1 引言
装有特殊设备的船舶在停泊期间,常接入到岸地的电源,从其中获得其水泵、照明、通风和其他需求的电力供应。此时,船舶关闭自身的柴油发电机,不仅可以消除自身机组运行带来的噪声,也能在一定程度上减少废气的排放,无论对港口的可持续发展还是节能减排都具有很重要的意义。并且,船舶在泊位期间使用港口陆地上的电源能够具有良好的经济效益,不仅大大降低靠港船舶供电系统的运行和维护成本,还能大大提高能源利用效率。但常规变频电源虽能实现独立供电功能,但无法达到无缝并网供电的要求[1,2,3,4]。在变频电源为船舶提供供电前,必须先停止船舶主发电机组的供电。反之,也必须先停止变频电源系统的供电,然后才能恢复船舶发电机组的供电[5,6]。
综上所述,研究一种适合于船舶岸电电源多机并联的并网无缝切换技术非常必要。在陆地电网中,采用微电网方式解决分布式电源的大规模接入已经在各国家和地区有着较大的认同度,并且相关的项目也在开展实施[7,8,9]。微电网是电力产业可持续发展的有效途径。同时,注意到船舶电力系统是一种强非线性、强耦合、紧凑型系统,从整个电网结构的顶层设计、安装工艺,系统运行稳定性理论,系统的保护与重构技术,电力系统运行模式等方面都具有区别于陆地电力系统的独特特点[10,11,12,13]。因此,本文重点讨论岸电系统的多机并联技术,并应用微电网技术设计变频岸电电源系统,模拟船舶发电机的工作原理,以期实现变频岸电电源系统的无缝并网供电功能。
2 基于微电网原理的并离网无缝切换控制
2.1 两种运行方式
变频电源属于整个岸电系统中关键的核心部件,随着超大容量岸电系统的建设,岸电系统的多机并联技术引起关注,岸电系统的并联运行技术不仅能够扩大电源的容量,还具有使用灵活、互为冗余等多个优势,如故障冗余和岸电微网等。
如图1所示,三台变频电源系统并机运行,三台变频电源既可以作为一个整体运行,也可以选择其中一台或者两台运行,具体可根据靠港的船舶类型及用电量进行选择。
图1
冗余功能是指在运行过程中如果单个变频系统故障,可自动从系统中切出,在容量满足要求的情况下,不影响整套系统的运行。冗余功能可保证船侧不断电,提高了系统的可靠性。
除上述运行方案外,还可以采取如图2所示的运行模式,除组合使用外,能够单独使用。
图2
此运行方案的特点是将整个港口的岸电进行组网控制,形成类似岸电微网的概念,变频器的运行方式模拟了发电机的并机运行特性,灵活组网,且单个变频电源可单独使用,也可组合使用,在组合并网的过程中,后并网的变频电源将采集岸电输出母线的电压信息,然后进行输出电压的调整,锁频锁相成功后自动投切,形成岸电的微网状态。船舶岸电的微网运行方式必将成为未来港口岸电的一种趋势,即大容量、组网运行,本文正是基于此研究并离网无缝切换控制技术。
2.2 并离网无缝切换控制
船舶岸电微网的交流母线与公共电网之间,通过一个受微网控制系统控制的公共连接点开关PCC-S0相连,如图3所示。为实现船舶岸电微网系统并网与离网状态之间的无缝切换功能,需船舶岸电微网控制系统对系统内多台并联的微网用变流器进行协调控制和能量调度。
图3
图3
船舶岸电微网系统控制系统示意图
Fig.3
Schematic diagram of control system of ship shore power system
利用电压传感器,微网控制系统能够同时检测公共电网电压UUV、UVW和微网交流母线电压UAB、UBC,并通过锁相环PLL计算得到公共电网电压的角频率ωn、相角θn以及船舶岸电微网交流母线电压的角频率ωm、相角θm,最终计算得到公共电网电压Un和微网交流母线电压Um。
当岸电微网控制系统检测到公共电网故障,如电网失电、电网欠电压等故障时,将控制公共连接点开关PCC-S0断开,完成微网系统从并网状态到离网状态的切换。切换过程中,由于岸电微网用变流器具有电压源的输出特性,能够为微网系统内部负荷提供稳定的频率和电压支撑。因此,在容量允许的范围内,微网用变流器能够支持微网系统实现并网状态到离网状态的无缝切换,并在离网状态下通过一次调频和一次调压进行自动的负荷分配,保证多台并联稳定运行。
当岸电微网控制系统检测到电网故障恢复时,微网系统需要重新并网运行。此时,为实现离网到并网状态的无缝切换,抑制在PCC-S0闭合过程中产生的冲击电流,在闭合开关之前,微网交流母线电压必须先实现与公共电网电压的二次同步,即实现两者同频同相同幅。为实现上述功能,微网控制系统需使用通信对微网变流器进行二次调压和二次调频控制（见图3）。岸电微网控制系统对微网变流器的二次调压和二次调频控制分别通过对变流器下垂特性曲线中的空载频率ω0和空载电压U0的控制调节完成。
当岸电微网系统需要对系统进行电压或频率调整时,微网系统可通过对少数主力调压或调频电源的控制,来实现对微网系统电压或频率的调整,从而大大简化系统的控制。
岸电微网控制系统在对微网内变流器进行上述二次调压和二次调频控制的同时,还在对微网系统电压与电网电压的同步状态进行实时判断：
（1）微网系统电压频率已进入新的稳态,且与电网频率相同。
（2）微网系统电压幅值已经入新的稳态,且与电网电压幅值相同。
（3）微网系统电压相位与电网电压相位相同。
当微网系统电压同时满足上述三个条件,即与电网电压同频率同相位同幅值时,微网控制系统将控制公共连接点开关PCC-S0重新闭合,完成岸电微网系统从离网状态到并网状态的切换。由于在开关闭合前,岸电微网系统电压与电网电压同步,开关两端电压差为零,因此在离网状态到并网状态的切换过程中,公共连接点处不会产生过大的冲击电流,从而使得岸电微网系统能够完成离网到并网状态的无缝切换。
3 实际工程验证
因变频电源的负载有别于变频器的电机类负载,船上单相负载的使用,导致其三相间负载分配不可能绝对平衡,从而每相之间的压降可能会有所不同。基于本文思路设计的变频电源具有三相输出独立控制技术,对电压实行闭环控制,三相负载不平衡度达25%,依然保持三相线电压对称输出;现场测试波形记录如图4、图5所示。启动时三相负载并不平衡,两相间电流相差别很大,但对比观察下方电压波形,依然稳定对称。本文以中远非洲连船时的数据为工程实例进行验证。配电屏支持手动并网模式和自动并网模式,岸电并网时,两种模式现场均进行了试验,并网瞬间的波形如图4所示。需要说明的是图中波形通道分别为：1为变频电源U相输出电流;2为变频电源W相输出电流;3为隔离变压器输出U相输出电压;4为隔离变压器输出V相输出电压;5为隔离变压器输出W相输出电压。
