基于虛擬同步機(jī)技術(shù)的船舶岸電電源控制策略

繆新招，黎洪光，彭靈利，黃雅莉，劉 丹，李冠發(fā)，李美依，黃文燾

（1.廣州南沙供電局，廣東 廣州 5114400；2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

引言

船舶在港口?？繒r，船舶輔助發(fā)電機(jī)常燃燒重油發(fā)電，但是低效率的柴油發(fā)電機(jī)會排放出大量的空氣污染物，同時會對碼頭附近造成較為嚴(yán)重的噪聲污染。岸電技術(shù)作為一種電能替代技術(shù)，使船舶靠港時使用陸地電源供電，停止使用燃油輔機(jī)供電以降低其對港口及周邊環(huán)境的污染。

現(xiàn)今我國港口和船舶電網(wǎng)頻率皆為50 Hz，而國外船舶不像國內(nèi)船舶電網(wǎng)采用50 Hz交流電，而是大多采用60 Hz交流電，為解決外國船舶?？科陂g無法使用國內(nèi)港口岸電電源的情況，就需要研究適合此種場景的岸電變頻技術(shù)。岸電電源作為雙頻岸電的核心器件，其優(yōu)異的控制效果對岸電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。岸電電源在不同運(yùn)行工況下控制策略也需要做相應(yīng)的調(diào)整，這種調(diào)整主要體現(xiàn)在岸電電源逆變器的外環(huán)控制環(huán)節(jié)。下垂控制[1]通過有功功率-電壓相角、無功功率-電壓幅值控制，可以模仿同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)特性，降低船舶電網(wǎng)并入岸電電源時對船舶電網(wǎng)的沖擊，同時有效實現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)移。下垂控制僅依靠檢測本地信息即可實現(xiàn)[2]，且可以在船舶并入及船舶退出模式間直接切換[3]，避免模式切換的暫態(tài)振蕩，易于實現(xiàn)船舶靈活接入岸電[4,5]。但是，下垂控制的岸電電源不能給岸電系統(tǒng)貢獻(xiàn)慣性，對系統(tǒng)故障較為敏感，在船舶上的電機(jī)負(fù)載、大型泵組啟停時，會對船舶電網(wǎng)造成沖擊，引起電網(wǎng)振蕩。穩(wěn)定性不足。

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)（Virtual Synchronous Generator Technology，VSG）[6]可以使岸電電源具有旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼特性，這些特性在同步發(fā)電機(jī)中是存在的，該技術(shù)在提高系統(tǒng)穩(wěn)定性上有較好的效果[7]。文獻(xiàn)[8]設(shè)計了一種新型整體控制策略，它基于VSG，使電源具有了調(diào)頻調(diào)壓和功率控制功能。

如果能夠根據(jù)運(yùn)行工況自適應(yīng)變化而自行調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)而非將阻尼系數(shù)固定，就可以給控制系統(tǒng)更優(yōu)秀的動態(tài)特性。因此，本文使用小信號分析模型研究阻尼控制系數(shù)對系統(tǒng)阻尼特性的影響，進(jìn)而制定了岸電電源自適應(yīng)阻尼控制策略。在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，對固定阻尼系數(shù)和自適應(yīng)阻尼系數(shù)兩種控制策略進(jìn)行了分析與比較。

1 虛擬同步電機(jī)技術(shù)控制方案

虛擬慣性頻率控制這一 VSG控制模型最早是由學(xué)者F Gao提出的[9]。該模型的優(yōu)勢在于逆變器在外特性上均表現(xiàn)為電壓源，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)方案的基礎(chǔ)之上，本文對頻率控制、電壓控制以及內(nèi)環(huán)控制三方面分別進(jìn)行改進(jìn)。

基于VSG技術(shù)的岸電電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。為了分析的方便，本文將岸電電源整流側(cè)等效為恒壓源Ud，著重分析采用虛擬同步電機(jī)技術(shù)的逆變側(cè)。有功功率及無功功率設(shè)定參考值Pref和Qref由中央控制器發(fā)出，通過計算，VSG模塊形成機(jī)端參考電壓幅值E以及相位角θ，進(jìn)一步將指令發(fā)送給三相正弦發(fā)生器，實時調(diào)整岸電電源輸出功率。

圖1 基于VSG的岸電電源模型及其控制結(jié)構(gòu)框架

2 基于VSG的頻率與電壓優(yōu)化控制策略

2.1 頻率模塊優(yōu)化控制

本質(zhì)上虛擬同步發(fā)電機(jī)是逆變電源，但它又與實際的同步發(fā)電機(jī)不同，因為其控制結(jié)構(gòu)中沒有測速器、調(diào)速器等，因此需要設(shè)計功率調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)模擬這個功能。

