船舶與岸電無(wú)縫并網(wǎng)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

船舶供電電源切換時(shí)易發(fā)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(tǒng)中逆變器的控制策略研究是解決該問(wèn)題的關(guān)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(jī)控制，如在下垂控制中加入虛擬負(fù)電阻，從理論上分析了該方法在改善低壓微電網(wǎng)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(diào)節(jié)的改進(jìn)下垂控制方案，減小系統(tǒng)環(huán)流[3]；基于虛擬同步機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆變器并聯(lián)運(yùn)行的功率分配[4]；基于虛擬同步機(jī)實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)下逆變器并離網(wǎng)的切換[5]，但是切換前未進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移。在船舶岸電領(lǐng)域，主要從船舶能量管理系統(tǒng)(PMS)的角度出發(fā)，根據(jù)同步發(fā)電機(jī)原理，改善了逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，使其能夠被PMS調(diào)度[6]；基于PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)船舶與岸電的無(wú)縫轉(zhuǎn)換[7]。岸電系統(tǒng)中關(guān)于逆變器的控制策略研究較少。

在以上研究的基礎(chǔ)上，考慮基于下垂控制原理，設(shè)計(jì)電壓電流控制器、下垂控制器，建立較為完整的并網(wǎng)控制系統(tǒng)模型，以實(shí)現(xiàn)船舶供電電源切換時(shí)電網(wǎng)的不間斷供電；在下垂控制器中加入虛擬慣性環(huán)節(jié)，以改善逆變器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，提高岸電輸出電能的穩(wěn)定性。

1 船舶與岸電并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶岸電系統(tǒng)主要的組成見(jiàn)圖1。

岸電電源發(fā)出的三相交流電經(jīng)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(jīng)過(guò)LC濾波器的作用形成三相正弦交流電給負(fù)載供電。

逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

其具體控制過(guò)程：傳感器和鎖相環(huán)分別采集到負(fù)載端電網(wǎng)的電壓Uabc、電流Iabc和電相位角ωt；功率計(jì)算模塊根據(jù)采集到的信號(hào)計(jì)算出有功功率P和無(wú)功功率Q并輸入到下垂控制模塊中；下垂控制模塊根據(jù)下垂控制原理，利用給定的有功功率、無(wú)功功率、頻率以及電壓和功率，計(jì)算模塊給出的實(shí)時(shí)有功功率和無(wú)功功率計(jì)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(hào)經(jīng)坐標(biāo)變換得到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓電流值，輸入到電壓電流閉環(huán)模塊中，SVPWM模塊根據(jù)電壓電流閉環(huán)模塊給出的電壓和相位計(jì)算出逆變器的控制信號(hào)輸入到逆變器中，完成逆變器的控制。

2 電壓電流控制器設(shè)計(jì)

2.1 電流控制環(huán)路設(shè)計(jì)

船舶岸電系統(tǒng)中常用的逆變器是三相電壓型PWM逆變器，根據(jù)該逆變器在三相靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)控制器較為困難[8]，這里基于坐標(biāo)變換原理，將逆變器的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，得到得電感電流與電容電壓的狀態(tài)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(guān)系，實(shí)現(xiàn)d，q兩軸的單獨(dú)控制，這里引入解耦控制。設(shè)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(nèi)環(huán)控制器的輸出值，可通過(guò)PI調(diào)節(jié)器對(duì)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行補(bǔ)償以提高電流內(nèi)環(huán)的控制性能，得：

(3)

式中：Kpi為電流PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；KIi為電流PI調(diào)節(jié)器積分系數(shù)；idref為由電壓外環(huán)輸出的d軸參考電流；iqref為由電壓外環(huán)輸出的q軸參考電流；id為d軸的實(shí)際電流反饋值，iq為q軸的實(shí)際電流反饋值。

式(3)代入式(1)中得

(4)

由式(4)可知，通過(guò)將d軸與q軸正交軸的解耦分量反饋可以進(jìn)行解耦，解耦后數(shù)學(xué)模型中之前的耦合量被抵消，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)環(huán)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(duì)稱性，這里只分析d軸的電流控制環(huán)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(hào)采樣延遲和PWM小慣性特性，對(duì)d軸的電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行控制環(huán)路設(shè)計(jì),見(jiàn)圖3。

