船舶電壓敏感型負(fù)載穩(wěn)壓設(shè)備電壓補(bǔ)償策略

孫 亮， 徐合力, 高 嵐

(武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院; b.船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430063)

海上貨物運(yùn)輸船舶需要船舶電力系統(tǒng)提供電力供應(yīng)，以便維持機(jī)艙、通信、導(dǎo)航和船員日常生活等系統(tǒng)的正常運(yùn)行。一旦船舶電網(wǎng)出現(xiàn)較大擾動(dòng)，通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備等電壓敏感型船舶負(fù)載(簡稱敏壓負(fù)載)端電壓也會(huì)不穩(wěn)，若沒有穩(wěn)壓設(shè)備，其端電壓會(huì)持續(xù)產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致電壓敏感型設(shè)備失穩(wěn)甚至失效。這不僅導(dǎo)致船舶失穩(wěn)失聯(lián)，甚至?xí)＜按鞍踩痛瑔T生命安全。因此，維持船舶電力系統(tǒng)以及敏壓負(fù)載的電壓穩(wěn)定對保障船舶安全和人身安全具有十分重要的意義。[1]

當(dāng)前，船舶上使用的穩(wěn)壓設(shè)備多為不間斷電源裝置(Uninterruptible Power System, UPS)，其技術(shù)途徑基本上有兩種[2]：

1) 選取合適的陸用UPS整機(jī)，并對其進(jìn)行加固和船用化處理。

2) 根據(jù)船用標(biāo)準(zhǔn)選用船用元器件重新設(shè)計(jì)和制造。雖然很多專家對UPS進(jìn)行不斷的研究，并提出很多改進(jìn)方案，但對于UPS本身，由于其背靠背的結(jié)構(gòu)選用器件相對較多，導(dǎo)致高容量情況下造價(jià)相對較高，所以仍僅適用于小容量設(shè)備中。

相較于UPS，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)具有響應(yīng)速度快、成本相對較低及維護(hù)保養(yǎng)方便等[3]優(yōu)勢。DVR在陸地上已有廣泛應(yīng)用，常用控制策略有跌落前電壓補(bǔ)償控制法、同相電壓補(bǔ)償控制法和最小能量補(bǔ)償控制法等3種。[4-6]文獻(xiàn)[7]以電壓與電流之間相角差來確定暫降補(bǔ)償后電壓的最小能量的補(bǔ)償區(qū)域點(diǎn)，可通過調(diào)整補(bǔ)償電壓相位來漸漸實(shí)現(xiàn)能量的最小補(bǔ)償。文獻(xiàn)[8]通過緩慢移相，補(bǔ)償過程由完全電壓補(bǔ)償模式平滑地過渡到同相電壓補(bǔ)償模式，能夠保證負(fù)載側(cè)電壓相位的穩(wěn)定不發(fā)生突變。文獻(xiàn)[9]通過運(yùn)用旋轉(zhuǎn)參考電壓的方法提高DVR的補(bǔ)償極限，同時(shí)考慮負(fù)序和零序電壓對輸出電壓的影響。文獻(xiàn)[10]在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，運(yùn)用對稱分量法，在考慮負(fù)序和零序補(bǔ)償電壓的同時(shí)，在負(fù)荷所能容忍的電壓幅值和相移范圍內(nèi)確定DVR的最優(yōu)電壓控制策略。

上述各種補(bǔ)償模式均是針對陸用DVR而設(shè)計(jì)的。由于陸地電網(wǎng)相對復(fù)雜且控制設(shè)備較多，其補(bǔ)償策略也較繁瑣，而船舶電網(wǎng)相對于陸地電網(wǎng)而言容量小、復(fù)雜度低，無需復(fù)雜設(shè)備和補(bǔ)償策略即可實(shí)現(xiàn)電壓的補(bǔ)償。因此，本文所提出的兩種補(bǔ)償策略僅通過對負(fù)載端三相電壓幅值、變壓器輸出側(cè)的電壓和系統(tǒng)電流進(jìn)行檢測與調(diào)節(jié)，即可在電網(wǎng)電壓波動(dòng)情況下快速恢復(fù)負(fù)載端電壓，設(shè)計(jì)思路簡單且易于操作。此外，無功功率補(bǔ)償策略僅讓穩(wěn)壓設(shè)備提供無功功率，節(jié)省能量的損耗。

1 電壓敏感型船舶負(fù)載穩(wěn)壓設(shè)備

1.1 穩(wěn)壓設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

陸用DVR基本結(jié)構(gòu)[11]包括：儲(chǔ)能單元、電壓型逆變器、控制單元、輸出濾波器和耦合單元(見圖1)。當(dāng)DVR進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，控制單元控制逆變器產(chǎn)生串聯(lián)補(bǔ)償電壓，然后經(jīng)耦合單元注入到線路中。輸出濾波器用于濾除逆變器所產(chǎn)生的高次諧波，儲(chǔ)能單元用于提供補(bǔ)償所需的有功功率。

由于大部分船舶電網(wǎng)線制為中性點(diǎn)不接地的三相三線制，且蓄電池在船舶上應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)相對成熟，本文選用的儲(chǔ)能單元采用蓄電池結(jié)構(gòu)，逆變

圖1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器基本結(jié)構(gòu)圖

器選用三相全橋結(jié)構(gòu)，濾波器采用RLC結(jié)構(gòu)，耦合單元采用變壓器。

1.2 穩(wěn)壓設(shè)備穩(wěn)壓基本原理

敏壓負(fù)載穩(wěn)壓設(shè)備應(yīng)用在船舶上的等效電路圖見圖2，當(dāng)發(fā)電機(jī)端電網(wǎng)電壓正常時(shí)，旁路開關(guān)L1閉合，L2和L3斷開，穩(wěn)壓設(shè)備處于旁路狀態(tài)。

圖2 穩(wěn)壓裝置系統(tǒng)電路圖

正常工況下，系統(tǒng)電流I為

(1)

式(1)中：UP為公共端處電壓；RL和XL分別為負(fù)載的電阻和感抗。

由于此時(shí)穩(wěn)壓設(shè)備尚未工作，則敏壓負(fù)載端電壓UL為

UL=UP=I(RL+jXL)

(2)

(3)

(4)

由式(4)可知:可通過改變系統(tǒng)中電流來恢復(fù)負(fù)載端電壓UL至額定值，而改變系統(tǒng)的電流可通過改變系統(tǒng)整體阻抗值來實(shí)現(xiàn)。

2 敏壓負(fù)載穩(wěn)壓設(shè)備兩種補(bǔ)償策略

2.1 無功功率補(bǔ)償策略

由于負(fù)載感抗不變，所以阻抗角φ也不變，負(fù)載端電壓UL與電流I之間夾角始終不變，補(bǔ)償過程見圖3。

圖3 無功功率補(bǔ)償下系統(tǒng)參數(shù)向量圖

(5)

負(fù)載端電壓變化為

(6)

2.2 無功功率補(bǔ)償策略補(bǔ)償范圍分析

圖4 無功補(bǔ)償下補(bǔ)償極限向量圖

綜上所述，在無功功率補(bǔ)償策略下，系統(tǒng)公共端電壓補(bǔ)償范圍為

(7)

2.3 有功功率補(bǔ)償策略

由式(5)可知：當(dāng)公共端電壓低至無功補(bǔ)償策略補(bǔ)償范圍之外，此時(shí)若想使負(fù)載電壓恢復(fù)至額定值，除輸入一定的無功功率抵消負(fù)載處的電感值外，還必須讓穩(wěn)壓器輸入一定的有功功率，此時(shí)的穩(wěn)壓器還要相當(dāng)于一個(gè)阻值為-R的電阻串聯(lián)在電路中，從而繼續(xù)使電流增大， 此時(shí)，系統(tǒng)電流變?yōu)?/p>

(8)

負(fù)載端電壓變化為

(9)

從而實(shí)現(xiàn)對負(fù)載端電壓的補(bǔ)償，使負(fù)載電壓達(dá)到規(guī)定的電壓值。整個(gè)補(bǔ)償過程見圖5。

a)極限狀態(tài)

b)有功補(bǔ)償后圖5 有功補(bǔ)償下系統(tǒng)參數(shù)向量圖

上述補(bǔ)償策略在此記為有功功率補(bǔ)償策略。該策略的提出是為解決無功功率補(bǔ)償策略補(bǔ)償范圍有限的缺點(diǎn)，即在無功功率補(bǔ)償策略無法實(shí)現(xiàn)的公共端電壓跌落或者電壓升高情況下對負(fù)載端電壓進(jìn)行補(bǔ)償。

2.4 兩種補(bǔ)償策略控制框圖

綜上所述，可將兩種控制策略在同一張控制框圖上表現(xiàn)出來，見圖6。

圖6 兩種補(bǔ)償策略的控制框

鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop, PLL)作為電力系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)，一直是專家學(xué)者研究的重點(diǎn)。如文獻(xiàn)[12]提出電網(wǎng)同步相位的快速開環(huán)捕獲方法，可顯著提高電網(wǎng)電壓不對稱條件下的相位同步速度。文獻(xiàn)[13]為應(yīng)對同時(shí)的幅值、相位、頻率的突變提出基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的單相電力信號同步相位快速開環(huán)捕獲方法。本文只針對對稱性的電網(wǎng)電壓幅值突變問題進(jìn)行試驗(yàn)，所以只需利用傳統(tǒng)的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)即可實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)三相電壓相位角θs的檢測，用作圖6中涉及的所有dq坐標(biāo)與abc坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。

2.4.1無功功率補(bǔ)償控制策略

(1)有功功率部分：為保證在無功功率部分補(bǔ)償模式下變壓器沒有有功的輸出或吸收，節(jié)省能量損耗，調(diào)制波的有功功率部分是把變壓器輸出側(cè)電壓d軸分量UdT與指令值-UqTIq/Id(UqT為變壓器輸出側(cè)電壓q軸分量，Id為系統(tǒng)電流d軸分量，Iq為系統(tǒng)電流q軸分量)進(jìn)行比較，將其差值做比例微分(Proportional Integral,PI)控制器調(diào)節(jié)后再作為調(diào)制波有功指令值Ud。這里與-UqTIq/Id進(jìn)行比較原因如下：

根據(jù)瞬時(shí)功率理論可推出，變壓器輸出側(cè)有功功率為

P=UaIa+UbIb+UcIc

(10)

式(10)中:Ua、Ub、Uc分別為變壓器輸出側(cè)電壓abc坐標(biāo)系下的電壓值;Ia、Ib、Ic分別為電流在abc坐標(biāo)系下的電壓值。

等幅值坐標(biāo)變換為

(11)

式(11)中:x可替換成U和I(U和I分別為電壓和電流)，從而經(jīng)過推導(dǎo)可求出

(12)

為讓變壓器端無有功功率交換，即P=0，此時(shí)便相當(dāng)于

UdTId+UqTIq=0

(13)

推導(dǎo)可得

(14)

因此，可利用UdT與-UqTIq/Id比較得到調(diào)制波的有功功率部分指令值Ud，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)不輸入有功功率。

2.4.2有功功率補(bǔ)償控制策略

(2)無功功率部分：將0與Iq做差，從而保證系統(tǒng)中的無功功率部分得到全部補(bǔ)償，再經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)，其結(jié)果作為調(diào)制波無功功率部分指令值Uq。

3 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)各參數(shù)數(shù)值見表1。

3.1 無功功率補(bǔ)償模式仿真結(jié)果

將圖6的控制框圖在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，規(guī)定負(fù)載額定電壓為220 V，公共端電壓在0.10 s下降到初始值90%，0.15 s后又恢復(fù)至初始值，各參數(shù)波形見圖7和圖8。

表1 系統(tǒng)各參數(shù)值

a) 公共端三相電壓波形

b) 敏壓負(fù)載端三相電壓波形圖7 無功功率補(bǔ)償下公共端與敏壓負(fù)載端三相電壓對比

a) 負(fù)載電壓幅值波形

b) 變壓器輸出側(cè)有功功率波形

c) 變壓器輸出側(cè)無功功率波形圖8 無功功率補(bǔ)償下重要參數(shù)波形

由圖7和圖8可知：在0.10 s時(shí)，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓下降至原來的90%，此時(shí)負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之上升，再經(jīng)過近0.01 s時(shí)間恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.10 s時(shí)也出現(xiàn)短時(shí)間抖動(dòng)現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定為0。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.10 s處大幅提升，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定。

在0.15 s時(shí)，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓恢復(fù)至初始值，此時(shí)負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之上升，再經(jīng)過近0.01 s恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.15 s時(shí)也出現(xiàn)短時(shí)間抖動(dòng)現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定為0。變壓器輸出側(cè)無功功率在0.15 s處大幅下降，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定至最初值。

由此可知:在端電壓下降情況下，穩(wěn)壓器僅通過輸出無功功率使得負(fù)載端電壓在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至額定值，有功功率輸出保持為0，符合無功功率補(bǔ)償策略的要求。

3.2 有功功率補(bǔ)償模式仿真結(jié)果

將圖6的控制框圖在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，規(guī)定負(fù)載額定電壓為220 V，公共端(即電網(wǎng)處)電壓在0.10 s下降到初始值85%(超過無功補(bǔ)償范圍)，0.15 s后又恢復(fù)至初始值，各參數(shù)波形見圖9和圖10。

a) 壓敏負(fù)載公共端三相電壓波形

b) 敏壓負(fù)載端三相電壓波形圖9 有功補(bǔ)償下公共端與敏壓負(fù)載端三相電壓對比

a) 負(fù)載電壓幅值波形

b) 變壓器輸出側(cè)有功功率波形

c) 變壓器輸出側(cè)無功功率波形圖10 有功功率補(bǔ)償下重要參數(shù)波形

由圖9和圖10可知：在0.10 s時(shí)，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓下降至原來的85%，此時(shí)負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之下降，再經(jīng)過近0.01 s時(shí)間恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)無功功率在0.10 s時(shí)也出現(xiàn)短時(shí)間抖動(dòng)現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定在約72.3 Var。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.10 s處大幅提升，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定。

在0.15 s時(shí)，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓恢復(fù)至初始值，此時(shí)負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之上升，再經(jīng)過近0.01 s恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)無功功率在0.10 s時(shí)也出現(xiàn)短時(shí)間抖動(dòng)現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定在約72.3 Var。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.15 s處大幅下降，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定至最初值。

由此可知:在端電壓下降情況下，穩(wěn)壓器此時(shí)不僅輸出無功功率還輸出有功功率，無功功率自始至終除電壓變化瞬間有抖動(dòng)外始終保持不變，而負(fù)載端電壓穩(wěn)定在額定值則是通過輸出有功功率的變化來維持的，符合有功功率補(bǔ)償策略的要求。

4 結(jié)束語

在船舶電網(wǎng)波動(dòng)情況下，快速準(zhǔn)確地將電壓穩(wěn)定到額定值，對船舶負(fù)載尤其是計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等敏壓負(fù)載十分重要。針對船舶電網(wǎng)隨船舶工況變化而波動(dòng)的問題，參考陸地上DVR治理電壓跌落原理，提出無功功率補(bǔ)償策略和有功功率補(bǔ)償策略兩種適用于船舶敏壓負(fù)載的電壓補(bǔ)償策略。前者在一定電壓范圍內(nèi)，通過僅提供無功功率就可保證負(fù)載端恢復(fù)到額定值，后者則是通過有功功率和無功功率共同補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)負(fù)載端電壓恢復(fù)至額定值，并通過在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下的試驗(yàn)，證實(shí)在一定的電壓范圍內(nèi)，兩種方法均可實(shí)現(xiàn)在電壓波動(dòng)情況下，使負(fù)載端的電壓維持穩(wěn)定。