本發(fā)明涉及供電電源技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種基于矩陣控制的船用岸電電源系統(tǒng)及其控制方法。

背景技術(shù)：
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隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，船舶運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速，船舶停靠碼頭的次數(shù)與時(shí)間急劇增長(zhǎng)。而現(xiàn)有船舶?？繒r(shí)通常使用燃油制品如重油、柴油等發(fā)電來(lái)滿(mǎn)足船舶停靠時(shí)的用電需求，對(duì)港口環(huán)境造成了巨大污染。為了有效解決日益突出的環(huán)境問(wèn)題，降低港口停靠船舶的能源消耗和污染物排放，我國(guó)港口逐步使用陸地岸電電源對(duì)靠港船舶供電來(lái)滿(mǎn)足靠港船舶的用電需求，取得了一定成效。

現(xiàn)有的陸地岸電電源一般采用移相變壓器加功率變換單元的“高-高”供電方式與采用降壓變壓器、低壓功率變換單元加升壓變壓器的“高-低-高”供電方式。這兩種岸電電源都是從傳統(tǒng)的工業(yè)變頻、變壓電源移植而來(lái)，沒(méi)有充分考慮我國(guó)靠港船舶的用電特性?，F(xiàn)靠港船舶除了供電制式的要求(如頻率滿(mǎn)足50Hz與60Hz兩種要求，對(duì)應(yīng)電壓滿(mǎn)足6.6kV、6kV或400V、450V等要求)外，由于靠港船舶的用電需求不同，導(dǎo)致靠港船舶的用電容量差異很大，同一碼頭的不同靠港船舶的用電需求從1MW到8MW各不相同。而且，由于船舶對(duì)用電可靠性要求較高，船上部分設(shè)備(如定向儀等)不能停電，以避免損壞設(shè)備或影響船舶系統(tǒng)的安全性。傳統(tǒng)的“高-高”供電方式或“高-低-高”供電方式無(wú)法滿(mǎn)足岸電電源容量的靈活配置要求，或者選擇容量較大的電源滿(mǎn)足所有供電容量需求而降低供電效率，或者選擇容量較小的 電源滿(mǎn)足特定范圍內(nèi)的供電需求。另外，這兩種供電電源的供電可靠性不高，任一功率單元的損壞，將導(dǎo)致整個(gè)電源的降額使用或供電終止，無(wú)法保證靠港船舶的正常運(yùn)行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種基于矩陣控制的船用岸電電源系統(tǒng)及其控制方法，實(shí)現(xiàn)岸電電源容量的靈活配置，提高電源供電可靠性。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種基于矩陣控制的船用岸電電源系統(tǒng)，包括：

功率變換單元，接收功率單元驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)岸電電源輸入整流-逆變控制，將輸入電源變換為符合船舶需求頻率及電壓等級(jí)的供電電源；

功率單元驅(qū)動(dòng)器，用于接收單元控制器轉(zhuǎn)發(fā)的PWM控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率變換單元的統(tǒng)一PWM觸發(fā)控制；

單元控制器，用于采集信號(hào)的信號(hào)調(diào)理及控制保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)，并轉(zhuǎn)發(fā)中央控制器的PWM指令至功率單元驅(qū)動(dòng)器；

中央控制器，用于實(shí)現(xiàn)岸電電源系統(tǒng)的系統(tǒng)控制，通過(guò)控制算法，發(fā)出PWM控制指令，并通過(guò)光纖發(fā)送至單元控制器；

濾波裝置，對(duì)岸電電源輸入或輸出進(jìn)行濾波處理，滿(mǎn)足岸電電源對(duì)供電諧波的要求。

所述功率變換單元包括連接在同一直流母線上的整流子單元與逆變子單元；所述整流子單元用于實(shí)現(xiàn)將輸入岸電電源的交流電變換為直流電；所述逆變子單元用于實(shí)現(xiàn)將直流電變換為符合輸出要求的交流電。

所述整流子單元與逆變子單元均為連接在同一直流母線的包括IGBT的 相同三相變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整流與逆變子單元的互換；根據(jù)最大供電容量需求與整流或逆變子單元的單元容量，確定所述功率變換單元數(shù)量；所有所述整流子單元的輸入來(lái)自各自的輸入濾波裝置，所有逆變子單元輸出至各自的輸出濾波裝置。

所述功率單元驅(qū)動(dòng)器一端連接所述功率變換單元，另一端連接所述單元控制器；每一個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)一個(gè)三相功率變換單元，并設(shè)置唯一編號(hào)作為構(gòu)成功率控制矩陣的一項(xiàng)，若干個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成功率控制矩陣。