暫不考慮濾波電感和電阻，三相PWM逆變器d軸電流內(nèi)環(huán)的等效傳遞函數(shù)為

(5)

2.2 電壓控制環(huán)路設(shè)計(jì)

參考電流內(nèi)環(huán)的解耦控制方法，設(shè)電壓外環(huán)輸出滿足：

(6)

式中：Δuvd與Δuvq分別為電壓外環(huán)d軸與q軸的PI調(diào)節(jié)器輸出量，控制表達(dá)式為

(7)

式中：KPv為電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)；KIv為比例系數(shù)；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(guò)加入解耦量實(shí)現(xiàn)電壓外環(huán)的控制量的解耦。解耦后的d軸電壓外環(huán)控制見(jiàn)圖4。

3 下垂控制器和優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)

3.1 下垂控制器設(shè)計(jì)

為方便控制器的設(shè)計(jì)，對(duì)圖2的逆變器控制圖作適當(dāng)簡(jiǎn)化，見(jiàn)圖5。

由電路的基本知識(shí)可知，岸電逆變器輸出的有功和無(wú)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(rèn)為呈現(xiàn)純感性，即等效阻抗為jX。岸電逆變器和船舶發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，逆變器的等效輸出電壓和公共電壓相位基本相同，即可認(rèn)為φ約等于0，從而sinφ≈φ，cosφ≈1，因此，式(8)可以表示為

(9)

對(duì)式(9)進(jìn)行微分并簡(jiǎn)化可，以得到：

(10)

由式(10)可見(jiàn)有功功率的變化與輸出電壓相位角的變化呈正相關(guān)，與輸出電壓的幅值有關(guān)，但是與輸出電壓的幅值變化無(wú)關(guān)；無(wú)功功率的變化與輸出電壓幅值的變化呈正相關(guān)，與輸出電壓的相位角的變化無(wú)關(guān)。因此，逆變器的有功功率和無(wú)功功率輸出值可以通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓的相位和幅值來(lái)控制。

(11)

式中：f0和U0分別空載時(shí)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(shù)、無(wú)功功率/電壓下垂系數(shù)。

由式(11)計(jì)算下垂特性見(jiàn)圖6。

據(jù)圖6，m和n取值公式為[ 9]

(12)

式中：fmax、fmin、Umax和Umin分別為系統(tǒng)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(wú)功功率。

建立下垂控制模塊模型見(jiàn)圖7。

3.2 下垂控制器的優(yōu)化

由式(11)可知，下垂控制原理是一個(gè)階躍函數(shù)，有功負(fù)荷的輕微變化都會(huì)造成輸出頻率的波動(dòng)，這將對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成很大的影響。為了穩(wěn)定逆變器的輸出頻率，減緩逆變器對(duì)負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，從而保證在船舶負(fù)載接用岸電后能夠穩(wěn)定地工作，根據(jù)船舶柴油發(fā)電機(jī)工作原理對(duì)下垂控制進(jìn)行優(yōu)化[10]。

假設(shè)逆變器輸出頻率的動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有慣性時(shí)間常數(shù)TJ和阻尼系數(shù)KD的慣性，即被稱為虛擬慣性的環(huán)節(jié)。加入虛擬慣性環(huán)節(jié)對(duì)圖7中P-f下垂控制模塊做出改進(jìn)，改進(jìn)后的P-f下垂控制模塊框圖見(jiàn)圖8。

4 仿真分析

4.1 負(fù)載突變工況

根據(jù)前述理論，從電壓電流和下垂特性方面進(jìn)行仿真驗(yàn)證。為方便驗(yàn)證模型的正確性，設(shè)負(fù)載將發(fā)生表1所示變化。

表1 負(fù)載數(shù)據(jù)與發(fā)生變化的時(shí)刻

根據(jù)式(12)，取m=1×10-3，取n=8×10-2。在MATLAB/Simulink平臺(tái)上，根據(jù)圖2所示系統(tǒng)，搭建仿真模型。

4.1.1 電壓電流穩(wěn)定性分析

在圖2所示的系統(tǒng)中，負(fù)載運(yùn)行所需要的電能主要是靠逆變器輸出。當(dāng)發(fā)生表1所示的變化時(shí)，逆變器輸出的電壓電流經(jīng)LC濾波器的作用后的波形沒(méi)區(qū)別圖9。