轉(zhuǎn)子機(jī)械方程為：

式中：H為VSG的虛擬慣量常數(shù)；P為VSG控制下岸電電源端口輸出有功；Pm為輸入的機(jī)械功率。

為了使岸電電源能夠根據(jù)有功功率變化對系統(tǒng)頻率作調(diào)整，需引入下垂控制關(guān)系：

式中：D為有功下垂系數(shù)；Pref和ωref為輸出側(cè)的參考有功功率以及角速度。

另外，為更好地模擬同步發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)軸而增加阻尼項kk(ωr-ωgrid)，其中k為阻尼控制系數(shù)，傳遞函數(shù)為：

頻率控制部分如圖2所示。系統(tǒng)不斷檢測實時船舶電網(wǎng)頻率，結(jié)合中央控制器發(fā)出的有功參考值，根據(jù)計算偏差對輸出頻率做相應(yīng)調(diào)整，給出岸電電源相位角指令。

圖2 頻率控制

2.2 電壓模塊優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)虛擬慣性頻率控制中電壓電壓輸出指令包括ED和EQ兩個部分。ED為電壓無功下垂指令：

式中：Q為 VSG控制下岸電電源端口輸出的無功功率；DQ為無功下垂因子；Eset為機(jī)端電壓參考值。

EQ為無功功率誤差調(diào)節(jié)指令：

式中：kQ為積分參數(shù)；Qref為無功輸出參考值。

為了使船舶并網(wǎng)運(yùn)行時，無功功率的調(diào)節(jié)更加精確，本文通過引入比例積分（PI）環(huán)節(jié)來減小因無功功率偏差所造成的輸出電壓波動。本文的優(yōu)化控制方法下岸電電源的參考電壓形式為：

圖3為優(yōu)化控制策略。PI控制器下無功響應(yīng)速度很快，當(dāng)岸電系統(tǒng)受到擾動時，控制結(jié)構(gòu)可以快速響應(yīng)調(diào)節(jié)，經(jīng)一定時間后系統(tǒng)可穩(wěn)定至新的工作點。

圖3 優(yōu)化控制策略

3 基于VSG岸電電源內(nèi)環(huán)優(yōu)化控制策略

基于 VSG的岸電電源頻率以及有功功率、無功功率是最重要的輸出電量，控制策略必須要保證這三個電量輸出的穩(wěn)定性以及較高的控制精度。本文在控制結(jié)構(gòu)上，采用電壓電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過岸電電源輸出端實時采樣反饋控制效果，以反饋偏差更新控制指令，使輸出變量趨于穩(wěn)定。傳統(tǒng)逆變器電壓電流內(nèi)環(huán)控制的主要目的是及時準(zhǔn)確地跟隨上層控制器的控制指令，并能根據(jù)系統(tǒng)實際電壓電流進(jìn)行更細(xì)致的調(diào)節(jié)。在基于 VSG的岸電電源優(yōu)化控制中，電壓電流內(nèi)環(huán)控制需要跟隨上層VSG算法給出的電壓、相位指令，并根據(jù)反饋進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

圖4為基于dq0坐標(biāo)系的控制結(jié)構(gòu)。這里電壓電流控制器采用整體控制特性較好的比例積分控制。比例控制能迅速反應(yīng)變量所產(chǎn)生的誤差，積分控制則可以彌補(bǔ)比例控制無法消除的靜態(tài)誤差。合理的控制系數(shù)可以提升系統(tǒng)整體的動態(tài)性能，并且使得穩(wěn)態(tài)誤差為零。

圖4 dq0坐標(biāo)系中岸電電源電壓電流控制器結(jié)構(gòu)

4 自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制

結(jié)合岸電電源與同步發(fā)電機(jī)之間的等效關(guān)系和式（4），得到岸電電源有功輸出輸入的傳遞函數(shù)如式（8）所示：

二階模型的自然振蕩角頻率ωn和阻尼系數(shù)ζ也可以得出。

觀察阻尼系數(shù)表達(dá)式可得出結(jié)論，阻尼控制系數(shù)可以直接影響系統(tǒng)的時域特性。具體表現(xiàn)為，阻尼控制系數(shù)數(shù)值較小時系統(tǒng)階躍響應(yīng)呈現(xiàn)出振蕩衰減態(tài)勢。當(dāng)阻尼控制系數(shù)數(shù)值變大時系統(tǒng)階躍響應(yīng)呈現(xiàn)出無超調(diào)單調(diào)上升態(tài)勢。阻尼控制系數(shù)數(shù)值繼續(xù)變大時，系統(tǒng)階躍響應(yīng)雖然與前一種狀態(tài)相似同為無超調(diào)單調(diào)上升，但后者響應(yīng)更慢。

