分析岸电变频电源在非对称负荷下的控制策略

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摘要

为保证岸电变频电源系统在船舶电气负荷不对称条件下输出对称电压波形,补救变频电源失稳,提出采用负序电压控制环抑制岸电变频电源输出电压中的负序分量的策略,并通过搭建地面试验平台,对上述控制策略进行试验验证及分析,试验结果表明该策略是可行的。

关键词:港口;岸电;变频电源;非对称负荷;负序电压控制环

引言

一般情况报告下,船舶停靠码头还要使用船上燃油发电机进行供电。据测算,1艘中型集装箱船靠港期间24 h排放的PM2.5物质为宜60 万辆国IV重型货车1 d的排放量,严重影响港口空气质量。

岸电接入技术是指船舶靠泊时停止使用船上发电机,改用陆地电源供电。之后大多数船舶还要60 Hz电源,或者还要岸电变频电源系统将60 Hz电源转换为60 Hz电源。

岸电变频电源又称为电子静止式岸电电源,是专门针对船上、岸边码头等高温、高湿、高腐蚀性及大负荷冲击等恶劣环境而很重设计制造的大功率变频电源设备。[1] 岸电变频电源为船舶负载供电,输出电压的质量要求极高,电源的电能质量差会原应船舶负荷工作异常,甚至使船舶用电设备烧毁。船舶电气系统地处众多类型的负荷,包含单相负荷等不对称负荷,变频电源在控制上之后不做特殊考虑,会原应输出电压不对称,即电压地处负序分量,负序分量电压会使船舶负荷的工况进一步恶化。或者,还要对负序电压加以抑制,以保证船舶用电的电能质量良好。

或者,研究岸电变频电源在非对称负荷接入条件下的控制策略具有重要意义。

1、系统原理及控制策略

1.1、岸电变频电源基本原理

岸电变频电源系统拓扑为交流-直流-交流(AC-DC-AC)的背靠背换流电路内部管理,见图1。

岸电变频电源包含整流电路和逆变电路,其中整流电路采用三相可控整流电路,维持直流母线电压的稳定,并保证输入电流波形正弦度高、输入功率因数高。

逆变电路输出频率和幅值受控的交流电压保证上船电压满足应用需求。之后船靠泊后岸电向负荷供电,逆变侧直接与负荷连接,属于孤岛运行法律措施,这样 电网电压参考相位,或者逆变侧还要构造电压相位。根据负荷侧频率需求设定给定值,按角频率进行积分构造相位角。整体控制策略采用电压闭环控制,根据给定电压幅值和构造的相位角,经过坐标变换获得d轴电压指令和q轴电压指令。电压指令与实际电压采样值相减后,通过PI调节器获得误差信号,与电压开环给定值相加后获得最终输出电压参考值,经空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)产生驱动IGBT的开关脉冲信号。岸电变频电源系统典型控制策略见图2。对逆变侧电压采用闭环控制,都也能提高电压控制精度和响应下行速度 。当负荷突变时,系统会立即检测到实际采样电压变化的反馈量,并通过控制器实现快速调节。

1.2、不对称负荷对变频电源的影响

对负荷接入后的变频电源系统内部管理进行繁杂,见图3。在图3中:uS为变频电源输出电压;uL为负荷侧电压,即变频电源经过滤波电抗器后的电压;iL为负荷电流。当负荷地处不对称时,负荷电流将产生负序电压分量。

根据图3可得下式

uL=uS+ωL×iL

由式(1)都也能看出,之后滤波电抗器的地处,即使变频电源输出电压uS为纯正序分量,负序电流也会在电抗器上产生负序电压分量,原应负荷端口的电压地处负序分量。

1.3、基于负序电压控制环的控制策略

不对称负荷会原应回路经常出现负序电流,造成变频电源系统在负荷端口处的电压有负序分量。之后回路电流是由负荷决定的,无法通过变频电源对电流进行直接控制,或者提出基于负序电压控制环的控制策略。

