技术摘要：
基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，包括船舶岸电电缆、基于准Z源间接矩阵变换器、微电网能量管理系统，所述船舶岸电电缆与岸电配电箱连接，用于岸电与船舶电站连接。所述基于准Z源间接矩阵变换器连接船舶岸电电缆，基于准Z源间接矩阵变换器的输入端通过船  全部
背景技术：
船舶电力系统由发电机组、配电装置、电力网及用电负载等组成的完整体系的总 称。其中发电机组及其控制、配电装置和辅助设备集中布置，称为船舶电站。船舶电站是船 舶电力系统的核心。采用陆地电源对靠港船舶供电的技术称为岸电技术，是指船舶停靠码 头时，停止所有的船舶柴油机电站运转，将船舶用电改由岸电电站供电提供，以降低港区污 染废气的排放量。 船舶电力系统按组成可分成岸电供电和船舶电站两部分。现在，国家在政策层面 要求，港口和码头均由国家电网公司和南方电网公司提供统一岸电供电，并配置相应的岸 电配电箱。船舶电站发电机的电压等级可分为高压和低压两种，高压船舶电站电压等级为 11kV或者6.6kV/60Hz，或6kV、50Hz。低压船舶电站电压等级为400V/50Hz或440V、60Hz。 目前，随着全球运输业务的急剧增长，海运和水运比空运有着明显的优势。但全世 界几乎所有船舶均使用燃烧轻质或者重质燃油的发电机自行发电，燃油辅机在发电过程 中，会排放包含氮氧化物、硫氧化物等污染物，对港口空气及水域造成极大污染，同时辅机 发电会产生较大的噪声，严重影响附近居民及船员的生活。现在，各国都已经对控制船舶停 港期间的污染物越来越重视，世界各国港口码头纷纷寻求节能减排方案。 解决船舶靠岸的污染问题主要从两个方面入手，一是设计全新的岸电技术方案， 二是对现有的船舶电站系统进行改造。 目前，对于岸电技术方案，国外的岸电技术方案是没有变频功能的，因此，我国是 无法适用的。国内的某些港口的岸电是有变频功能的，比如：上海港采用了变频技术，供电 需要9根低压电缆，操作起来比较复杂；连云港也采用了变频技术，可以提供6.6kV和440V两 种电压，对于高压船舶比较方便，但国际上多数为440V低压，变频低压模式更加广泛，60Hz 或50Hz任意选择的变频岸电能适应更多的船舶供电，因此，低压变频岸电技术有可能是一 种比较有前景的岸电技术方案。但岸电方案站是从供电角度考虑问题的，如果停靠船舶量 大，供电需求标准不一，岸电变频装置供需无法合理匹配，难免造成浪费，反而达不到节能 减排的目的。 对于船舶电站的改造技术方案，由于船舶标准不一，陆地供电电源很难统一满足 所有船舶电站的供电需求，这就需要船舶增加变频、变压装置。考虑岸电以380V/50Hz标准 供电模式下，需要在船上增加一套变压变频装置。在船舶靠岸时，该变压变频装置实现与船 舶柴油发电机切换，替代其对船舶负载供电的目的。从这个意义上讲，由船舶变压变频装 置、柴油发电机组、配电装置、用电负载等就构成了一个小型的微电网系。同陆地大电网相 比，船舶电网的容量有限且是独立电网。当前，船舶微电网的变压变频装置主要通过传统背 靠背的交流变频装置实现的。由于这种AC/DC/AC变换器存在中间直流环节，且直流环节多 6 CN 111555345 A 说　明　书 2/9 页 是由大电容或者大电感构成，不仅体积大、质量重，而且不易维护，使得电力变换器功率密 度较低。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出一种基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系 统，该系统采取低压船舶微电网技术方案，实现港口岸电的节能减排。该发明主要解决以下 技术问题 (1)、以高度集成化的新型准Z源间接矩阵变换器实现系统变压变频功能，提高系 统功率密度。 (2)、以D优化控制，实现准Z源间接矩阵变换器变直流母线控制，提高系统效率。 (3)、变压变频装置的逆变环节若按常规电流源控制的方法并入船舶微电网，则会 对船舶电力系统产生不良影响，所以岸电接入船舶电力系统时，必须考虑无缝切换技术。本 发明以虚拟同步机技术，实现系统船舶微电网内部的无缝切换。 (4)、如果想实现柴油发电机与岸电接入的无缝切换，同时需要增加一套能量管理 系统。本发明以微电网能量管理系统，实现系统能量管理。 