船舶并網(wǎng)逆變器無(wú)功補(bǔ)償?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略

侯星星， 高 嵐， 徐合力

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

隨著化石能源的不斷消耗及其造成的環(huán)境污染不斷增大，船舶上已開(kāi)始使用太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源為船舶提供所需電能。然而隨著新能源發(fā)電系統(tǒng)引入到船舶中，電力電子裝置也隨之增加，給易受干擾的船舶電網(wǎng)帶來(lái)更大的影響。[1-2]

在船舶用電設(shè)備中存在大量阻感性負(fù)載，如變壓器和異步電動(dòng)機(jī)等，這些負(fù)載會(huì)使電網(wǎng)電壓波動(dòng)增加[3]，如果無(wú)功功率不足，將會(huì)加速用電設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性。無(wú)功功率平衡是保證電網(wǎng)電能質(zhì)量的基本前提，本文從無(wú)功補(bǔ)償?shù)慕嵌葋?lái)提高電網(wǎng)功率因數(shù)，保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。由于船舶在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)三相不平衡的情況，因此本研究以三相不平衡電網(wǎng)為基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)的船舶電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償方式有同步調(diào)相機(jī)方法、晶閘管投切電容器和靜止無(wú)功發(fā)生器等方式，但這些裝置存在成本高、噪聲大和體積大等問(wèn)題。[4-5]由于船舶并網(wǎng)逆變器是新能源并入電網(wǎng)的核心[6]，具有調(diào)節(jié)入網(wǎng)電能質(zhì)量、控制有功和無(wú)功的特點(diǎn)，在電路結(jié)構(gòu)上與靜止無(wú)功發(fā)生器具有很大相似性[7]，因此對(duì)并網(wǎng)逆變器控制策略進(jìn)行研究，使其具有無(wú)功補(bǔ)償功能。

文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]初步研究單相的分布式發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的諧波補(bǔ)償和無(wú)功補(bǔ)償控制，但在三相系統(tǒng)中沒(méi)有應(yīng)用。文獻(xiàn)[10]根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論設(shè)計(jì)一種具有無(wú)功補(bǔ)償功能的三相并網(wǎng)逆變器，但該設(shè)計(jì)方法是在電網(wǎng)三相平衡條件下推導(dǎo)的，不平衡電網(wǎng)沒(méi)有應(yīng)用到。文獻(xiàn)[11]根據(jù)船舶電網(wǎng)的特性，設(shè)計(jì)一種適用于新能源船舶的多功能并網(wǎng)逆變器，但對(duì)不平衡電流的補(bǔ)償沒(méi)有詳細(xì)介紹。

本文以并網(wǎng)逆變器的瞬時(shí)功率特性為基礎(chǔ)，提出一種不斷改變負(fù)序基波分量比重的控制方法。該控制策略能實(shí)現(xiàn)功率與并網(wǎng)電流的協(xié)調(diào)控制，可以減少瞬時(shí)無(wú)功功率的波動(dòng)，提高功率因數(shù)，在電網(wǎng)不平衡的情況下實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。

1 船舶并網(wǎng)逆變器無(wú)功補(bǔ)償原理

船舶并網(wǎng)逆變器是船舶新能源向船舶電網(wǎng)輸送電能的核心裝置。船舶新能源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。新能源可以是太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)或蓄電池等，通過(guò)逆變器完成直流電到交流電的變換，利用濾波器去除逆變后電流的諧波成分，最終輸送給船舶電網(wǎng)。逆變器所需要的無(wú)功指令來(lái)自于無(wú)功檢測(cè)裝置，為方便分析，令有功指令值為一固定值，從而使并網(wǎng)逆變器在傳送有功功率的同時(shí)發(fā)出無(wú)功功率，達(dá)到電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖1 船舶新能源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶并網(wǎng)逆變器有電壓源型橋式逆變器和電流源型橋式逆變器2種[12]，這里采用電壓源型，用矢量圖對(duì)其輸出無(wú)功功率進(jìn)行分析，為方便分析，以一相為例進(jìn)行闡述。在無(wú)功補(bǔ)償模式下的逆變器并網(wǎng)等效電路見(jiàn)圖2，可寫(xiě)為

(1)

圖2 逆變器并網(wǎng)等效電路 a) 電流超前b) 電流滯后圖3 逆變器電壓與電網(wǎng)電壓矢量關(guān)系

(2)

