岸電對(duì)接靠港船舶無縫供電控制方法的改進(jìn)

宋艷瓊，陳靈超，高海波，肖樂明

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063；2.廣州航海學(xué)院，廣州 510725； 3.廣州文沖船廠有限責(zé)任公司，廣州 510725)

根據(jù)MARPOL公約和我國交通部對(duì)南部珠江、中部長江、北部渤海等近?？刂婆欧艆^(qū)域的要求，靠港船舶由岸電無縫連接供電，其關(guān)鍵技術(shù)是岸控并網(wǎng)[1]。然而，岸電逆變雙輸出無縫供電在與船舶發(fā)電機(jī)對(duì)接過程中，由于船用發(fā)電機(jī)本身不穩(wěn)定即來源于柴油機(jī)調(diào)速器調(diào)速特性的差異性和時(shí)效性而引起其特性的變化；船用發(fā)電機(jī)調(diào)壓器的種類不同，有些采用具有強(qiáng)勵(lì)磁的相復(fù)勵(lì)調(diào)壓器，采用調(diào)差精度高的調(diào)壓器，按電壓偏差調(diào)節(jié)為主的調(diào)壓裝置；船舶負(fù)載多為沖擊負(fù)載，給經(jīng)典的逆變器鎖相環(huán)控制、P/Q控制、V/f控制[2-4]帶來技術(shù)挑戰(zhàn)，在并網(wǎng)過程中加強(qiáng)感性負(fù)荷，會(huì)出現(xiàn)逆變器過流保護(hù)跳閘，說明傳統(tǒng)的控制策略需要改進(jìn)。改進(jìn)方法是采用岸電逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)，并利用同步發(fā)電機(jī)的并聯(lián)同步轉(zhuǎn)移負(fù)載性能進(jìn)行建模和仿真，通過并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證是否能夠解決問題。

1 岸控逆變器雙輸出港船無縫供電

岸電逆變雙輸出無縫供電與船舶發(fā)電機(jī)對(duì)接過程見圖1。通過下垂特性[5-6]，引入虛擬調(diào)速器和虛擬勵(lì)磁器，使逆變雙輸出供電頻率與電壓的慣性保持特性，動(dòng)態(tài)特性類似同步發(fā)電機(jī)，通過逆變雙輸出供電虛擬同步發(fā)電機(jī)，改進(jìn)控制策略。

圖1 逆變雙輸出無縫供電與船舶發(fā)電機(jī)對(duì)接示意

如圖2a)所示的船用柴油發(fā)電機(jī)組Generators與岸控逆變雙輸出虛擬同步發(fā)電機(jī)Synchronous generator并聯(lián)連接，見圖2b)。當(dāng)船舶停泊港口時(shí)，調(diào)小船用柴油發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)油門減速，P1降低到額定功率的5%，停止船用柴油發(fā)電機(jī)組，負(fù)載轉(zhuǎn)移完成，見圖2c)；當(dāng)船舶離開港口時(shí)，啟動(dòng)船用柴油發(fā)電機(jī)組，調(diào)大船用柴油發(fā)電機(jī)組的原動(dòng)機(jī)油門加速，P1升高到額定功率的5%，切斷岸電，負(fù)載轉(zhuǎn)移完成，見圖2d)。

圖2 并網(wǎng)過程

岸控逆變器雙輸出港船無縫連接供電系統(tǒng)的控制策略的主要思路：岸控60 Hz逆變器供電和50 Hz逆變器過渡變壓器直接供電，不改變船舶電站的控制，通過岸控逆變器實(shí)現(xiàn)岸船供電無縫對(duì)接，適用于絕大多數(shù)船舶不斷電接岸電；50 Hz船舶無縫接岸電不需要使用傳統(tǒng)的同步表或者限流控制，采用60 Hz逆變裝置作為50 Hz無縫平滑接岸電過渡裝置，從50 Hz逆變供電轉(zhuǎn)換到變壓器直接供電，實(shí)現(xiàn)無沖擊電流的平滑連接；V/f控制逆變器恒頻恒壓供電，P/Q控制岸船無縫連接和平滑轉(zhuǎn)移負(fù)荷，鎖相環(huán)控制在岸電并入船電過程中對(duì)岸電進(jìn)行移相和變頻控制完成并聯(lián)條件，協(xié)助穩(wěn)定整流逆變器輸出的頻率和電壓。