所述功率單元驅(qū)動(dòng)器包括連接于所述單元控制器與功率變換單元間的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

所述單元控制器一端連接所述中央控制器，另一端連接所述功率單元驅(qū)動(dòng)器；所有所述整流子單元的功率驅(qū)動(dòng)器連接至一個(gè)整流單元控制器；所有所述逆變單元的功率驅(qū)動(dòng)器連接至一個(gè)逆變單元控制器。

所述單元控制器包括連接所述中央控制器與功率單元驅(qū)動(dòng)器之間的保護(hù)控制電路與信號(hào)采集電路；所述信號(hào)采集電路采集功率變換單元的電量信號(hào)與非電量信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，將調(diào)理后的信號(hào)傳送至所述中央控制器和保護(hù)控制電路。

所述濾波裝置包括輸入濾波裝置與輸出濾波裝置；

所述輸入濾波裝置一端連接岸電電源輸入側(cè)三相交流母線，另一端連接所述整流功率子單元，每一個(gè)輸入濾波裝置對(duì)應(yīng)一個(gè)所述整流子單元；所述輸出濾波裝置一端連接所述逆變功率子單元，另一端連接岸電電源輸出側(cè)三相交流母線，每一個(gè)輸出濾波裝置對(duì)應(yīng)一個(gè)所述逆變子單元。

一種基于矩陣控制的船用岸電電源系統(tǒng)的控制方法，包括：

對(duì)功率控制矩陣進(jìn)行初始化設(shè)置；

接收電源容量設(shè)定，檢測(cè)各功率變換單元狀態(tài)；

根據(jù)電源容量設(shè)定及單元控制器采集的各功率變換單元累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，設(shè)定實(shí)際參與控制的功率控制矩陣；

對(duì)本次功率控制矩陣之外的功率單元驅(qū)動(dòng)器閉鎖輸出；

中央控制器依據(jù)設(shè)定輸出PWM控制信號(hào)至功率控制矩陣相應(yīng)的功率單元驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)的統(tǒng)一觸發(fā)；

運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到功率單元運(yùn)行異常，投入備用整流子單元或逆變子單元，維持岸電電源的正常功率輸出，并將異常功率單元的功率單元驅(qū)動(dòng)器退出控制序列，閉鎖輸出并報(bào)警；

中央控制器重新設(shè)定新的功率控制矩陣。

當(dāng)所述功率變換單元數(shù)量變化，對(duì)功率控制矩陣進(jìn)行初始化設(shè)置。

和最接近的現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供技術(shù)方案具有以下優(yōu)異效果

1、本發(fā)明技術(shù)方案可依據(jù)靠港船舶的用電容量需求，靈活配置岸電電源容量，減少功率器件開(kāi)關(guān)損耗，避免電源“大馬拉小車(chē)”問(wèn)題；

2、本發(fā)明技術(shù)方案在多種容量需求下，保證電源的供電效率；

3、本發(fā)明技術(shù)方案整流、逆變單元采用相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每種功率單元互為備用，通過(guò)中央控制器對(duì)功率控制矩陣的選擇、控制，提高了供電的可靠性，同時(shí)，維護(hù)更換方便；

4、本發(fā)明技術(shù)方案所有功率單元采用共母線結(jié)構(gòu)，由中央控制器統(tǒng)一控制，通過(guò)對(duì)中央控制器及功率單元驅(qū)動(dòng)器的簡(jiǎn)單配置，可方便實(shí)現(xiàn)岸電電源容量的擴(kuò)容。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中一種基于矩陣變換控制的船用岸電電源系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一種基于矩陣變換控制的船用岸電電源功率控制矩；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中一種基于矩陣變換控制的船用岸電電源控制流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1：

本例的發(fā)明提供一種基于矩陣控制的船用岸電電源系統(tǒng)及其控制方法，所述系統(tǒng)如圖1、圖2所示，該系統(tǒng)包括功率變換單元，功率單元驅(qū)動(dòng)器、單元控制器、中央控制器及濾波裝置；所述功率變換單元用于接收功率單元驅(qū)動(dòng)器的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)岸電電源輸入整流-逆變控制，將輸入電源變換為符合船舶需求頻率及電壓等級(jí)的供電電源；所述功率單元驅(qū)動(dòng)器，用于接收單元控制器轉(zhuǎn)發(fā)的PWM控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)功率變換單元的統(tǒng)一PWM觸發(fā)控制；所述單元控制器，用于采集信號(hào)的信號(hào)調(diào)理及控制保護(hù)動(dòng)作觸發(fā)，并轉(zhuǎn)發(fā)中央控制器的PWM指令至功率單元驅(qū)動(dòng)器；所述中央控制器，用于實(shí)現(xiàn)岸電電源系統(tǒng)的系統(tǒng)控制，通過(guò)控制算法，發(fā)出PWM控制指令，并通過(guò)光纖發(fā)送至單元控制器；所述濾波裝置，對(duì)岸電電源輸入/輸出進(jìn)行濾波處理，滿(mǎn)足岸電電源對(duì)供電諧波的要求。