當(dāng)δ<5°時(shí)，P和Q可近似寫(xiě)為

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可知:當(dāng)δ>0時(shí)，P>0，即逆變器向電網(wǎng)提供有功功率；當(dāng)δ<0時(shí)，逆變器需要從電網(wǎng)側(cè)吸收能量來(lái)維持母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)Us0，逆變器向電網(wǎng)輸送無(wú)功功率；當(dāng)Us>Ug時(shí)，逆變器需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率。

由上述分析可知：當(dāng)電網(wǎng)電壓與逆變器輸出電壓相位差很小時(shí)，逆變器主要發(fā)出無(wú)功功率，輸出無(wú)功大小由Us與Ug的幅值差決定，因此，可通過(guò)控制逆變器輸出電壓的幅值大小來(lái)控制逆變器輸出無(wú)功的大小，根據(jù)電網(wǎng)所需無(wú)功對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。

2 控制策略

逆變器作為新能源發(fā)電系統(tǒng)并入船舶電網(wǎng)的關(guān)鍵部件，其控制技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注。在逆變器控制中廣泛使用直接電流控制方法[13]，以對(duì)目標(biāo)電流的瞬態(tài)跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)性能良好，控制精度高，本文也采用該方法對(duì)逆變器進(jìn)行控制。利用逆變器對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，一方面以電網(wǎng)所需功率為基礎(chǔ)，輸出合適大小的無(wú)功功率，另一方面需要得到精準(zhǔn)的并網(wǎng)電流指令，準(zhǔn)確控制逆變器動(dòng)作。

2.1 無(wú)功功率計(jì)算

對(duì)船舶負(fù)載進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，以檢測(cè)負(fù)載無(wú)功功率的大小基礎(chǔ)。瞬時(shí)無(wú)功功率理論是檢測(cè)電網(wǎng)無(wú)功的有效方式[14]，但由于在三相不平衡情況下，該理論檢測(cè)出的無(wú)功功率包含正序無(wú)功與負(fù)序無(wú)功，為避免加劇電網(wǎng)不平衡程度，只對(duì)正序無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算式為

(5)

式(5)中：U1和I1分別為三相電網(wǎng)電壓和電流的正序分量幅值;γ為三相電網(wǎng)電壓與電流正序分量的相位夾角。

2.2 并網(wǎng)指令控制

在不平衡電網(wǎng)下，如果采用傳統(tǒng)控制方案，直接將負(fù)載所需無(wú)功電流傳給逆變器，將會(huì)使并網(wǎng)電流含有諧波和負(fù)序分量，也會(huì)引起逆變器輸出瞬時(shí)功率不平衡，影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行，需要采用新的控制策略。

在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)逆變器控制，對(duì)于船舶的三相三線制電力系統(tǒng)，不存在零序電流，因而可以忽略零序電壓干擾[15]，假設(shè)三相不平衡電流中的正、負(fù)序基波分量分別和三相不平衡電網(wǎng)電壓中的正、負(fù)序基波分量同頻同相，則并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)的復(fù)功率S為

(6)

對(duì)式(6)進(jìn)行整理運(yùn)算可得

(7)

式(7)中：P0、Q0分別為瞬時(shí)有功和無(wú)功功率平均值；Pc2、Ps2分別為瞬時(shí)有功功率的2次余弦、正弦幅值；Qc2、Qs2分別為瞬時(shí)無(wú)功功率的2次余弦、正弦幅值。其表達(dá)式為

(8)

根據(jù)逆變器瞬時(shí)功率特性可知：在不平衡條件下，逆變器可以采用正序電流控制,瞬時(shí)有功恒定控制和瞬時(shí)無(wú)功恒定控制等3種控制策略。

2.2.1正序電流控制

(9)

對(duì)式(9)進(jìn)行整理可得并網(wǎng)控制指令電流

(10)

式(10)中：下標(biāo)ref表示該變量的參考值。由于在進(jìn)行正序電流控制時(shí)只考慮有功功率和無(wú)功功率的平均值，因而可以發(fā)現(xiàn)該控制方式存在瞬時(shí)有功與瞬時(shí)無(wú)功的2倍頻波動(dòng)。若控制系統(tǒng)要求瞬時(shí)功率恒定，則這種控制策略就無(wú)法滿足控制要求。