本发明采取的技术方案为： 基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，包括船舶岸电电缆、基于准Z 源间接矩阵变换器、微电网能量管理系统，所述船舶岸电电缆与岸电配电箱连接，用于岸电 与船舶电站连接； 所述基于准Z源间接矩阵变换器连接船舶岸电电缆，基于准Z源间接矩阵变换器的 输入端通过船舶岸电电缆接入大电网，基于准Z源间接矩阵变换器的输出端通过交流母线 并入船舶微电网，所述船舶微电网、基于准Z源间接矩阵变换器连接微电网能量管理系统， 微电网能量管理系统用于实现岸电与船舶电站之间的无缝切换。 所述船舶电站包括发电机组，所述船舶微电网包括岸电断路器、变频器、负载， 所述微电网能量管理系统包括控制器； 基于准Z源间接矩阵变换器的输出端、发电机组连接岸电断路器一侧，岸电断路器 另一侧连接变频器，变频器连接负载，所述发电机组、岸电断路器、基于准Z源间接矩阵变换 器、变频器均连接控制器。 该系统还包括继电保护及接地保护装置；所述继电保护及接地保护装置，与微电 网能量管理系统、岸电断路器一起构成船舶微电网二次侧保护，实现系统岸电接入、断开、 以及正常运行状态的安全保护作用。 所述基于准Z源间接矩阵变换器包括准Z源阻抗网络、间接矩阵变换器； 所述准Z源阻抗网络包括6个交流电容：Ca1、Ca2、Cb1、Cb2、Cc1、Cc2，6个电感：La1、La2、 Lb1、Lb2、Lc1、Lc2，3个双向开关：Sa、Sb、Sc；每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成； 所述间接矩阵变换器包括整流级、逆变级，所述整流级由6个双向开关Sap、Sbp、Scp、 San、Sbn、Scn构成，每个双向开关由两个IGBT及其二极管反并联构成，整流级实现交流到直流 的变换过程，为逆变级提供稳定的直流源，逆变级可由6个单向开关SAp、SBp、SCp、SAn、SBn、SCn 构成，每个单向开关由一个IGBT及其二极管反并联构成； 准Z源阻抗网络中： 7 CN 111555345 A 说　明　书 3/9 页 接地端连接电源ua一侧，电源ua另一侧连接电感La1一端，电感La1另一端连接双向 开关Sa一端，双向开关Sa另一端连接电感La2一端，交流电容Ca2两端分别连接电感La1另一端、 电感La2另一端； 接地端连接电源ub一侧，电源ub另一侧连接电感Lb1一端，电感Lb1另一端连接双向 开关Sb一端，双向开关Sb另一端连接电感Lb2一端，交流电容Cb2两端分别连接电感Lb1另一端、 电感Lb2另一端； 接地端连接电源uc一侧，电源uc另一侧连接电感Lc1一端，电感Lc1另一端连接双向 开关Sc一端，双向开关Sc另一端连接电感Lc2一端，交流电容Cc2两端分别连接电感Lc1另一端、 电感Lc2另一端； 交流电容Ca1一端连接双向开关Sa另一端，交流电容Cb1一端连接双向开关Sb另一 端，交流电容Cc1一端连接双向开关Sc另一端，交流电容Ca1另一端分别连接交流电容Cb1另一 端、交流电容Cc1另一端； 间接矩阵变换器中： 双向开关Sap一端、双向开关Sbp一端、双向开关Scp一端、单向开关SAp集电极、单向开 关SBp集电极、单向开关SCp集电极连接在一起； 双向开关San一端、双向开关Sbn一端、双向开关Scn一端、单向开关SAn发射极、单向开 关SBn发射极、单向开关SCn发射极连接在一起； 双向开关Sap另一端连接双向开关San另一端，双向开关Sbp另一端连接双向开关Sbn 另一端，双向开关Scp另一端连接双向开关Scn另一端； 单向开关SAp发射极连接单向开关SAn集电极，单向开关SBp发射极连接单向开关SBn 集电极，单向开关SCp发射极连接单向开关SCn集电极； 电感La2另一端、电感Lb2另一端、电感Lc2另一端分别连接双向开关Sap另一端、双向 开关Sbp另一端、双向开关Scp另一端； 单向开关SAp发射极、单向开关SBp发射极、单向开关SCp发射极分别连接交流A相线、 交流B相线、交流C相线。 本发明一种基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统，优点如下： (1)、本发明中船舶电站微电网系统解决方案： 相对岸电的变压变频解决方案，本发明的船舶微电网方案更加灵活，能够按船舶 的电压和频率要求进行参数配置。避免了以岸电集装箱提供变压变频方案的输送容量低、 配置不灵活，线缆不够长等问题。 (2)、本发明的准Z源间接矩阵变换器： 本发明中所述准Z源间接矩阵变换器的优点：1)间接矩阵变换器继承了传统矩阵 变换器全硅特点，系统的体积、重量将有效减小，而功率密度和效率将大幅提升；2)采用间 接矩阵变换器，两步换流使系统控制简单；3)准Z源网络具有升压作用，能提高传统矩阵变 换器的升压比，加入在间接矩阵变换器输入侧，并将准Z源网络和LC滤波器一体化，使准Z源 电路具有滤波功能，输入侧无需额外的LC滤波器，大大简化系统硬件。有利于系统的集成和 模块化设计，以降低重量、体积和成本。 (3)、基于D优化控制实现Z源间接矩阵变换器变直流母线控制： 传统的网侧Z源/准Z源间接矩阵变换器驱动电机控制方法有如下特点：调节逆变 8 CN 111555345 A 说　明　书 4/9 页 级调制比调速，而整流级调制比和直通占空比用于调节直流环节电压。在实现上，一种简化 方式是保持整流级调制比和准Z源网络占空比D固定，缺点是电源电压跌落时影响输出电压 的调节；另一种方式是增加直流母线电压恒定控制，以抗电压跌落带来的影响。但是，该方 法需要增加一个PI调节器和两个电压传感器，系统复杂；同时，维持固定的直流母线电压带 来很多不利，比如电压应力高，损耗高等。 综上所述，直流母线电压应该在满足负载需求的基础上应尽可能低，而不是保持 恒定或偏高。本发明针对这个目标，提出基于D优化控制实现Z源间接矩阵变换器变直流母 线控制，将逆变级调制指数最大化(mo＝1)，根据输入电源电压和电机需求电压自动地调整 准Z源网络的占空比D和整流级调制比mi，该法可以实现直流母线电压最小化，降低电压应 力、降低损耗，无需额外的电压检测、无需额外的PI控制调节器，使得系统简化。 (4)、基于虚拟同步机技术和能量管理系统实现系统微网内部的无缝切换： 针对传统岸电电源难以准确模拟发电机特定问题，本发明提出对准Z源间接矩阵 变换器进行虚拟同步机的控制策略。即在准Z源间接矩阵变换器的系统控制环路中，引入发 电机的机械运动方程，采用发电机的二阶机电暂态模型，通过模型中转动惯量的引入，使得 准Z源间接矩阵变换器具有与柴油发电机相似的电气和机械特性。同时，将实现系统下垂特 性的工频控制器模块和励磁控制器模块引入该策略中，并与能量管理系统配合，实现岸电 接入的无缝切换。 附图说明 图1(a)为基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统岸电电源接入操作流 程图； 图1(b)为基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统岸电电源退出操作流 程图。 图2(a)为系统输入电压幅值波形图； 图2(b)为系统输入电压频率波形图； 图2(c)为系统输入电流波形图。 图3(a)为在调整过程前准Z源间接矩阵变换器的输出电压幅值波形图； 图3(b)为在调整过程前准Z源间接矩阵变换器的输出电压频率波形图； 图3(c)为在调整过程后准Z源间接矩阵变换器的输出电压幅值波形图； 图3(d)为在调整过程后准Z源间接矩阵变换器的输出电压频率波形图； 图3(e)为准Z源间接矩阵变换器的输出电流波形图。 图4(a)为准Z源网络占空比变量D的变化图； 图4(b)为整流级调制比mi的变化图； 图4(c)为D与mi之和的变化图。 图5(a)为A相准Z源网路输出电压波形图； 图5(b)为三相准Z源网络输出电压波形图。 图6为准Z源间接矩阵变换器直流母线电压变化波形图。 图7为准Z源间接矩阵变换器输入功率因数。 图8(a)为准Z源间接矩阵变换器发出的有功功率变化图； 9 CN 111555345 A 说　明　书 5/9 页 图8(b)为准Z源间接矩阵变换器输出的系统频率变化图。 图9(a)为准Z源间接矩阵变换器发出的无功功率变化图； 图9(b)为准Z源间接矩阵变换器输出的系统输出电压变化图。 图10为本发明的基于准Z源间接矩阵变换器的船舶电站微电网系统框架示意图。 图11为准Z源间接矩阵变换器电路图； 图12为准Z源间接矩阵变换器的双向开关电路图。 图13为传统AC/DC/AC变频器整流级、逆变级示意图。 图14为准Z源间接矩阵变换器准Z源阻抗网络、整流级和逆变级示意图。 图15(a)为虚拟同步发电机的功频静态特性图； 图15(b)为虚拟同步发电机的电压调节特性图。 图16为基于虚拟同步机的功频控制器示意图。 图17为基于虚拟同步机的励磁控制器示意图。 图18为本发明的控制系统框图。