船舶與岸電無縫并網系統優化控制策略

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(武漢理工大學 能源與動力工程學院，武漢 430063)

船舶供電電源切換時易發生全船失電是推廣使用岸電的主要阻礙之一[1]，而岸電系統中逆變器的控制策略研究是解決該問題的關鍵。目前，在逆變器的控制策略研究中多采用下垂控制和虛擬同步機控制，如在下垂控制中加入虛擬負電阻，從理論上分析了該方法在改善低壓微電網下垂控制策略方面的有效性[2]；給出一種基于逆變器輸出端電壓調節的改進下垂控制方案，減小系統環流[3]；基于虛擬同步機技術實現逆變器并聯運行的功率分配[4]；基于虛擬同步機實現微網下逆變器并離網的切換[5]，但是切換前未進行負載轉移。在船舶岸電領域，主要從船舶能量管理系統(PMS)的角度出發，根據同步發電機原理，改善了逆變器的動態響應性能，使其能夠被PMS調度[6]；基于PLC技術實現船舶與岸電的無縫轉換[7]。岸電系統中關于逆變器的控制策略研究較少。

在以上研究的基礎上，考慮基于下垂控制原理，設計電壓電流控制器、下垂控制器，建立較為完整的并網控制系統模型，以實現船舶供電電源切換時電網的不間斷供電；在下垂控制器中加入虛擬慣性環節，以改善逆變器的動態響應性能，提高岸電輸出電能的穩定性。

1 船舶與岸電并網控制系統結構

船舶岸電系統主要的組成見圖1。

岸電電源發出的三相交流電經整流器整流成直流電輸入到逆變器中，逆變器將直流電逆變成三相交流電，后經過LC濾波器的作用形成三相正弦交流電給負載供電。

逆變器控制系統結構見圖2。

其具體控制過程：傳感器和鎖相環分別采集到負載端電網的電壓Uabc、電流Iabc和電相位角ωt；功率計算模塊根據采集到的信號計算出有功功率P和無功功率Q并輸入到下垂控制模塊中；下垂控制模塊根據下垂控制原理，利用給定的有功功率、無功功率、頻率以及電壓和功率，計算模塊給出的實時有功功率和無功功率計算出電壓值Udref、Uqref和相位角ωreft；傳感器采集LC濾波器的電壓值Uc和電流值Il，將采集到的信號經坐標變換得到兩相旋轉坐標系中的電壓電流值，輸入到電壓電流閉環模塊中，SVPWM模塊根據電壓電流閉環模塊給出的電壓和相位計算出逆變器的控制信號輸入到逆變器中，完成逆變器的控制。

2 電壓電流控制器設計

2.1 電流控制環路設計

船舶岸電系統中常用的逆變器是三相電壓型PWM逆變器，根據該逆變器在三相靜止坐標系中的數學模型設計控制器較為困難[8]，這里基于坐標變換原理，將逆變器的數學模型轉換到兩相旋轉坐標系中，得到得電感電流與電容電壓的狀態方程。

由式(1)可知，d，q兩軸變量存在相互耦合，為消除耦合關系，實現d，q兩軸的單獨控制，這里引入解耦控制。設三相電壓型逆變器的電壓控制矢量為

(2)

式中：Δud、Δuq分別為d軸與q軸電流內環控制器的輸出值，可通過PI調節器對電流內環進行補償以提高電流內環的控制性能，得：

(3)

式中：Kpi為電流PI調節器比例系數；KIi為電流PI調節器積分系數；idref為由電壓外環輸出的d軸參考電流；iqref為由電壓外環輸出的q軸參考電流；id為d軸的實際電流反饋值，iq為q軸的實際電流反饋值。

式(3)代入式(1)中得

(4)

由式(4)可知，通過將d軸與q軸正交軸的解耦分量反饋可以進行解耦，解耦后數學模型中之前的耦合量被抵消，可以單獨設計環路分別控制d軸與q軸電流。由于d軸和q軸的模型存在對稱性，這里只分析d軸的電流控制環路。在逆變器模型中，直流量忽略直流諧波，交流量只考慮基波分量，且考慮信號采樣延遲和PWM小慣性特性，對d軸的電流內環進行控制環路設計,見圖3。

暫不考慮濾波電感和電阻，三相PWM逆變器d軸電流內環的等效傳遞函數為

(5)

2.2 電壓控制環路設計

參考電流內環的解耦控制方法，設電壓外環輸出滿足：

(6)

式中：Δuvd與Δuvq分別為電壓外環d軸與q軸的PI調節器輸出量，控制表達式為

(7)

式中：KPv為電壓外環PI調節器的積分系數；KIv為比例系數；uodref和uoqref分別為d軸與q軸的參考電壓，uod和uoq分別為逆變器輸出電壓的d軸與q軸采樣反饋值。通過加入解耦量實現電壓外環的控制量的解耦。解耦后的d軸電壓外環控制見圖4。

3 下垂控制器和優化控制器設計

3.1 下垂控制器設計

為方便控制器的設計，對圖2的逆變器控制圖作適當簡化，見圖5。

由電路的基本知識可知，岸電逆變器輸出的有功和無功功率如下。

(8)

由于R+jX中R的值和X相比非常小，因此R可以忽略，R+jX可以認為呈現純感性，即等效阻抗為jX。岸電逆變器和船舶發電機并聯運行時，逆變器的等效輸出電壓和公共電壓相位基本相同，即可認為φ約等于0，從而sinφ≈φ，cosφ≈1，因此，式(8)可以表示為