圖3 同步發(fā)電機(jī)與逆變器電源并聯(lián)等效電路

圖4 并聯(lián)電路的簡(jiǎn)化電路

圖4簡(jiǎn)化電路中逆變器電源的功率Sb、Pb、Qb如式(1)。

一般情況下φb很小，即簡(jiǎn)化為式(2)。

(2)

同樣的計(jì)算方法，Ga的功率Pb、Qb如式(3)。

(3)

有功功率調(diào)節(jié)頻率下垂和無功功率調(diào)節(jié)電壓下垂的控制方法如式(4)。

(4)

式中：fb、Eb為逆變器電源b輸出電壓的頻率和幅值；f0、E0為空載電壓的頻率和幅值；kpb、kqb為逆變器電源b設(shè)置的有功和無功下垂曲線的斜率。

當(dāng)圖4中線路阻抗為感性時(shí)，基于式(4)下垂特性的逆變電源控制策略見圖5，借助采樣電壓ua、ub、uc和電流ia、ib、ic計(jì)算出有功/無功功率P和Q，然后根據(jù)式(4)，計(jì)算出頻率參考值fref及電壓幅值的參考值Eref，再將角頻率ωref積分計(jì)算出電壓相角參考值θref；采用雙閉環(huán)控制目標(biāo)值和參考值，可以讓電壓的幅值和相角滿足下垂控制要求。

圖5 逆變電源控制框圖

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

2.1 逆變雙輸出虛擬同步發(fā)電機(jī)控制思路

將逆變器模擬為同步發(fā)電機(jī)，如圖傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)以電壓源的形式將岸電送入電網(wǎng)，通過岸控逆變器實(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及轉(zhuǎn)移負(fù)荷特性，不改變船舶電站的控制，實(shí)現(xiàn)岸船供電無縫對(duì)接。

建立逆變雙輸出虛擬同步發(fā)電機(jī)模型[7]，在下垂特性的基礎(chǔ)上，引入虛擬調(diào)速器和虛擬勵(lì)磁器等?；诖半娬菊{(diào)速器和勵(lì)磁控制器基本原理，研究適應(yīng)電力電子式岸電電源的數(shù)字功頻控制器和勵(lì)磁控制策略[8]，使逆變器具有與船用柴油發(fā)電機(jī)相似的輸出下垂特性。船舶發(fā)電機(jī)組的有功功率-頻率和無功功率-電壓下垂特性引入到逆變器控制器。提出一種基于同步發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)模型的新型微網(wǎng)逆變電源，同步發(fā)電機(jī)的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及大輸出阻抗特性引入逆變器控制器。給出基于同步發(fā)電機(jī)機(jī)電暫態(tài)模型的新型微電網(wǎng)逆變電源，虛擬同步發(fā)電機(jī)算法的控制模型。由2臺(tái)虛擬同步發(fā)電機(jī)VSG(virtual synchronous generators)組成的獨(dú)立微網(wǎng)，在VSG控制的基礎(chǔ)上，通過在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制中引入頻率變化量，形成VSG轉(zhuǎn)動(dòng)慣量自適應(yīng)控制[9]。

2.2 并網(wǎng)模型

基于小信號(hào)模型，圖6為并網(wǎng)模式和自治模式下的等效電路[10]。

圖6 逆變電源并網(wǎng)模式和自治模式等效電路

并網(wǎng)工作模式下，逆變電源輸出的視在功率為

(5)

則并網(wǎng)工作模式下，有功功率和無功功率傳輸?shù)男⌒盘?hào)模型為

(6)

(7)

并網(wǎng)工作模式下有ωL=ωref，聯(lián)立式(6)和式(7)可得VSG控制的模型為

(8)

令X1=(Δφ′，ΔE′，Δφ，ΔE)T，根據(jù)式(6)和式(8)可得并網(wǎng)模式下基于VSG控制的逆變電源的模型為

(9)

式中：

2.3 VSG數(shù)學(xué)模型

VSG數(shù)學(xué)模型為[11]

(10)

2.4 VSG控制的實(shí)現(xiàn)

VSG控制框圖見圖7，VSG控制與傳統(tǒng)下垂控制的不同點(diǎn)：虛擬電機(jī)轉(zhuǎn)軸，模擬同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子加、減速的方式獲得虛擬角度θ，借助控制器來產(chǎn)生其控制輸入Tm和Mfif，可使得內(nèi)電勢(shì)頻率變化具有一定的慣性；而對(duì)于內(nèi)環(huán)電壓幅值，利用虛擬勵(lì)磁器使得轉(zhuǎn)子繞組具有一定的電氣慣量，限制了內(nèi)電勢(shì)幅值的突變，具有良好穩(wěn)定性、快速性。

圖7 VSG控制框圖

3 并網(wǎng)仿真與模擬實(shí)驗(yàn)

基于岸電與船電模型，逆變實(shí)驗(yàn)裝置為50 Hz/60 Hz雙輸出，采用V/f、P/Q、鎖相環(huán)及虛擬同步發(fā)電機(jī)控制。20 kVA/60 Hz柴油發(fā)電機(jī)模擬船舶發(fā)電機(jī)。

起動(dòng)20 kVA/60 Hz柴油發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)控制柜建立電壓，負(fù)荷開關(guān)合閘，負(fù)載柜設(shè)定模擬負(fù)載由發(fā)電機(jī)供電；接通岸電電源給逆變雙輸出無縫接岸電裝置供電；岸電與船電并網(wǎng)，轉(zhuǎn)移負(fù)荷；負(fù)載由變頻器供電，通過旁路短接變頻器，岸電直接供電?；谔摂M同步發(fā)電機(jī)控制，測(cè)試60 Hz船電帶1 kW+4 kVar沖擊負(fù)載與逆變雙輸出無縫接岸電裝置的對(duì)接試驗(yàn)。圖8a)、b)幅值較大的波形最低點(diǎn)小圓點(diǎn)為船電頻率目標(biāo)值，幅值較小的逆變器輸出波形在鎖相環(huán)控制下相位和頻率趨近船電波形，圖8a)相位差較大，圖8b)相位差較小、圖8c)相位差趨近于0，圖8d)為追相完成之后并網(wǎng)瞬間波形。

圖8 虛擬同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制波形

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，船電為60 Hz加1 kW+4 kVar負(fù)荷波形畸更為嚴(yán)重，岸電目標(biāo)電壓幅值與實(shí)際岸電電壓相差較大，此時(shí)虛擬同步發(fā)電機(jī)控制起重要作用，圖8c)與圖8b)比較，除了完成追相外，還完成了電壓差較大的調(diào)壓的作用，電壓差調(diào)整達(dá)幅值到25%。

并網(wǎng)后，進(jìn)行虛擬同步發(fā)電機(jī)供電測(cè)試，測(cè)試逆變器給60 Hz、3 kW+1 kVar負(fù)載供電情況，以及突加沖擊負(fù)載后發(fā)電機(jī)供電和逆變器供電情況。

負(fù)荷波形比較見圖9。

圖9 負(fù)荷波形比較

圖9a)為逆變器給60 Hz、3 kW+1 kVar負(fù)載供電時(shí)三相電壓和A相電流波形，展開波形三相電壓在波峰波谷仍略有波動(dòng)，說明控制精度仍有提高的余地。圖9b)是在發(fā)電機(jī)給60 Hz、3 kW+1 kVar負(fù)載供電，突加6 kW負(fù)荷實(shí)測(cè)波形畸變情況，畸變量為幅值50%，圖9c)是逆變器給60 Hz、3 kW+1 kVar負(fù)載供電時(shí)，突加6 kW負(fù)荷實(shí)測(cè)波形情況，在三相電壓接近峰值點(diǎn)有少量波動(dòng)，波動(dòng)量為幅值的10%。說明虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法使得電壓變化幅度較平緩。

4 結(jié)論

船舶同步發(fā)電機(jī)本身并聯(lián)及轉(zhuǎn)移負(fù)載屬于經(jīng)典的控制，而逆變器與同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)大多以同步發(fā)電機(jī)調(diào)速特性、調(diào)壓特性穩(wěn)定為前提，由于船舶同步發(fā)電機(jī)存在調(diào)速特性、調(diào)壓特性的重大差別，采用V/f控制、P/Q控制和鎖相環(huán)控制實(shí)現(xiàn)與同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)及轉(zhuǎn)移負(fù)載，必定受限于同步發(fā)電機(jī)特性的差異和變化，突加沖擊負(fù)載后出現(xiàn)較嚴(yán)重的畸形波形。采用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制，在突加沖擊負(fù)載后輸出電壓和頻率變化幅度較平緩、波形質(zhì)量較高，具有快速追蹤的特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，虛擬同步發(fā)電機(jī)控制方法比傳統(tǒng)的控制方法更加適用于港船無縫接岸電方面的應(yīng)用。