由圖9可以看出，在控制系統(tǒng)的作用下，逆變器能快速響應(yīng)負(fù)載的變化，輸出滿足負(fù)載需要的穩(wěn)定電壓，表明電壓電流控制器設(shè)計(jì)正確。

4.1.2 下垂特性分析

表1所示負(fù)載變化中，在0.1 s時(shí)，負(fù)載2和負(fù)載3突然加入電網(wǎng)，電網(wǎng)中的有功和無(wú)功功率也隨之突增；在0.2 s和0.3 s時(shí)，負(fù)載2和負(fù)載3分別斷開(kāi)電網(wǎng)，電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率隨之降低。以有功功率和頻率的變化為例，見(jiàn)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(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷發(fā)生突變時(shí)，逆變器輸出的有功功率和頻率會(huì)受到?jīng)_擊，并伴有超調(diào)量。雖然能在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，但是這短時(shí)間的變化對(duì)負(fù)載的正常工作還是會(huì)有較大的影響。

4.1.3 控制器的優(yōu)化效果分析

根據(jù)圖8所示結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的有功-頻率下垂控制器仿真模型，其中慣性時(shí)間常數(shù)分別取為0.015和0.03，阻尼系統(tǒng)均取1。進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得到逆變器輸出的有功功率和頻率變化，見(jiàn)圖11。

由圖11中可見(jiàn)，逆變器輸出的有功功率和頻率均能在負(fù)載發(fā)生突變后緩慢的過(guò)渡到新的穩(wěn)態(tài)，同時(shí)消除了超調(diào)。對(duì)比圖10和圖11，在下垂控制環(huán)節(jié)中的有功功率/頻率控制模塊加入虛擬慣性的優(yōu)化方案是有效的。

4.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移工況

岸電并網(wǎng)后，下一步將進(jìn)行船舶電網(wǎng)的離網(wǎng)操作。為了避免發(fā)生全船失電故障，降低船舶發(fā)電機(jī)離網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，需要將船電的負(fù)荷轉(zhuǎn)移到岸電電源上。需要注意的是船舶電網(wǎng)上的負(fù)荷不能降到零，這是為了防止逆功率的出現(xiàn)。令總負(fù)載為1 000 W,進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移工況的仿真實(shí)驗(yàn)，有功功率和岸電支路電流見(jiàn)圖12。

從圖12中可見(jiàn)，并網(wǎng)操作前，岸電系統(tǒng)輸出電流為零，其對(duì)應(yīng)輸出的有功功率也為零；并網(wǎng)操作后，由于下垂控制的作用，岸電和船舶電網(wǎng)均分負(fù)載負(fù)荷，即岸電和船舶電網(wǎng)輸出有功功率均為總負(fù)荷的50%，500 W；0.15 s后逐漸增大岸電系統(tǒng)的輸出有功功率，致總負(fù)荷的90%，因總負(fù)荷不變，船舶電網(wǎng)輸出的有功功率降低到總負(fù)荷的10%，符合船舶電網(wǎng)離網(wǎng)條件；0.4 s時(shí)，進(jìn)行船舶電網(wǎng)離網(wǎng)操作，該支路輸出的電流和有功功率瞬間為0，由于總負(fù)載不變，岸電支路輸出的電流變大，由電流計(jì)算得到的有功功率也隨之增大到與總負(fù)荷相等。

5 結(jié)論

1)下垂控制原理可以實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)供電電源的無(wú)縫切換；但是逆變器在傳統(tǒng)的下垂控制作用下，輸出的有功功率和頻率會(huì)隨負(fù)載的突變發(fā)生階躍性的變化，并會(huì)產(chǎn)生超調(diào)。

2)在下垂控制器中加入虛擬慣性環(huán)節(jié)，能夠消除下垂控制的超調(diào)，并且使逆變器輸出的有功功率和頻率隨負(fù)載的突變發(fā)生平穩(wěn)的變化，使電網(wǎng)具有更好的穩(wěn)定性。

所搭船舶與岸電無(wú)縫并網(wǎng)系統(tǒng)可為船舶與岸電的并網(wǎng)控制策略研究提供參考；控制系統(tǒng)的優(yōu)化方案可為岸電并網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒。