CN116054204A - 船舶变频负载电机-电容惯性调频协同控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种船舶变频负载电机‑电容惯性调频协同控制方法,通过建立系统功率‑频率状态方程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,本发明通过主动调整电压‑转速释放惯性储能,使负载参与调节;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,相比单一的电容/转子储能调频方法,能够综合考虑惯性调频与负载运行的控制效果。
Description
技术领域
本发明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-电容惯性调频协同控制方法。
背景技术
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。
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-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。
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。
发明内容
本发明针对船舶变频负载参与惯性调频时电机-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-电容惯性调频协同控制方法,通过建立系统功率-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。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种船舶变频负载电机-电容惯性调频协同控制方法,通过建立系统频率-电容电压-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。
本发明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-转速调整量,变频器控制单元根据电压-转速调整量信息,进行反馈控制。
技术效果
本发明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。
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,本发明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。
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,本发明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。
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,本发明通过建立转速-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。
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,本发明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
图1为船舶综合电力系统频率控制传递函数模型示意图;
图2为船舶变频负载惯量来源示意图;
图3为变频负载惯性调频控制方法流程示意图;
图4为船舶变频负载电机-电容惯性调频协同控制方法示意图;
图5为典型船舶综合电力系统结构与组成示意图;
图6为频率波动下系统频率-直流电压-电机转速示意图;
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;
图7为频率波动下不同惯量控制方案对比示意图;
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;
图8为权值Q改变下系统频率-直流电压-电机转速示意图;
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;
图9为权重RIM/RC调整后电机转速/电容电压示意图;
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
本实施例涉及一种船舶变频负载电机-电容惯性调频协同控制方法,包括以下步骤:
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-频率状态方程并引入增量表达形式,得到系统预测模型,具体包括:
1.1)构建如图1所示的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:TG为调速器等效时间常数;所述的原动机的系统函数为其中:TT为原动机等效时间常数;所述的发电机的系统函数为其中:HDG对应发电机组惯性常数,D对应负荷阻尼系数;P*、PG、Pm、PL、f分别对应系统有功参考、调速器输出功率,原动机输出机械功率、负荷功率以及系统输出频率,pu为参数采用标幺值计算,上标~代表稳态运行点附近各参数变化量。
如图2所示,由于变频负载的电容与电机转子均可储备能量,通过模拟同步机转子惯性功率特性,调节变频系统直流电压与转速,能够实现向交流网侧主动回馈功率。直流电压与电机转速均在稳态工作点附近小范围波动,对应的电容电压调整功率为:电机转子调整功率为pu为参数采用标幺值计算,上标~为稳态运行点附近各参数变化量,电容等效虚拟惯性常数以及电机转子惯性常数分别为其中:Vdcn与ωIMn分别为整流侧额定直流电压与电机额定机械角速度,C为电容大小,JIM为交流电机转动惯量,SB代表系统额定容量。
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-频率状态方程其中:A为系统状态矩阵,B为状态矩阵,Bd为扰动矩阵,f为网侧频率,Pm为原动机输出机械功率,PG为调速器输出功率,PL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;TG、TT、R分别对应调速器、原动机等效时间常数、系统调差系数;HDG对应柴油发电机组惯性常数,D对应负荷阻尼系数。
1.5)通过ROCOF与最大频率偏差Δfmax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。
步骤2、通过主动预测控制方法进行电压-转速调整优化计算,具体包括:
2.1)如图3所示,针对变频负载参与惯性调频,综合考虑频率动态响应以及电机-电容的最优调控效果构建代价函数综合反映抑制频率波动以及负载控制的系统性能要求,具体为:根据步骤1预测模型中Y(k+n|k)及U(k)建立代价函数:
J(X(k),U(k))=||α(Y(k+n|k))||2+||βU(k)||2,其中:α对应输出权重矩阵,β对应控制权重矩阵,输出权重矩阵α=diag{Qy,1,Qy,2,…Qy,n}n×n,控制权重矩阵β=diag{Ru,1,Ru,2,…Ru,n}n×n,其中diag代表对角矩阵,矩阵对角线上各元素大小相同;Qy∈R,为影响扰动后系统频率动态响应的频率增量预测权重;维数为2的对角阵矩阵对角线上元素分别为直流电压与电机转速调整权重RC与RIM,权重取值将约束级联变频系统内电容与电机的惯性功率,并影响电压与转速的实时运行轨迹。
2.2)对电压、转速调节速率以及运行范围设置约束,结合步骤2.1得到的代价函数J(X(k),U(k))以及物理量约束条件,将步骤2.1得到的变频负载的最优调控问题转化为约束优化模型,在满足直流电压、电机转速物理量约束的前提下最小化代价函数,具体为:minJ(X(k),U(k)),其中:代表电压波动下限,电压波动上限,代表电机转速运行下限,代表电机转速运行上限,代表电压增量下限,代表电压增量上限,代表转速增量下限,代表转速增量上限。
2.3)获取船舶综合电力系统的状态信息与系统参数,并根据步骤1.5建立起满足精度需求的预测模型,实现实时求解二次型优化问题。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。
如图4所示,变频负载惯性功率主动预测控制系统示意图。在系统发生扰动时,通过获取各参数,变频负载实现实时优化调整转速与电压运行轨迹,自适应地参与系统惯性调频过程。
经过具体实际实验,在基于RTLAB半实物仿真平台搭建如图5所示的船舶综合电力系统等效模型,仿真平台包括RT-LAB OP7000硬件模拟实时仿真器、XLINX-FPGA-ZYNQ7020的FPGA控制器、最大采样频率为200K的AN706控制器采样模块,由Tektronix MSO44示波器测量波形。
如图5所示,所述的船舶综合电力系统电源侧包括同步发电机组及其频率控制装置,负荷包括变频推进电机与其他等效负载。
为方便后续计算,本实施例中建模及仿真过程将统一采用标幺值参数进行处理,系统参数及其设置包括:同步发电机额定线电压/V:400V、调速器时间常数TG/s:0.2、原动机时间常数TT/s:0.3、调差系数R:0.05、柴油发电机惯性常数HDG:5、负荷阻尼系数D:1、额定直流电压参考值Vdcn/V:600、电机额定转速参考值nIMn/rpm:1200、电机转子惯性常数HIM:0.27、电容虚拟惯性常数HC:0.18。
考虑到在线求解计算时间以及控制准确性,可采用三步预测模型设计控制方法,采样步长Ts设计为0.01s,在保证系统仿真精度的前提下,有效缩短在线优化求解的时间,系统状态约束及权重参数及其设置包括:直流电压调整约束Vdc/V:±20、电机转速调整约束nIM/rpm:±100、直流电压调整率约束V/s:±10、电机转速调整率约束r/s:±20、输出权重Q:20、直流电压调整权重RC:0.05、电机转速调整权重RIM:0.01。
实施场景1:设置系统运行时发生频率跌落并恢复,以模拟网侧频率的波动过程。由仿真看出在频率跌落过程中,电压与转速在运行约束下主动下降,注入惯性功率,当频率恢复时,变频负载从系统吸收能量,电压与转速能够自适应上升,并最终恢复至额定运行点。相比较负载不参与调控,频率动态响应得到明显优化。
实施场景2:为综合比较出的控制策略与其他虚拟惯量控制方案的调控效果,设置频率在5s内下降并恢复,以模拟系统受运行工况影响产生的频率波动情况。同时保证各方案中储能以及电机负载参数一致,比较VSG-SM、SDC、DVI与变频负载主动控制策略对系统频率动态响应的影响,并考虑参与频率调节时储能设备以及变频负载的运行特性。由仿真看出,主动预测控制策略的整体响应优势更加明显。
实施场景3:设置系统在稳态运行时突加负荷,模拟频率暂降过程,验证频率预测函数对应权重Q、直流电压调整权重RC以及电机转速调整权重RIM对网侧频率动态响应、电机转速与直流电压的影响。由仿真看出,当频率预测函数对应权重逐渐增加时,变频负载参与惯性调频能力也相应增强。而级联变频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。
如图6所示,当系统受大功率负载启停等影响而产生频率波动时,此时变频负载能够自适应参与频率调节。直流电压与电机转速均能够主动调整且不发生越限。频率跌落时变频负载通过降低转速与电压向系统注入惯性功率,抑制频率突变;当频率恢复时,变频负载吸收功率,转速与电压恢复至原状态附近运行,相比负载未参与调控,频率暂态变化率与最大偏差均得到提升。
如图7所示,当系统频率发生波动时,4种控制策略均通过释放转子或电容储能向系统注入惯性功率,优化频率动态响应。VSG-SM控制方式主要通过降低电机转速提供惯量响应,而直流电压控制环调节速度较快,实际暂态跌落较小,因此本质上并未协调电机与电容。SDC方式频率偏差及变化率与电机转速耦合,获得较好的频率响应,但牺牲电机调速性能,转速跌落最大。DVI控制方式仅依靠电容储能提供虚拟惯量,因此电压跌落最深。主动预测控制建立频率-转速-电压之间的内在关联,并通过代价函数实时优化变频负载运行轨迹,相比其他控制方式,能够实现电机-电容的协同控制。