前文給出了阻尼控制系數(shù)如何影響系統(tǒng)的阻尼特性，可以得到采用本文提出的自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制后阻尼控制系數(shù)k與岸電電源有功功率輸出P關(guān)系如圖5，該關(guān)系滿足式（11）。有功輸出小于設(shè)定值越嚴(yán)重，阻尼控制系數(shù)越小，系統(tǒng)響應(yīng)速度變快；有功輸出大于設(shè)定值越嚴(yán)重，阻尼控制系數(shù)k越大，系統(tǒng)超調(diào)減小，這樣才能使有功偏移保持較低水平。而當(dāng)有功輸出與設(shè)定值的偏差足夠大，即大于某一設(shè)定值時，阻尼控制系數(shù)將不再隨著偏差增大而增大。

圖5 k-P關(guān)系曲線

5 仿真驗證

5.1 系統(tǒng)參數(shù)

PSCAD/EMTDC仿真平臺中VSG逆變型岸電電源控制結(jié)構(gòu)（圖1）仿真中，岸電電源整流側(cè)等效的恒壓源1.6kV，儲能電容 150 μF，濾波電感1 mH，電容400μF。微網(wǎng)線路電壓等級為380V。自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制中k1=0.02，k2=0.04，α=0.05，β=0.015。

本文將自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制結(jié)構(gòu)與固定應(yīng)阻尼系數(shù)控制進(jìn)行對比仿真。仿真設(shè)定船舶接入岸電系統(tǒng)運(yùn)行0 s時岸電電源功率突增，有功從由0增加至0.3 MW，無功從0增加至0.1 MVar。5 s后船舶負(fù)荷突增，船舶負(fù)荷有功從0.3 MW增加0.9 MW到達(dá)1.2 MW，無功從0.1 MVar增加0.3 MVar到達(dá)0.4 MVar，但岸電電源輸出指令不變，始終為有功0.3 MW，無功0.1 MVar。

5.2 算法對比

圖6 岸電電源有功功率響應(yīng)曲線

圖7 岸電電源無功功率響應(yīng)曲線

圖8 岸電電源頻率響應(yīng)曲線

固定阻尼系數(shù)控制下，當(dāng)阻尼系數(shù)較小時，岸電電源有功輸出響應(yīng)較快，但波動較大，輸出有功在經(jīng)歷了幾次超調(diào)后浮動于參考值附近，最終趨于穩(wěn)定；當(dāng)阻尼控制系數(shù)數(shù)值較大時，輸出有功幾次超調(diào)后顯著減低，但岸電電源輸出響應(yīng)較慢，穩(wěn)定時間較長。

而采用自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制后，輸出有功小于有功設(shè)定值時，阻尼控制系數(shù)k較小，系統(tǒng)能以更快的速度響應(yīng)，而當(dāng)有功大于有功設(shè)定值時，阻尼控制系數(shù)較大，系統(tǒng)超調(diào)減弱。采用自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制后，岸電系統(tǒng)輸出有功動特性明顯增強(qiáng)，無功和頻率特性兩種性能對比于固定阻尼系數(shù)也得到了增強(qiáng)。

綜上，采用自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制的岸電電源輸出特性更為優(yōu)良，能夠更好的應(yīng)對系統(tǒng)出現(xiàn)的干擾，保持輸出穩(wěn)定，且具有更強(qiáng)的動態(tài)特性。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于 VSG的船舶岸電電源自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制策略。該控制基于虛擬慣性頻率控制方案，對岸電電源有功頻率控制、無功電壓控制以及電壓電流環(huán)控制分別進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。阻尼控制系數(shù)的數(shù)值大小對系統(tǒng)輸出具有重大影響，本文通過小信號模型對其進(jìn)行分析獲得其具體影響，以自適應(yīng)阻尼系數(shù)應(yīng)對系統(tǒng)功率波動。自適應(yīng)阻尼系數(shù)控制方案增加了控制的靈活性，加強(qiáng)了岸電系統(tǒng)動態(tài)特性。最后，在 PSCAD/EMTDC建模仿真，證明了本文所提方法的有效性。