船舶發(fā)電機(jī)電壓與無(wú)功功率綜合控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流自動(dòng)控制技術(shù)，尤其涉及并聯(lián)運(yùn)行船舶發(fā)電機(jī)電壓與 無(wú)功功率的綜合控制，確保電網(wǎng)電壓恒定、無(wú)功功率合理分配，提高船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。 技術(shù)背景
[0002] 對(duì)于船舶電力系統(tǒng)而言，負(fù)載變動(dòng)是造成電壓波動(dòng)和無(wú)功功率分配變化的主要原 因，為此，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都配置一套調(diào)壓器(AVR) JVR根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行工況和負(fù)載變化，自 動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以維持發(fā)電機(jī)輸出端電壓穩(wěn)定。同時(shí)，利用AVR的電壓-無(wú)功功率下傾特 性，即發(fā)電機(jī)端電壓隨無(wú)功功率輸出增加而略有下降，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)發(fā)電機(jī)之間的無(wú)功功率分 配。然而，這種傳統(tǒng)的AVR存在明顯的不足，各AVR之間缺乏信號(hào)通信，并且各AVR和發(fā)電機(jī)的 電磁參數(shù)存在差異，并聯(lián)發(fā)電機(jī)功率因數(shù)不能保持一致，尤其電網(wǎng)負(fù)荷劇烈波動(dòng)時(shí)，并聯(lián)發(fā) 電機(jī)之間存在大量環(huán)流，甚至導(dǎo)致發(fā)電機(jī)跳閘與全船失電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)上述現(xiàn)狀與相關(guān)技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種適用于船舶發(fā)電機(jī)的電 壓與無(wú)功功率綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)與母排之間設(shè)置了輸出電抗器，通過(guò)檢測(cè)發(fā) 電機(jī)端電壓、輸出電流以及母排電壓，計(jì)算出發(fā)電機(jī)的有功功率與無(wú)功功率。利用母排電壓 調(diào)節(jié)器、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器以及AVR三重調(diào)節(jié)回路，綜合控制發(fā)電機(jī)電壓和無(wú)功功率，有效改 善電網(wǎng)電壓與無(wú)功功率分配的動(dòng)靜態(tài)控制性能。即使并聯(lián)發(fā)電機(jī)的型號(hào)、容量不一致，這種 綜合控制系統(tǒng)也能獲得良好的控制效果，抑制并聯(lián)發(fā)電機(jī)之間環(huán)流，提升船舶電力系統(tǒng)穩(wěn) 定性。
[0004] 本發(fā)明船舶發(fā)電機(jī)電壓與無(wú)功功率綜合控制系統(tǒng)的具體技術(shù)方案如下：
[0005] -種船舶發(fā)電機(jī)電壓與無(wú)功功率綜合控制系統(tǒng)，由三重調(diào)節(jié)回路組成，最內(nèi)層是η 個(gè)并聯(lián)發(fā)電機(jī)AVR端電壓調(diào)節(jié)回路，η為并聯(lián)發(fā)電機(jī)數(shù)量，時(shí)間常數(shù)τν為0.5s;中間層是多輸 入多輸出無(wú)功功率調(diào)節(jié)回路，時(shí)間常數(shù)^為1~5s;最外層是母排電壓調(diào)節(jié)回路，時(shí)間常數(shù)τ Β 為IOs;其特征在于，中間層包括乘法器、無(wú)功功率動(dòng)態(tài)解耦矩陣單元、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角 矩陣單元、信號(hào)采集和有功功率與無(wú)功功率計(jì)算單元、以及發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限對(duì)角矩陣存儲(chǔ) 單元；中間層的信號(hào)采集和有功功率與無(wú)功功率計(jì)算單元采集發(fā)電機(jī)端電壓％(%，···，￥")、 母排電壓Vb以及發(fā)電機(jī)輸出電流，經(jīng)信號(hào)處理后計(jì)算出各發(fā)電機(jī)的有功與無(wú)功功率;發(fā)電 機(jī)運(yùn)行極限對(duì)角矩陣存儲(chǔ)單元的運(yùn)行極限對(duì)角矩陣[PVL]表示各發(fā)電機(jī)的運(yùn)行極限區(qū)域， 