如图8所示,系统频率暂降时,通过调整Q,能够灵活优化系统整体动态响应。Q逐渐增加时,频率最大偏差减小,动态响应得到进一步优化,而电压与转速跌落更深。随着优化系统频率动态响应在控制目标中的权重提升,电容电压与电机转速自适应主动下降,向系统进一步注入惯性功率。
如图9所示,系统频率暂降时,变频负载内电机-电容惯性储能的暂态运行轨迹受RC及RIM的影响,通过调整RC及RIM,能够灵活调控变频负载暂态运行轨迹。随着RC增加,电容电压的调控能力减弱,电压下降速率减小,注入系统的惯性功率降低,电压最大偏差将相应下降。RIM增加时,电机转速运行范围也将同样受到影响,此时暂态转速跌落逐渐减小。
与现有技术相比,本发明根据变频负载电容电压-电机转速-系统频率的联系,通过主动调整电压-转速释放惯性储能,使负载参与调节;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,相比单一的电容/转子储能调频方法,能够综合考虑惯性调频与负载运行的控制效果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。
Claims (5)
1.一种船舶变频负载电机-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-电容电压-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-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-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-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;
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-频率状态方程其中:A为系统状态矩阵,B为状态矩阵,Bd为扰动矩阵,f为网侧频率,Pm为原动机输出机械功率,PG为调速器输出功率,PL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;TG、TT、R分别对应调速器、原动机等效时间常数、系统调差系数;HDG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:Ts为系统离散采样周期,k代表离散时刻,Hc为电容等效虚拟惯性常数,HIM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;
4.根据权利要求2所述的船舶变频负载电机-电容惯性调频协同控制方法,其特征是,所述的步骤2,具体包括:
2.1)针对变频负载参与惯性调频,综合考虑频率动态响应以及电机-电容的最优调控效果构建代价函数综合反映抑制频率波动以及负载控制的系统性能要求,具体为:根据步骤1预测模型中Y(k+n|k)及U(k)建立代价函数:J(X(k),U(k))=||α(Y(k+n|k))||2+||βU(k)||2,其中:α对应输出权重矩阵,β对应控制权重矩阵,输出权重矩阵α=diag{Qy,1,Qy,2,…Qy,n}n×n,控制权重矩阵β=diag{Ru,1,Ru,2,…Ru,n}n×n,其中diag代表对角矩阵,矩阵对角线上各元素大小相同;Qy∈R,为影响扰动后系统频率动态响应的频率增量预测权重;维数为2的对角阵矩阵对角线上元素分别为直流电压与电机转速调整权重RC与RIM,权重取值将约束级联变频系统内电容与电机的惯性功率,并影响电压与转速的实时运行轨迹;
2.2)对电压、转速调节速率以及运行范围设置约束,结合步骤2.1得到的代价函数J(X(k),U(k))以及物理量约束条件,将步骤2.1得到的变频负载的最优调控问题转化为约束优化模型,在满足直流电压、电机转速物理量约束的前提下最小化代价函数,具体为:min J(X(k),U(k)),s.t.其中:代表电压波动下限,电压波动上限,代表电机转速运行下限,代表电机转速运行上限,代表电压增量下限,代表电压增量上限,代表转速增量下限,代表转速增量上限;
2.3)获取船舶综合电力系统的状态信息与系统参数,并根据步骤1.5建立起满足精度需求的预测模型,实现实时求解二次型优化问题;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。
5.一种实现权利要求1-4中任一所述船舶变频负载电机-电容惯性调频协同控制方法的控制系统,其特征在于,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-转速调整量,变频器控制单元根据电压-转速调整量信息,进行反馈控制。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118071872A (zh) * | 2024-01-23 | 2024-05-24 | 青岛天一红旗软控科技有限公司 | 用于织机打纬储能装置的电机功率优化方法 |
| CN118336763A (zh) * | 2024-06-13 | 2024-07-12 | 中国电力科学研究院有限公司 | 用于辨识和评估电网频率支撑能力的方法及装置 |
| CN119834282A (zh) * | 2025-01-07 | 2025-04-15 | 上海交通大学 | 船舶混合电站储能系统直流链路电容配置方法 |
| CN119834282B (zh) * | 2025-01-07 | 2025-11-25 | 上海交通大学 | 船舶混合电站储能系统直流链路电容配置方法 |
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| CN116054204B (zh) | 2024-01-30 |
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