]
ξ(t)＝qv(t)-qv(t-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0130]
由于故方程有解η(t)；
[0131]
令
[0132]
可以得到
[0133]
[0134]
(3)计算虚拟无功功率的伪jacobian矩阵估计律：
[0135]
(31)建立参数估计指标函数
[0136][0137]
(32)对该参数估计指标函数两边关于φc(t)求导，并令其为零，可得伪 jacobian矩阵数估计律：
[0138][0139]
(33)对于γc(t)，通过采用时间差分估计算法使用之前的i/o信息来对当前 时刻γc(t)进行估计：
[0140][0141]
其中，为的估计值；
[0142]
为的估计值；
[0143]
为γc(t)的估计值；
[0144]
η∈(0,2]为步长因子，目的是为了让控制算法更具一般性
[0145]
μ＞0为权重因子；
[0146]
(4)设计虚拟无功功率的智能自学习pid控制器：
[0147]
(41)根据等价反馈原理，根据式(7)可得
[0148][0149]
ρ∈(0,2]为步长因子；λ＞0是一个权重因子，用来控制输入量的变化；q
vr
(t+1) 为期望输出虚拟无功功率；
[0150]
(42)定义输出跟踪误差
[0151][0152]
根据等价反馈原理,并且在式(16)引入误差反馈项，可以得到：
[0153][0154]
其中，k
p
、ki、kd为学习增益；
[0155]
综上，智能自学习pid控制方案如下：
[0156][0157]
步骤三：分别将逆变器误差补偿角频率与逆变器误差补偿电压幅值引入虚 拟同步发电机控制算法中的有功调频控制环与无功调压控制环实现预并网控制 具体包括：
[0158]
(1)将逆变器误差补偿角频率引入虚拟同步发电机控制算法中的有功调频 控制环：
[0159][0160]
其中，j为虚拟同步发电机的虚拟转动惯量；p
set
为虚拟输入机械功率；pe为 虚拟同步发电机的输出电磁功率；ω为虚拟同步发电机输出角频率；ωn为虚拟同 步发电机额定输出角频率；d
p
为阻尼系数；θ为虚拟同步发电机输出参考电压相 位；
[0161]
(2)将逆变器误差补偿电压幅值引入虚拟同步发电机控制算法中的无功调 压控制环：
[0162]
e＝kq(q
set-qe)+u0+e(t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0163]
其中，kq为无功调压系数；q
set
为虚拟无功功率设定值；qe为虚拟同步发电 机输出的无功功率；e为虚拟同步发电机输出参考电压幅值；
[0164]
步骤四：通过控制虚拟无功功率和虚拟无功功率设定值相等时，分布式能源 逆变器输出电压的幅值、相位与船舶电网电压的幅值、相位同步，即可实现预并 网控制。
[0165]
因此，本实施例的控制方法，考虑在大型商船靠港情况下，波浪能等港口分 布式能源通过并网参与靠港船舶能源调度和负荷分配期间产生的并网冲击电流 问题及传统预并网控制方法控制精度差、过渡过程时间长的问题。通过采集分布 式能源逆变器输出三相电压与船舶电网三相电压经过park变化后来计算虚拟电 抗上的虚拟无功功率，通过智能自学习pid控制器控制虚拟无功功率获得逆变 器误差补偿角频率与逆变器误差补偿电压幅值并分别将其引入虚拟同步发电机 控制算法中的有功调频控制环与无功调压控制环，
进而改变港口分布式逆变器 输出电压相位与电压幅值，实现与船舶电网电压的幅值与相位的同步，改善港口 分布式能源接入港口综合供电系统时并网冲击电流的产生以及港口分布式能源 并网过程中的快速性与稳定性。下面对传统虚拟同步发电机预并网控制方法以 及本实施例的控制方法进行比对分析。
[0166]
以浮子直驱式波浪能发电装置为例，港口岸电综合供电系统处于平稳状态、 无负荷频繁波动的情况下，通过对波浪能发电装置的预并网控制实现波浪能发 电装置的平滑并网，提高船舶电网的供电率。港口综合供电系统参数参考青岛港 招商局码头，即电压等级380v，供电频率50hz。通过matlab/simulink搭建 单台绿色港口分布式能源预并网控制系统，并设计了传统预并网控制方法与之 对比。波浪能发电装置通过机侧变换器实现交直流变换，再通过逆变器接入船舶 电网。波浪能发电装置在输入波浪激励力fs＝2000sin(πt/2)下，波浪能发电装置 直流侧电压稳定在800v，因此采用虚拟同步发电机算法的分布式能源逆变器参 数设置为：逆变器滤波电感取0.07h；逆变器滤波电容5μf；定子电枢电阻0.01 ω；转动惯量j＝0.5kg.m2；阻尼系数d
p
取100；虚拟输入机械功率10kw；虚拟 无功功率设定值5kvar，假设逆变器与船舶电网电压的初始相位差设置为35
°
。
[0167]
初始情况下，波浪能发电装置工作在孤岛模式为10kw的本地交流负荷进 行供电，总仿真时长设置为5s。运行到2s时投入预并网控制器。图4与图5 分别展示了港口分布式能源逆变器输出电压与船舶电网电压之间的相位差对比 图与传统预并网控制方法与本发明提出的预并网控制方法下港口分布式能源逆 变器输出a相电压与船舶电网a相电压的对比图；根据图4可知传统预并网 控制方法下分布式能源逆变器输出电压与船舶电网电压之间的相位差在2.25s 时趋于同步，本发明所提预并网方法下在2.08s时趋于同步。对于图5，在预并 网控制器投入后，本发明所提预并网方法相比传统预并网控制方法分布式能源 逆变器输出a相电压与船舶电网a相电压在有限时间内实现同步，而传统预 同步控制方法由于pi控制器的存在，控制时间更长。
[0168]
图5给出了传统预并网控制方法与本发明提出的预并网控制方法下的港口 分布式能源逆变器输出电流对比图。可见传统预并网控制方法下，分布式能源逆 变器并网过程中输出电流明显产生畸变，即分布式能源逆变器的并入对船舶电 网将会产生明显的并网冲击电流，不利于港口综合供电系统的稳定运行。而本发 明提出的预并网控制方法下的港口分布式能源逆变器输出电流无明显畸变。相 比与传统预并网控制方法来说对于船舶电网产生的并网冲击电流更小，更有利 于实现港口分布式能源通过并网参与靠港船舶能源调度和负荷分配。
[0169]
本实施例提出了一种绿色港口分布式能源预并网方法。通过仿真实验，比较 了传统预并网控制方法与本发明所提预并网控制方法的预并网性能，结果表明， 港口分布式能源在本发明所提预并网控制方法下并入船舶电网时产生的冲击电 流更小，同时优化了港口分布式能源预并网速度与控制精度，提高了港口分布式 能源并网的稳定性。
[0170]
以上内容为本发明的技术思想，熟悉本领域的技术人员可根据以上描述的 技术方案以及思想，做出各种相应的改变、修饰、简化、组合，而所有的改变、 修饰、简化、组合都包含在本发明权利要求的保护范围之内。