(9)

對式(9)進行微分并簡化可，以得到：

(10)

由式(10)可見有功功率的變化與輸出電壓相位角的變化呈正相關，與輸出電壓的幅值有關，但是與輸出電壓的幅值變化無關；無功功率的變化與輸出電壓幅值的變化呈正相關，與輸出電壓的相位角的變化無關。因此，逆變器的有功功率和無功功率輸出值可以通過調節逆變器輸出電壓的相位和幅值來控制。

(11)

式中：f0和U0分別空載時逆變器輸出的頻率和電壓；m和n分別為有功功率/頻率下垂系數、無功功率/電壓下垂系數。

由式(11)計算下垂特性見圖6。

據圖6，m和n取值公式為[ 9]

(12)

式中：fmax、fmin、Umax和Umin分別為系統允許的最大頻率、最小頻率、最大電壓和最小電壓；Pmax和Qmax分別為逆變器輸出的最大有功和無功功率。

建立下垂控制模塊模型見圖7。

3.2 下垂控制器的優化

由式(11)可知，下垂控制原理是一個階躍函數，有功負荷的輕微變化都會造成輸出頻率的波動，這將對電網的穩定性造成很大的影響。為了穩定逆變器的輸出頻率，減緩逆變器對負載變化的動態響應速度，從而保證在船舶負載接用岸電后能夠穩定地工作，根據船舶柴油發電機工作原理對下垂控制進行優化[10]。

假設逆變器輸出頻率的動態響應具有慣性時間常數TJ和阻尼系數KD的慣性，即被稱為虛擬慣性的環節。加入虛擬慣性環節對圖7中P-f下垂控制模塊做出改進，改進后的P-f下垂控制模塊框圖見圖8。

4 仿真分析

4.1 負載突變工況

根據前述理論，從電壓電流和下垂特性方面進行仿真驗證。為方便驗證模型的正確性，設負載將發生表1所示變化。

表1 負載數據與發生變化的時刻

根據式(12)，取m=1×10-3，取n=8×10-2。在MATLAB/Simulink平臺上，根據圖2所示系統，搭建仿真模型。

4.1.1 電壓電流穩定性分析

在圖2所示的系統中，負載運行所需要的電能主要是靠逆變器輸出。當發生表1所示的變化時，逆變器輸出的電壓電流經LC濾波器的作用后的波形沒區別圖9。

由圖9可以看出，在控制系統的作用下，逆變器能快速響應負載的變化，輸出滿足負載需要的穩定電壓，表明電壓電流控制器設計正確。

4.1.2 下垂特性分析

表1所示負載變化中，在0.1 s時，負載2和負載3突然加入電網，電網中的有功和無功功率也隨之突增；在0.2 s和0.3 s時，負載2和負載3分別斷開電網，電網的有功功率和無功功率隨之降低。以有功功率和頻率的變化為例，見圖10。

從圖10可以清晰看出頻率和有功功率的下垂特性滿足下垂控制理論。此外，當電網負荷發生突變時，逆變器輸出的有功功率和頻率會受到沖擊，并伴有超調量。雖然能在較短時間內恢復穩定，但是這短時間的變化對負載的正常工作還是會有較大的影響。

4.1.3 控制器的優化效果分析

根據圖8所示結構，設計的有功-頻率下垂控制器仿真模型，其中慣性時間常數分別取為0.015和0.03，阻尼系統均取1。進行仿真實驗，得到逆變器輸出的有功功率和頻率變化，見圖11。

由圖11中可見，逆變器輸出的有功功率和頻率均能在負載發生突變后緩慢的過渡到新的穩態，同時消除了超調。對比圖10和圖11，在下垂控制環節中的有功功率/頻率控制模塊加入虛擬慣性的優化方案是有效的。

4.2 負荷轉移工況

岸電并網后，下一步將進行船舶電網的離網操作。為了避免發生全船失電故障，降低船舶發電機離網對電網的沖擊，需要將船電的負荷轉移到岸電電源上。需要注意的是船舶電網上的負荷不能降到零，這是為了防止逆功率的出現。令總負載為1 000 W,進行負荷轉移工況的仿真實驗，有功功率和岸電支路電流見圖12。

從圖12中可見，并網操作前，岸電系統輸出電流為零，其對應輸出的有功功率也為零；并網操作后，由于下垂控制的作用，岸電和船舶電網均分負載負荷，即岸電和船舶電網輸出有功功率均為總負荷的50%，500 W；0.15 s后逐漸增大岸電系統的輸出有功功率，致總負荷的90%，因總負荷不變，船舶電網輸出的有功功率降低到總負荷的10%，符合船舶電網離網條件；0.4 s時，進行船舶電網離網操作，該支路輸出的電流和有功功率瞬間為0，由于總負載不變，岸電支路輸出的電流變大，由電流計算得到的有功功率也隨之增大到與總負荷相等。

5 結論

1)下垂控制原理可以實現船舶電網供電電源的無縫切換；但是逆變器在傳統的下垂控制作用下，輸出的有功功率和頻率會隨負載的突變發生階躍性的變化，并會產生超調。

2)在下垂控制器中加入虛擬慣性環節，能夠消除下垂控制的超調，并且使逆變器輸出的有功功率和頻率隨負載的突變發生平穩的變化，使電網具有更好的穩定性。

所搭船舶與岸電無縫并網系統可為船舶與岸電的并網控制策略研究提供參考；控制系統的優化方案可為岸電并網控制系統設計提供借鑒。