图4
图5
图5
第一次手动并网时的三相输出波形图
Fig.5
The three phase output waveform of the first manual grid connected
由图4可以看出并网瞬间隔离变压器输出电流最大峰值为320A,变频电源输出电流最大峰值为377A,现场过电流点160%（峰值852A）。
图5为第一次手动并网时的三相输出电压和两相输出电流波形。可以看出,并网后的一段时间（约500ms）,三相输出电流波形出现较大畸变,变频电源的三相输出电压依然保持对称输出。综合上述实验结果可以看出,基于本文方法设计能够完成船舶离网到并网状态的无缝切换。
4 结束语
本文提出了一种船舶岸电微网电源变流器控制方法,使得微网用变流器具有电压源的输出特性,而非传统并网变流器的电流源输出特性。这种电压源的输出特性使得变流器能够在离网运行时,为微网负荷提供稳定的电压和频率支撑,并完成并网状态到离网状态的不停机切换。通过中远非洲连船时的数据,验证了其有效性。
本文采用微电网应用技术模拟船舶发电机的工作原理,通过电源检测传感器实时检测船舶电网的电压和频率,实时调整系统输出电源的电压和频率,从而实现变频岸电电源系统的无缝并网供电功能,对实际工程具有一定的参考价值。
参考文献
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微电网是发挥分布式电源效能的有效方式,具有巨大的社会与经济意义。由于分布式电源的多样性及微电网运行方式的复杂性,使得微电网的规划设计、运行调度、保护控制和仿真实验等方面与传统电力系统有较大区别。本文阐述了微电网中各项关键技术研究中的关键问题与研究现状,并且探讨了对未来微电网研究的方向。
Study on the key technology of micro grid
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新能源电网中微电源并网控制策略研究
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Research of new energy grid in micro power grid connected control strategy
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一种适用于微电网的微电源控制策略研究
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Research of a strategy on micro source used in micro grid control
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微网用分布式电源变流器下垂特性控制策略
[J].分析了微网用分布式电源变流器的工作原理和基于基波电压的等效模型, 提出了一种新的微网用分布式电源变流器控制策略。其中基于电压源输出特性的内环电压矢量控制策略, 实现了变流器从并网状态到离网状态的无缝切换;基于下垂特性的外环功率控制策略, 保证了微网内多台分布式电源变流器的无互联信号线并联应用;基于平移下垂特性曲线的电网二次同步控制策略, 实现了变流器离网状态到并网状态的无缝切换。本文对所提出的这一控制策略进行了详细的理论分析, 并利用多台容量为25kVA的微网用分布式电源变流器组成的微网系统实验电路, 通过实验结果验证了这一控制策略的可行性。
Research of the droop control strategy of microgrid with distributed power converter
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船舶电力系统重构的博弈算法
[J].船舶电力系统故障重构通过改变系统供电路径来恢复重要负载的供电，对增强系统的存活性有着重要意义。在多智能体(agent)架构的基础上，构建船舶电力系统博弈重构模型并提出求解方法。该模型以船舶电力系统中不同区域的agent作为博弈参与者，将船舶电力系统的重构问题转化为各agent之间的合作–竞争问题，从而保证重要负载的恢复供电。论文进一步提出该模型的求解算法，该算法首先判断博弈模式的合作与非合作属性，之后通过agent或agent联盟之间的博弈过程，计算各agent所属的负载/发电机的投切及转移策略。仿真算例表明，该算法能够快速有效地求解船舶电力系统重构问题，最大程度保证系统的存活性。
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基于Lognormal-GMM 模型的船舶电力监测网络流量建模方法
[J].为解决船舶电力监测网络中冲击性、周期性流量负荷给传统的基于Hurst参数的流量建模方法带来的模型误差问题，给出了基于Lognormal-GMM模型的船舶电力监测网络流量模型。为辨识该模型参数，提出了基于变分贝叶斯近似传播聚类的辨识方法。将流量波形等时分段；使用具有分布估计能力的变分贝叶斯理论辨识出每个时间段上的Lognormal流量参数分布函数；使用具有自适应聚类中心识别能力的近似传播聚类算法将分布函数聚类，得到高斯混合模型的混合参数。实验结果表明，基于上述方法的流量模型的拟合性比基于Hurst参数的流量模型更优。
A modeling method of Lognormal-GMM model on the ship power monitoring network traffic
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基于多层面同构的船舶智能电网理论体系研究
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Research of the multi level isomorphic ship smart grid theory system
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