功率變換單元包含連接在同一直流母線上的整流子單元與逆變子單元。功率變換單元數(shù)量依據(jù)最大供電容量與功率變換單元單位容量配置，整流子單元與逆變子單元1:1配置，整流子單元與逆變子單元容量相同，一個(gè)整流 子單元(或逆變子單元)的容量作為功率變換單元的單位容量。如最大供電容量3000KVA，整流子單元容量500KVA,逆變單子元容量也為500KVA，則功率變換單元單位容量為500KVA，需配置6個(gè)整流單元，逆變單元按1:1配置，同樣需配置6個(gè)逆變單元；所述功率變換單元的整流子單元用于實(shí)現(xiàn)將輸入岸電電源的交流電變換為直流電，逆變子單元用于實(shí)現(xiàn)將直流電變換為符合輸出要求的交流電。整流與逆變子單元采用IGBT，以減少諧波影響。

所有功率變換單元連接到同一直流母線上，任一整流子單元的輸入端連接至各自的輸入濾波電路，任一逆變子單元的輸出端連接至各自的輸出濾波電路；

所有功率變換單元采用相同的三相變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)功率變換單元的互為備用；

如圖2所示，功率驅(qū)動(dòng)器與功率變換單元一一對(duì)應(yīng)，每個(gè)功率驅(qū)動(dòng)器設(shè)置唯一地址，所有功率控制器構(gòu)成功率控制矩陣。整流子單元對(duì)應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)器的地址依次設(shè)置為A₁₁，A₁₂，…A_1n，逆變子單元對(duì)應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)器的地址依次設(shè)置為A₂₁，A₂₂，…A_2n，所有功率控制器構(gòu)成功率控制矩陣功率驅(qū)動(dòng)器一端連接功率變換單元，一端連接單元控制器。當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)器屬于該次控制的功率控制矩陣時(shí)，功率驅(qū)動(dòng)器接收單元控制器轉(zhuǎn)發(fā)的PWM控制輸出，并根據(jù)控制指令觸發(fā)PWM控制或閉鎖PWM控制，控制功率變單元工作，當(dāng)功率驅(qū)動(dòng)器不屬于該次控制的功率控制矩陣時(shí)，功率驅(qū)動(dòng)器閉鎖控制輸出，退出控制；所述功率單元驅(qū)動(dòng)器包含連接于單元控制器與功率變換單元間的IGBT驅(qū)動(dòng)電路。

單元控制器的信號(hào)采集電路采集岸電電源運(yùn)行時(shí)功率單元的各種信息 量，包括直流母線電壓、電流，交流輸出電壓、電流，頻率等電量信息及功率單元溫度、運(yùn)行累計(jì)時(shí)間等非電量信息；所述單元控制器包含連接于中央控制器與功率單元驅(qū)動(dòng)器之間的保護(hù)控制電路與信號(hào)采集電路；

單元控制器對(duì)采集到的信息進(jìn)行調(diào)理，轉(zhuǎn)送到中央控制器及單元控制器的保護(hù)電路，由保護(hù)電路對(duì)各功率單元進(jìn)行保護(hù)；

單元控制器通過(guò)光纖轉(zhuǎn)發(fā)中央控制器的PWM控制指令至功率驅(qū)動(dòng)器，由功率驅(qū)動(dòng)器控制功率單元的導(dǎo)通與關(guān)閉，同時(shí)，保護(hù)電路根據(jù)調(diào)理后的采樣信號(hào)實(shí)現(xiàn)整個(gè)單元的保護(hù)控制；每個(gè)岸電電源包含兩個(gè)單元控制器，分別對(duì)應(yīng)各整流子單元的功率驅(qū)動(dòng)器與逆變子單元的功率驅(qū)動(dòng)器；