2.2.2瞬時(shí)有功恒定控制

瞬時(shí)有功恒定控制即需要抑制瞬時(shí)有功功率的2倍頻波動(dòng)，保證P(t)穩(wěn)定在平均值P0附近，此時(shí)可令Pc2=Ps2=0，對(duì)式(8)進(jìn)行運(yùn)算整理可得

(11)

可得到該控制策略下的并網(wǎng)控制指令電流為

(12)

對(duì)式(12)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中并網(wǎng)電流存在負(fù)序分量，即為抑制瞬時(shí)有功功率的波動(dòng)，三相并網(wǎng)電流需保持不平衡。該控制策略雖然滿足系統(tǒng)有功功率恒定的要求，但是存在并網(wǎng)電流不平衡和無(wú)功功率2倍頻波動(dòng)的問(wèn)題。

2.2.3瞬時(shí)無(wú)功恒定控制

瞬時(shí)無(wú)功恒定控制就是要抑制瞬時(shí)無(wú)功功率的2倍頻波動(dòng)，使Q(t)穩(wěn)定在平均值Q0附近，與瞬時(shí)有功恒定控制類似，令Qc2=Qs2=0，則式(8)可改寫(xiě)為

(13)

對(duì)式(13)進(jìn)行整理可得并網(wǎng)控制指令電流

(14)

該控制策略消除了瞬時(shí)無(wú)功功率的2倍頻波動(dòng)，但卻引起瞬時(shí)有功功率的波動(dòng)，并且也無(wú)法保證三相并網(wǎng)電流的平衡性，仍然存在不足之處，需要加以改進(jìn)。

通過(guò)對(duì)這3種控制策略進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)無(wú)論哪一種控制方式都無(wú)法同時(shí)滿足并網(wǎng)電流、瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率的要求。同時(shí)，這3種控制策略是互相矛盾的，實(shí)現(xiàn)三相平衡正序電流控制，要以犧牲瞬時(shí)有功和無(wú)功功率波動(dòng)為代價(jià)。同樣，若要實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)有功或無(wú)功恒定，則要以三相并網(wǎng)電流幅值不平衡和另一功率波動(dòng)為代價(jià)。

2.2.4協(xié)調(diào)控制

雖然前3種控制策略之間是相互矛盾的，但通過(guò)仔細(xì)對(duì)比3種情況下的指令電流可發(fā)現(xiàn)，3者的區(qū)別主要在于負(fù)序指令電流分量的不同，因此可以通過(guò)改變負(fù)序指令分量的比重來(lái)實(shí)現(xiàn)這3種控制策略間的協(xié)調(diào)控制。

以保證有功功率穩(wěn)定為基礎(chǔ)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的研究，在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，不能將正負(fù)序指令電流直接進(jìn)行相加得到最終電流控制指令，可通過(guò)對(duì)q軸分量進(jìn)行處理，使其變到d軸方向，二者再進(jìn)行疊加即可。處理方式為

(15)

(16)

由式(16)可知：當(dāng)λ=0時(shí)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的正序恒定控制；當(dāng)λ=1時(shí)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的有功功率恒定控制；當(dāng)λ=-1時(shí)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的有功功率恒定控制。改變?chǔ)说闹当憧蓪?shí)現(xiàn)不同的控制目標(biāo)。

2.3 正負(fù)序基波分量提取

在并網(wǎng)控制指令中需要用到電網(wǎng)電壓的正負(fù)序基波分量，先通過(guò)分析在αβ坐標(biāo)系下的提取方法，再變換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下。在三線制船舶電力系統(tǒng)中不平衡電網(wǎng)電壓可寫(xiě)為

(17)

將uα和uβ滯后90°，得到

(18)

對(duì)式(17)和式(18)進(jìn)行合并整理，運(yùn)算可得到電網(wǎng)電壓正負(fù)序基波分量

(19)

(20)

根據(jù)上述分析，可得到逆變器控制方法示意見(jiàn)圖4，通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)所需無(wú)功功率，根據(jù)控制要求選取合適的λ，控制逆變器輸出想要的功率和電流。

圖4 逆變器控制方法示意

3 仿真試驗(yàn)

在MATLAB/SIMULINK仿真平臺(tái)上搭建模型，仿真模型參數(shù)見(jiàn)表1。

3.1 無(wú)功檢測(cè)性能仿真

為模擬三相不平衡條件，0.05 s時(shí)在380 V三相交流電壓上疊加8%的負(fù)序三相電壓，觀察試驗(yàn)結(jié)果。電網(wǎng)電壓波形圖見(jiàn)圖5，在0.05 s時(shí)發(fā)生明顯的三相不平衡現(xiàn)象，A相電壓升高，B相和C相電壓降低。

表1 仿真模型參數(shù)

圖5 三相不平衡電網(wǎng)電壓波形圖

提取的電網(wǎng)電壓在坐標(biāo)系下的正負(fù)序基波分量分別見(jiàn)圖6a和圖6b，在理想電網(wǎng)和非理想電網(wǎng)下經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期，d軸與q軸的正負(fù)序基波分量都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，0.05 s之后，d軸負(fù)序分量為24.82 V，正序分量是311 V，負(fù)序分量是正序分量的8%，與設(shè)置的電網(wǎng)電壓正負(fù)序比例相同，說(shuō)明正負(fù)序基波分量提取方法的正確性。

a) 三相電壓正序基波分量b) 三相電壓負(fù)序基波分量

圖6 電網(wǎng)電壓正負(fù)序基波分量

檢測(cè)出的正序無(wú)功功率見(jiàn)圖7，在0.05 s發(fā)生不平衡時(shí)，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期以后穩(wěn)定在24 kVar，與仿真設(shè)定值相同，說(shuō)明所使用的正序無(wú)功檢測(cè)方法是可行的，具有良好的動(dòng)態(tài)性。

3.2 無(wú)功補(bǔ)償性能仿真

為實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶感性負(fù)載的無(wú)功補(bǔ)償，并且保證并網(wǎng)電流的穩(wěn)定，令λ從[-1，1]逐漸遞增，觀察逆變器輸出并網(wǎng)電流的波形。λ的變化波形圖見(jiàn)圖8；利用協(xié)調(diào)控制策略計(jì)算出的并網(wǎng)電流指令見(jiàn)圖9；三相并網(wǎng)電流和逆變器并入電網(wǎng)的瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率見(jiàn)圖10和圖11。

圖7 瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)值圖8 λ變化波形圖

a) d軸并網(wǎng)電流指令

b) q軸并網(wǎng)電流指令

圖10 三相并網(wǎng)電流

a) 瞬時(shí)有功功率

b) 瞬時(shí)無(wú)功功率

從仿真結(jié)果可知：隨著λ從-1接近于0，瞬時(shí)無(wú)功功率2倍頻波動(dòng)越來(lái)越明顯，從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定，而三相并網(wǎng)電流從開(kāi)始的不平衡狀態(tài)變到平衡；隨著λ從0接近于1，瞬時(shí)有功功率的2倍頻波動(dòng)越來(lái)越小，逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，三相并網(wǎng)電流則從三相平衡過(guò)渡為不平衡狀態(tài)。

電網(wǎng)功率因數(shù)的變化曲線見(jiàn)圖12，在理想電網(wǎng)情況下(前0.05 s)，經(jīng)過(guò)無(wú)功補(bǔ)償后電網(wǎng)功率因數(shù)為1，0.05 s疊加負(fù)序電壓后，隨著λ從[-1，1]內(nèi)趨近于1，電網(wǎng)功率因數(shù)越來(lái)越偏離于1，在λ=-1時(shí)電網(wǎng)功率因數(shù)最高，說(shuō)明逆變器此時(shí)補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功效果最好。

圖12 電網(wǎng)功率因數(shù)變化曲線

從上述分析可知：通過(guò)改變系數(shù)λ的值，可實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。在船舶逆變器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，將λ控制在[-1.0，-0.5]，此時(shí)逆變器發(fā)出瞬時(shí)無(wú)功功率波動(dòng)小，且三相并網(wǎng)電流在額定電流范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，其諧波畸變率為2.57%，小于5%，符合電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證本文方法的有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種在電網(wǎng)不平衡情況下船舶并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗裕瑱z測(cè)船舶負(fù)載所需無(wú)功功率作為無(wú)功功率的平均值，根據(jù)并網(wǎng)逆變器在坐標(biāo)系下的瞬時(shí)功率特性，通過(guò)改變電流指令中的負(fù)序基波分量比例，使逆變器協(xié)調(diào)控制輸出功率與并網(wǎng)電流。仿真結(jié)果表明：本文提出的控制策略能有效抑制不平衡電網(wǎng)下的逆變器輸出功率波動(dòng)和并網(wǎng)電流幅值不平衡，可以治理電網(wǎng)三相不平衡問(wèn)題，提高船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶負(fù)載的無(wú)功補(bǔ)償。