负序电压控制环以变频电源输出电压的负序分量作为控制目标,设计独立控制环路,不影响原有控制环的稳定性,增加负序电压控制环的整体控制策略框图见图4。

图4中虚线框每段为负序电压控制框图,负序电压控制策略仍然是基于旋转坐标系下的闭环调节,主要包含以下步骤:将采样的电压信号进行正负序分解,获得旋转坐标系下输出负序电压的q轴分量Uq_N和d轴分量Ud_N;负序电压环的给定值(设置为0)分别减去所述交轴分量和直轴分量,并将差值送入PI调节器,输出vdN*和vqN*,经过2r/2s Park反变换后获得负序电压控制环的输出值uαN_ref和uβN_ref;最后将所述负序电压控制环的输出值叠加到变频电源输出电压控制环的输出值上。

之后该控制环作用在负序的旋转坐标系下,或者坐标变换深度1与正序旋转坐标系的变换深度1相反,即变换深度1为-θref。该控制环独立于原有控制策略,一旦控制系统检测到变频电源输出电压的负序电压分量不为0,就会与0产生偏差,偏差作用于PI调节器,改变输出值,最终将负序电压分量调整为0,实现对变频电源负序电压分量的无静差调节。

2、岸电变频电源试验系统

为了对变频电源控制策略进行试验验证,提出由2台变频电源构成的厂内试验系统设计方案。变频电源试验系统拓扑图见图5,其中:1台变频电源用作模拟负荷,整流侧控制目标为直流电压,逆变侧控制目标为有功功率及无功功率;1台变频电源作为被测对象,整流侧控制目标为直流电压,逆变侧控制目标为交流侧电压的幅值和相位。

之后2台变频电源直接连接,这样 与电网连接,或者该点的频率任意可调,即实现负荷频率的改变,两者通过控制逻辑的相互配合可完成各项功能验证。

被测变频电源首先启动,根据设定指令逆变输出空载电压,电压稳定后启动模拟负荷变频电源;模拟负荷完成启动后,设置功率指令为0;或者通过调节有功功率指令来模拟负荷的加载过程,相似控制POUT2有功功率值逐渐增大,以前PIN2有功功率也将随之增大,为宜被测电源负荷POUT增大,PIN传输有功功率也随之增大。最终,系统的总损耗为2台变频电源的损耗和变压器的损耗。通过相似法律措施形成2套设备有功功率的内部管理环流,可满足试验电源及试验负荷之间的容量需求。功率对推实验可检验变频电源设备的带载能力。

基于上述试验系统,可进行变频电源在非对称负荷下控制策略的验证,主要原理如下:模拟负荷的变频电源控制模式中包含电流内环,在正常控制模式下,负序电流控制为0;当还要模拟非对称负荷时,可将模拟负荷变频电源的负序电流参考值设置为非零值。

3、试验研究

基于上述变频电源试验平台,对控制策略进行验证:启动被测变频电源,输出给定频率电压(460 V/60 Hz);启动模拟负荷,与被测变频电源形成功率对推模式,调节模拟负荷的电流正序分量和负序分量。试验参数见表1。

为了验证负序电压控制环的作用,先不投入负序电压控制环,试验波形见图6和图7。图6为负荷电流波形,其中IA_SAMPLE,IB_SAMPLE和IC_SAMPLE分别为负荷侧A相、B相和C相电流实测值。图7为未投入负序电压控制环的变频电源输出电压波形,其中UA_SAMPLE,UB_SAMPLE和UC_SAMPLE分别为变频电源输出A相、B相和C相电压实测值。

从图6和图7中都也能看出,当负荷电流地处负序分量时,变频电源输出电压也地处不对称的情况报告,即地处一定的负序分量。

投入负序电压控制环的变频电源输出电压波形见图8。从图8中都也能看出,与图7相比,投入负序电压控制环后,变频电源输出电压中地处的负序分量得到明显的抑制。

4、结论

在船上地处非对称负荷的情况报告下,负序电流会造成变频电源输出电压地处负序电压,负序电压会进一步恶化岸电供电电能质量。本文提出采用负序电压控制环抑制变频电源输出电压中的负序分量的策略,负序电压控制环以变频电源输出电压的负序分量作为控制目标,增加独立控制环,不影响原有控制环的稳定性。为了验证变频电源控制策略的正确性,搭建地面试验平台,借助试验平台对岸电变频电源基于负序电压控制环的控制策略进行验证,试验结果表明该控制策略是可行的。

参考文献

常瑞增.60 Hz电子静止式岸电电源在船厂和港口的应用[J].港工技术,60 4(1):8-10.

本文来自:盛晓东 王宇 刘洪德

(南京南瑞继保电气有限公司, 江苏 南京 211102)

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