所述單元控制器一端連接于中央控制器，一端連接于功率單元驅(qū)動(dòng)器。

所述中央控制器包含岸電電源控制電路及PWM輸出控制電路；所述中央控制器根據(jù)外部輸出功率設(shè)定及功率單元狀態(tài)信號(hào)，在由功率驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的功率控制矩陣中選擇相應(yīng)功率驅(qū)動(dòng)器及功率單元，通過(guò)整流及逆變算法，通過(guò)光纖信號(hào)統(tǒng)一發(fā)送PWM控制信號(hào)至單元控制器，實(shí)現(xiàn)岸電電源的統(tǒng)一控制；

所述濾波裝置包含輸入濾波裝置與輸出濾波裝置；

所述輸入濾波裝置一端連接于岸電電源輸入側(cè)三相交流母線，一端連接于整流功率子單元，每一個(gè)輸入濾波裝置對(duì)應(yīng)一個(gè)整流子單元；輸出濾波裝置一端連接于逆變功率子單元，一端連接于岸電電源輸出側(cè)三相交流母線，每一個(gè)輸出濾波裝置對(duì)應(yīng)一個(gè)逆變子單元，滿(mǎn)足50Hz與60Hz輸出條件下的濾波要求，滿(mǎn)足岸電電源輸出諧波技術(shù)指標(biāo)；

中央控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)岸電電源的系統(tǒng)級(jí)控制，控制流程如圖3所示。

①當(dāng)功率單元數(shù)量變化(如增容或檢修)，對(duì)功率控制矩陣進(jìn)行初始化 設(shè)置。如供電容量3000KVA，功率單元容量500KVA,配置12個(gè)功率單元，功率控制矩陣1為當(dāng)容量增至4000KVA，需增加4個(gè)功率單元，逆變子單元與整流子單元各增加2個(gè)，功率控制矩陣變換為功率控制矩陣2：新增加的功率驅(qū)動(dòng)器需要相應(yīng)設(shè)置地址；

②接收電源容量設(shè)定，檢測(cè)各功率單元狀態(tài)，如果某個(gè)功率單元狀態(tài)異常，將該功率單元相應(yīng)的功率驅(qū)動(dòng)器移除功率控制矩陣，重新設(shè)定功率控制矩陣；

③根據(jù)電源容量設(shè)定及單元控制器采集的各功率單元累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，設(shè)定實(shí)際參與控制的功率控制矩陣。依據(jù)上例，如本次電源容量設(shè)定為2000KVA,A₁₁-A₁₈累計(jì)運(yùn)行時(shí)間分別為100h，120h，150h，80h，110h，230h，200h，180h，A₂₁-A₂₈累計(jì)運(yùn)行時(shí)間分別為130h，100h，90h，90h，110h，200h，90h，130h。根據(jù)設(shè)定容量及功率單元容量確定本次參與控制的整流子單元數(shù)量為4個(gè)，逆變子單元數(shù)量為4個(gè)。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行壽命，分別將運(yùn)行累計(jì)運(yùn)行時(shí)間較短的功率單元的功率單元驅(qū)動(dòng)器置入功率控制矩陣，則本次功率控制矩陣變換為功率控制矩陣3

④本次功率控制矩陣之外的功率單元驅(qū)動(dòng)器閉鎖輸出；

⑤中央控制器依據(jù)設(shè)定好的程序輸出PWM控制信號(hào)至功率控制矩陣相應(yīng)的功率單元驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)信號(hào)的統(tǒng)一觸發(fā)；

⑥運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到功率單元運(yùn)行異常，如溫度超過(guò)限定值等，投入備用整流子單元或逆變子單元，維持岸電電源的正常功率輸出，并將異常功率單元的功率單元驅(qū)動(dòng)器退出控制序列，閉鎖輸出并報(bào)警；

⑦中央控制器重新設(shè)定新的功率控制矩陣。

濾波電路包含交流輸入濾波電路與交流輸出濾波電路，每個(gè)整流子單元三相交流輸入分別接入一路交流輸入濾波電路，所有整流子單元的輸入濾波電路分別并聯(lián)至岸電電源交流輸入母線，各輸入濾波電路設(shè)計(jì)參數(shù)一致；每個(gè)逆變子單元三相交流輸出分別接入一路交流輸出濾波電路，所有逆變子單元的輸出濾波電路分別并聯(lián)至岸電電源交流輸出母線，各輸出濾波電路設(shè)計(jì)參數(shù)一致，滿(mǎn)足50Hz/60Hz交流輸出濾波要求。

最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員盡管參照上述實(shí)施例應(yīng)當(dāng)理解：依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。