存儲(chǔ)在系統(tǒng)的內(nèi)存之中；根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率P與端電壓V，對(duì)照運(yùn)行極限對(duì)角矩陣[PVL]， 計(jì)算出發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率極限值Qlim+或Qlim -，并以矢量[Qlim+/Qlim-]表不;無(wú)功功率水平指 令qlev表示控制系統(tǒng)對(duì)各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的期望值，以相對(duì)于無(wú)功功率極限值的百分?jǐn)?shù)表 不;無(wú)功功率水平指令qiev乘以無(wú)功功率極限矢量[Qlim+/Qlim -]，得到無(wú)功功率設(shè)定值矢量 [Qrrf]，即各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率設(shè)定值;通過(guò)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)解耦矩陣單元，將無(wú)功功率設(shè)定值 矢量[Q re3f]等效的多輸入-多輸出(ΜΙΜΟ)回路動(dòng)態(tài)解耦為單輸入-單輸出（SISO)回路，并傳 輸至無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩陣單元的對(duì)角矩陣[GRPR]中；無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩陣單元通 過(guò)其對(duì)角矩陣[GRPR]中對(duì)應(yīng)的每個(gè)無(wú)功功率調(diào)節(jié)器向?qū)?yīng)的AVR輸出電壓校正信號(hào)，根據(jù) 無(wú)功功率的需求增加或降低AVR的電壓設(shè)定值無(wú)功功率調(diào)節(jié)器，從而控制各發(fā)電機(jī)無(wú)功功 率和母排電壓。
【附圖說(shuō)明】
[0006] 圖1船舶發(fā)電機(jī)電壓無(wú)功綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
[0007] 其中，1為母排電壓調(diào)節(jié)器;2為乘法器;3為無(wú)功功率動(dòng)態(tài)解耦矩陣單元;4為無(wú)功 功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩陣單元;5為信號(hào)采集和有功功率與無(wú)功功率計(jì)算單元;6為發(fā)電機(jī)運(yùn)行 極限對(duì)角矩陣存儲(chǔ)單元;AVRl~AVRn為各發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器;V^V n為各發(fā)電機(jī)端電壓;X1 ~χη為各發(fā)電機(jī)輸出電抗器的電抗值;Q為無(wú)功功率矢量，表示各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率;P為有功 功率矢量，表不各發(fā)電機(jī)有功功率;V為端電壓矢量，表不各發(fā)電機(jī)端電壓；[Qlim+/Qlim_]為 無(wú)功功率極限矢量，表示各發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率極限值;VBrrf為母排電壓設(shè)定值;C ile3v為無(wú)功 功率水平指令;[Qre3f]為無(wú)功功率設(shè)定值矢量，表示各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率設(shè)定值。
【具體實(shí)施方式】
[0008] 1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0009] 船舶發(fā)電機(jī)電壓與無(wú)功功率綜合控制系統(tǒng)，如圖1所示，由三重調(diào)節(jié)回路組成：最 內(nèi)層是各臺(tái)發(fā)電機(jī)AVR的端電壓調(diào)節(jié)回路，時(shí)間常數(shù)τ ν約0.5s;中間層是多輸入多輸出 (ΜΙΜΟ)無(wú)功功率調(diào)節(jié)回路，時(shí)間常數(shù)^約1~5s;最外層是母排電壓調(diào)節(jié)回路，時(shí)間常數(shù)τ Β約 l〇s。"信號(hào)采集PQ計(jì)算"單元采集發(fā)電機(jī)端電，…，Vn)、母排電壓Vb以及發(fā)電機(jī)輸出 電流，經(jīng)信號(hào)處理后計(jì)算出各發(fā)電機(jī)的有功與無(wú)功功率。運(yùn)行極限對(duì)角矩陣[PVL]表示各發(fā) 電機(jī)的運(yùn)行極限區(qū)域，存儲(chǔ)在系統(tǒng)的內(nèi)存之中。根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率P與端電壓V，對(duì)照對(duì)角 矩陣[PVL]，計(jì)算出發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率極限值Qi im+或Qiim-。
