船舶变频负载电机-电容惯性调频协同控制方法技术

一种船舶变频负载电机

【技术实现步骤摘要】
船舶变频负载电机
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电容惯性调频协同控制方法


[0001]本专利技术涉及的是一种电力控制领域的技术，具体是一种船舶变频负载电机
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电容惯性调频协同控制方法。

技术介绍

[0002]船舶综合电力系统80％的负载由变频设备组成，包括电力推进、泵类、压缩机等典型负载，变频器由整流与逆变单元级联构成，并通过直流电容稳压，实现电机的转速控制及功率传递。当变频负载参与频率调节时，系统可利用惯量实际上包括电机有效惯量以及电容虚拟惯量，因此挖掘并协调变频负载内部可利用惯量，是提升系统频率动态稳定性的重要途径。
[0003]现有变频负载参与惯性调频方法一般通过调控转速，利用转子存储动能参与调频。包括模拟同步机有功
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频率下垂特性的电机转速控制，以及加入频率微分项的电机转速下垂控制。然而，这种基于一次调频的方式对惯性响应支撑能力有限，因此系统频率变化率仍然相对较大；引入频率微分项后，虽然能够有效优化频率变化率与最大频率偏差，但是电机转速下降更大，严重影响机械轴系寿命。
[0004]由于变频系统具有级联结构，整流侧电容同样具有惯性储能，因此需要考虑其惯性调频能力。为保证系统稳定运行，需要在满足电容电压以及电机转速的运行约束下使变频负载自适应主动参与频率动态调节，因此亟需解决系统惯性调频以及电机运行的综合调控问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对船舶变频负载参与惯性调频时电机
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电容的协调控制技术无法兼顾负载运行及频率响应的不足，提出一种船舶变频负载电机
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电容惯性调频协同控制方法，通过建立系统功率
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频率状态方程、惯性调频以及负载调控的优化代价函数，灵活调控级联变频系统内电容与电机转子的惯性储能，当变频负载参与惯性调频时兼顾其运行特性，使得电容与电机在运行约束区间内自适应主动调整电压与转速。当电容与电机转子同时参与调频时，通过设计权重系数分配二者的惯性功率实时调节其动态运行轨迹。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术涉及一种船舶变频负载电机
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电容惯性调频协同控制方法，通过建立系统频率
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电容电压
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电机转速状态空间模型并进行离散化处理后生成系统预测模型，进而通过设置综合反映抑制频率波动以及负载控制的系统性能要求的代价函数，将变频负载的调控问题转化为约束优化模型，通过模型预测控制方法求解得到最优电压、转速调整量，将该结果通过反馈控制的方式应用至船舶负载变频器，实现变频负载自适应参与频率调节的效果。
[0008]本专利技术涉及一种实现上述方法的控制系统，包括：系统状态值测量单元、主动预测控制计算单元以及变频器控制单元，其中：系统状态值测量单元通过传感器测量系统频率、
原动机输出机械功率、系统输出有功功率、转速以及电压信号，主动预测控制计算单元根据系统状态信息，进行模型预测以及优化计算，得到电压
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转速调整量，变频器控制单元根据电压
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转速调整量信息，进行反馈控制。技术效果
[0009]本专利技术同时考虑级联变频系统内直流电容与电机转子的储能能力，进一步完善挖掘负载内部可利用惯量。从原理上分析变频负载内部电容以及电机储能的可利用惯性功率，并进一步转化推导变频器调控转速以及电压对系统频率的动态影响机理。在电压以及转速的设定运行区间内自适应调整，实时优化系统频率动态偏差。在应对船舶运行可能出现短时加减载带来的频率波动情况，策略相比其他控制方法能够综合考虑惯性调频与负载运行的控制效果，在不需要额外配置储能的情况下使变频负载主动参与调控，且有效保证变频负载的稳定运行。综合考虑级联系统内部电容储能以及电机储能差异，通过代价函数中各部分权值调整负载参与惯性调频能力。由于级联系统内部惯性功率来源包括电容与电机两部分，可分别通过改变对应权重调控各部分惯性功率。电压与转速在实际运行中约束不同，因此在对如直流电压约束较为严格的场景下，可通过灵活设计对应权重调整其运行区间，并提升来源于电机的惯性功率支撑效果。
[0010]与现有变频负载控制方法无法兼顾级联系统内电容与电机的惯性储能能力且一般通过调控转速，利用转子存储动能参与调频，或者是仅利用整流侧电容抑制网侧频率波动相比，本专利技术能够同时调控电容与电机储能参与调频，进一步挖掘变频负载可利用惯量，有效弥补仅依靠调控转速/直流电压可能产生的大范围波动的缺陷，进一步提升负载响应能力。
[0011]与现有变频负载控制方法无法同时兼顾网侧调频与变频负载的实时运行需求相比，本专利技术通过构造系统预测模型，并提出主动控制方法，能够在满足变频负载运行需求的前提下，最大程度优化网侧频率动态偏差，提升系统的惯性支撑能力。
[0012]与现有变频负载控制方法在网侧频率发生扰动时，仅按照网侧频率偏差或变化率按比例调节电机转速，并不满足电机实时运行轨迹动态可控，因此可能触发变频器过流/过压保护，造成设备损坏相比，本专利技术通过建立转速
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电压离散状态方程，并能够满足在各时刻转速与电压参考值动态可调，保证变频负载的安全可靠运行。
