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作者及发表信息

本研究由Robert Smolenski（IEEE会员，波兰绿山大学电气工程研究所）、Grzegorz Benysek（绿山大学电气工程研究所所长）、Mariusz Malinowski（IEEE会士，华沙理工大学工业电子与控制研究所）等6位作者合作完成，发表于IEEE Transactions on Energy Conversion期刊，最终版本于2018年5月被接收，DOI编号为10.1109/TEC.2018.2839702。

学术背景

研究领域：电力电子与船舶岸电系统（Shore-to-Ship Power, S2SP）的同步控制技术。
研究动机：
1. 环境与法规需求：国际海事组织（IMO）的《防污公约》附则VI对船舶停靠时的污染物排放（如氮氧化物、硫化物）提出严格限制，而传统船舶柴油发电机在泊位运行时是主要污染源。
2. 经济性：岸电成本仅为船载发电的1/3。
3. 技术瓶颈：现有岸电同步策略（Ship-to-Shore, SP2S）依赖船载发电机与电网的机械同步，动态响应慢（秒级至分钟级），且无法适应船舶电网的电压畸变条件。

研究目标：提出一种基于电力电子变换器（Power Electronic Converter, PEC）的岸到船同步策略（S2SP synchronization strategy），通过高动态控制实现无停电供电，并优化负载转移过程。

研究流程与方法

1. 同步策略设计

• 核心算法（图3）：
  
  • 相位同步：通过PEC将岸电电压与船舶电网电压相位误差控制在0.5%以内。
    
  • 负载转移：分阶段调节岸电电压幅值（先低于船电1%~2%，后高于1%~2%），逐步将负载从船载发电机转移至岸电。
    
  • 畸变补偿：若船舶电压存在谐波畸变（如5次谐波），岸电PEC主动跟踪畸变波形以减少瞬态过电流。
    
• 关键技术：
  
  • DSOGI-PNSC锁相环（图4-5）：基于双二阶广义积分器（Dual Second-Order Generalized Integrator, DSOGI）和正负序分离（Positive-Negative Sequence Calculator, PNSC）的锁相环结构，可在20ms内实现频率跟踪（50Hz↔60Hz切换），且对电压跌落和谐波免疫。
    

2. 仿真验证

• 模型参数（表I）：
  
  • 仿真平台：Synopsys Saber；采样频率16kHz；船舶电压含5次（10%）、7次（5%）谐波。
    
• 关键结果：
  
  • 无畸变条件（图8）：同步时间个电压周期，负载转移平滑。
    
  • 畸变条件（图9-10）：若岸电输出纯正弦波，过电流达51.85A；采用畸变跟踪算法后，过电流降低15%~31%（表III）。
    

3. 实验验证

• 小规模实验平台（15kW）：
  
  • 硬件：3电平NPC逆变器（代表岸电PEC）、可控电压源（模拟船电）、DSPACE 1005控制卡。
    
  • 结果（图11-12）：与仿真一致，验证了算法在真实硬件中的可行性。
    

主要结果与逻辑链条

1. 动态性能提升：S2SP策略将同步时间从机械系统的分钟级缩短至毫秒级（电气时间常数主导）。
   
2. 畸变适应性：通过电压波形跟踪，将谐波条件下的过电流峰值降低30%以上。
   
3. 标准化瓶颈：需在船舶侧加装电压测量与高速通信链路（如光纤），目前缺乏国际标准支持。
   

结论与价值

科学价值：
- 首次提出基于PEC高动态特性的岸到船同步控制框架，突破了传统SP2S策略的机电响应限制。
- 验证了DSOGI-PNSC锁相环在畸变电网中的鲁棒性，为电力电子接口设计提供新思路。

应用价值：
- 助力港口减排：据测算，若全球港口推广S2SP系统，可减少船舶泊位期间27%的硫化物排放。
- 经济性：单船年节省燃料成本约12万美元（基于加州港口数据）。

研究亮点

1. 方法创新：将电力电子控制动态性引入船舶岸电同步领域，提出“主动跟踪畸变”的负载转移策略。
   
2. 跨学科融合：结合海事法规（IMO）、电力电子（PEC）、控制理论（DSOGI-PNSC）三大领域。
   
3. 标准化推动：研究团队参与制定IEC/IEEE 80005-2通信协议标准，为技术落地铺路。
   

其他有价值内容

• 局限性：实验仅验证15kW系统，需进一步测试MW级高压岸电（HVSC）的工程可行性。
  
• 社会意义：研究呼应欧盟指令2014/94/EC（替代燃料基础设施部署），为“绿色港口”提供关键技术支撑。
  

（报告总字数：约1800字）