[0010] 從母排電壓調(diào)節(jié)器和無(wú)功功率調(diào)節(jié)器的角度而言，AVR可以看作調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)端電 壓的執(zhí)行器，其動(dòng)態(tài)性能可用其時(shí)間常數(shù)τ ν衡量。集成式無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩陣[GRPR] 控制各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率。無(wú)功功率水平指令qiev表示控制系統(tǒng)對(duì)各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的期望 值，以相對(duì)于無(wú)功功率極限值的百分?jǐn)?shù)表示。各發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率極限值利用運(yùn)行極限對(duì) 角矩陣[PVL]和發(fā)電機(jī)P和V獲得，并以矢量[Qi im+/Qiim_]表示。無(wú)功功率水平指令qiev乘以無(wú) 功功率極限矢量[Q lim+/Qlim-]，可得到無(wú)功功率設(shè)定值矢量[Qref]，即各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率設(shè) 定值。對(duì)角矩陣[GRPR]中每個(gè)無(wú)功功率調(diào)節(jié)器向?qū)?yīng)的AVR輸出電壓校正信號(hào)，根據(jù)無(wú)功功 率的需求增加或降低AVR的電壓設(shè)定值。
[0011] 2)工作原理
[0012] 為了簡(jiǎn)仆令妍付iS ·效略陽(yáng)丨Φ電流。各發(fā)電機(jī)輸出的無(wú)功功率為：
[0013]
⑴.
[0014] 式中，1為發(fā)電機(jī)端電壓(標(biāo)幺值），約等于1;VB為母排電壓(標(biāo)幺值為發(fā)電機(jī) 輸出電抗器的電抗值。
[0015] 母排電壓與各發(fā)電機(jī)電壓之間的關(guān)系可表示為：
[0016] ⑵
[0017] 式中，n為并聯(lián)發(fā)電機(jī)數(shù)量;Xe3為船舶電網(wǎng)全部負(fù)載的等效電抗。
[0018] 將（1)和(2)以偏差量表示，可得：
[0019] (3)
[0020]
[0021] .(4)
[0022] 可見(jiàn)，因端電壓偏差△ V1導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無(wú)功功率偏差△ 關(guān)系可表示為：
[0023]
<5)
[0024] 可見(jiàn)，電氣參數(shù)Xt和^耦合了各并聯(lián)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率偏差A(yù)Q1和端電壓偏差Δ V 1，因此，（5)式可以用矩陣表示為：
[0025] [ AQ] = [EC]X[ AV] (6)
[0026] 式中，[△ Q]為無(wú)功功率偏差矢量；[△ V]為端電壓偏差矢量；[EC]為電氣參數(shù)耦合 矩陣，其元素為：
[0027] (7) zV-j·
[0028] 將（6)改寫(xiě)為：
[0029] [ AV] = [DD]X[ AQ] (8)
[0030] 式中，[DD]定義為動(dòng)態(tài)解耦矩陣，是電氣參數(shù)耦合矩陣[EC]的逆矩陣，可直接通過(guò) 電路計(jì)算得到：
[0031]
:(9:)
[0032] 將(3)代入(9)，可得：
[0033]
(610)
[0034] 可見(jiàn)，從（10)可得到動(dòng)態(tài)解耦矩陣[DD]，其元素為：
[0035]
(11)
[0036] 無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩陣傳遞函數(shù)可定義為：
[0037]
(12)
[0038] 動(dòng)態(tài)解耦矩陣[DD]的作用是，將無(wú)功功率調(diào)節(jié)的多輸入-多輸出(ΜΙΜΟ)回路動(dòng)態(tài) 解耦為單輸入-單輸出（SISO)回路。解耦后得到的每個(gè)回路對(duì)應(yīng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，它們具有相同 的傳遞函數(shù)：
[0039]
(丨3)