[0013]与现有变频负载参与惯性调频时，存在无法分配电容与电机转子的惯性功率的问题，从而影响变频负载的整体控制效果相比，本专利技术通过调节电容与电机的权重系数，实现自适应分配二者的惯性功率。
附图说明
[0014]图1为船舶综合电力系统频率控制传递函数模型示意图；
[0015]图2为船舶变频负载惯量来源示意图；
[0016]图3为变频负载惯性调频控制方法流程示意图；
[0017]图4为船舶变频负载电机
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电容惯性调频协同控制方法示意图；
[0018]图5为典型船舶综合电力系统结构与组成示意图；
[0019]图6为频率波动下系统频率
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直流电压
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电机转速示意图；
[0020]图中：(a)为负载不参与调控与参与调控时系统频率；(b)为负载不参与调控与参
与调控时直流电压；(c)为负载不参与调控与参与调控时电机转速；
[0021]图7为频率波动下不同惯量控制方案对比示意图；
[0022]图中：(a)为频率波动时各虚拟惯量控制方案的系统频率对比；(b)为频率波动时各虚拟惯量控制方案的直流电压对比；(c)为频率波动时各虚拟惯量控制方案的电机转速对比；
[0023]图8为权值Q改变下系统频率
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直流电压
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电机转速示意图；
[0024]图中：(a)为不同Q取值的系统频率对比；(b)为不同Q取值的电机转速对比；(c)为不同Q取值的直流电压对比；
[0025]图9为权重RIM/RC调整后电机转速/电容电压示意图；
[0026]图中：(a)为不同权重RC时系统直流电压对比；(b)为不同权重RIM的电机转速对比。
具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶变频负载电机
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电容惯性调频协同控制方法，其特征在于，通过建立系统频率
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电容电压
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电机转速状态空间模型并进行离散化处理后生成系统预测模型，进而通过设置综合反映抑制频率波动以及负载控制的系统性能要求的代价函数，将变频负载的调控问题转化为约束优化模型，通过模型预测控制方法求解得到最优电压、转速调整量，将该结果通过反馈控制的方式应用至船舶负载变频器，实现变频负载自适应参与频率调节的效果。2.根据权利要求1所述的船舶变频负载电机
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电容惯性调频协同控制方法，其特征是，包括：步骤1、构建船舶综合电力系统频率控制传递函数模型并将其转化为状态空间表达式后，通过建立系统功率
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频率状态方程并引入增量表达形式，得到系统预测模型；步骤2、通过主动预测控制方法进行电压
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转速调整优化计算；所述的步骤1，具体包括：1.1)构建船舶综合电力系统频率控制传递函数模型，包括：依次相连的调速器、原动机、负荷以及发电机，其中：调速器接收系统有功参考的稳态运行点附近各参数变化量和系统调差系数加权后的系统输出频率，输出调速器输出功率的标幺值至原动机，原动机进一步输出机械功率的标幺值至发电机，发电机接收机械功率与负荷功率之差的标幺值并输出；所述的调速器的系统函数为其中：T
G
为调速器等效时间常数；所述的原动机的系统函数为其中：T
T
为原动机等效时间常数；所述的发电机的系统函数为其中：H
DG
对应发电机组惯性常数，D对应负荷阻尼系数；1.2)将船舶电力系统频率控制传递函数模型转化为状态空间表达式，并加入变频负载电容电压调整功率以及电机转子调整功率，建立系统功率
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频率状态方程其中：A为系统状态矩阵，B为状态矩阵，B
d
为扰动矩阵，f为网侧频率，P
m
为原动机输出机械功率，P
G
为调速器输出功率，P
L
为船舶频繁产生的各类等效扰动功率，在此可视为状态空间扰动量；上标～为稳态运行点附近各参数变化量；T
G
、T
T
、R分别对应调速器、原动机等效时间常数、系统调差系数；H
DG
对应柴油发电机组惯性常数，D对应负荷阻尼系数；1.3)对时域微分进行差分等效，将步骤1.1中的电容电压调整功率以及电机转子调整功率转化为增量表达式：
其中：T
s
为系统离散采样周期，k代表离散时刻，H
c
为电容等效虚拟惯性常数，H
IM
为电机转子惯性常数，上标～为稳态运行点附近各参数变化量；1.4)将步骤1.3中的变频负载惯性功率转化为电压与转速的增量表达形式后，系统离散状态方程其中：A1为离散系统状态矩阵，B1为输入矩阵，B
d1
为扰动矩阵，和为第k步时电机转速与电容电压调整增量；1.5)通过ROCOF与最大频率偏差Δf
max
指标反映扰动后系统频率动态稳定性，选取网侧频率增量作为输出方程其中：y为状态输出，k为离散时刻，f为系统频率；在此基础上建立有限时域内n步预测方程；从当前k时刻开始，通过调控变频电机直流电压与转速，在n步控制序列作用下系统输出也将随之改变，系统预测模型为其中：U(k)为n步控制量组成的向量序列，而Y(k+n|k)对应了由n步预测输出所构成的序列。3.根据权利要求2所述的船舶变频负载电机
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电容惯性调...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文焘，胡思哲，邰能灵，祝彦兵，余墨多，庞宇，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：