[0040] 采用動(dòng)態(tài)解耦矩陣[DD]，可以大大簡(jiǎn)化綜合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)有效增強(qiáng)船舶電 力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種船舶發(fā)電機(jī)電壓與無(wú)功功率綜合控制系統(tǒng)，由三重調(diào)節(jié)回路組成，最內(nèi)層是η個(gè) 并聯(lián)發(fā)電機(jī)AVR端電壓調(diào)節(jié)回路，η為并聯(lián)發(fā)電機(jī)數(shù)量，時(shí)間常數(shù)τν為〇.5s;中間層是多輸入 多輸出無(wú)功功率調(diào)節(jié)回路，時(shí)間常數(shù)tq為1~5s;最外層是母排電壓調(diào)節(jié)回路，時(shí)間常數(shù)τ Β為 l〇s;其特征在于，中間層包括乘法器、無(wú)功功率動(dòng)態(tài)解耦矩陣單元、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩 陣單元、信號(hào)采集和有功功率與無(wú)功功率計(jì)算單元、以及發(fā)電機(jī)運(yùn)行極限對(duì)角矩陣存儲(chǔ)單 元；中間層的信號(hào)采集和有功功率與無(wú)功功率計(jì)算單元采集發(fā)電機(jī)端電壓VKVi，…，V n)、母 排電壓VB以及發(fā)電機(jī)輸出電流，經(jīng)信號(hào)處理后計(jì)算出各發(fā)電機(jī)的有功與無(wú)功功率;發(fā)電機(jī) 運(yùn)行極限對(duì)角矩陣存儲(chǔ)單元的運(yùn)行極限對(duì)角矩陣[PVL]表示各發(fā)電機(jī)的運(yùn)行極限區(qū)域，存 儲(chǔ)在系統(tǒng)的內(nèi)存之中；根據(jù)發(fā)電機(jī)有功功率P與端電壓V，對(duì)照運(yùn)行極限對(duì)角矩陣[PVL]，計(jì) 算出發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率極限值Qlim+或Qlim -，并以矢量[Qlim+/Qlim-]表不;無(wú)功功率水平指令 qle3V表示控制系統(tǒng)對(duì)各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的期望值，以相對(duì)于無(wú)功功率極限值的百分?jǐn)?shù)表示； 無(wú)功功率水平指令qiev乘以無(wú)功功率極限矢量[Qii m+/Qiim-]，得到無(wú)功功率設(shè)定值矢量 [Qrrf]，即各發(fā)電機(jī)無(wú)功功率設(shè)定值;通過(guò)無(wú)功功率動(dòng)態(tài)解耦矩陣單元，將無(wú)功功率設(shè)定值 矢量[Q rrf]等效的多輸入-多輸出(ΜΙΜΟ)回路動(dòng)態(tài)解耦為單輸入-單輸出（SISO)回路，并傳 輸至無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩陣單元的對(duì)角矩陣[GRPR]中；無(wú)功功率調(diào)節(jié)器對(duì)角矩陣單元通 過(guò)其對(duì)角矩陣[GRPR]中對(duì)應(yīng)的每個(gè)無(wú)功功率調(diào)節(jié)器向?qū)?yīng)的AVR輸出電壓校正信號(hào)，根據(jù) 無(wú)功功率的需求增加或降低AVR的電壓設(shè)定值無(wú)功功率調(diào)節(jié)器，從而控制各發(fā)電機(jī)無(wú)功功 率和母排電壓。
【專利摘要】本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種適用于船舶發(fā)電機(jī)的電壓與無(wú)功功率綜合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)與母排之間設(shè)置了輸出電抗器，通過(guò)檢測(cè)發(fā)電機(jī)端電壓、輸出電流以及母排電壓，計(jì)算出發(fā)電機(jī)的有功功率與無(wú)功功率。利用母排電壓調(diào)節(jié)器、無(wú)功功率調(diào)節(jié)器以及發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)器AVR三重調(diào)節(jié)回路，綜合控制發(fā)電機(jī)電壓和無(wú)功功率，有效改善電網(wǎng)電壓與無(wú)功功率分配的動(dòng)靜態(tài)控制性能。即使并聯(lián)發(fā)電機(jī)的型號(hào)、容量不一致，這種綜合控制系統(tǒng)也能獲得良好的控制效果，抑制并聯(lián)發(fā)電機(jī)之間環(huán)流，提升船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【IPC分類】H02J3/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105680454
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610159983
【發(fā)明人】沈愛(ài)弟, 高迪駒, 劉昭, 褚建新, 黃細(xì)霞
【申請(qǐng)人】上海海事大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月15日
【申請(qǐng)日】2016年3月21日