基于狀態(tài)反饋的船舶供電變流器柔性并/離網(wǎng)控制策略研究

吳 奕，王 躍，周振邦，彭 赟，胡景瑜

（中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

隨著電力電子以及數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，新能源或者混合動力推進(jìn)船舶的日用負(fù)載設(shè)備，如散熱風(fēng)機(jī)、水泵、照明負(fù)載、空調(diào)、廚房電器、娛樂電器等，越來越多地采用基于有源開關(guān)器件的變流器進(jìn)行供電[1]。新能源船舶在航行階段通過柴油發(fā)電機(jī)或動力電池經(jīng)供電變流器為船載負(fù)荷供電；但在船舶停泊階段，為降低噪聲和減少污染，柴油發(fā)電機(jī)會停止工作，需要由岸上交流電網(wǎng)直接為船載負(fù)荷供電（因動力電池續(xù)航時間有限）。因此，船舶供電變流器與岸電并/離網(wǎng)的柔性切換和功率轉(zhuǎn)移等控制性能將直接影響船舶系統(tǒng)供電的連續(xù)性和可靠性[2]。

目前，針對變流器在線并/離網(wǎng)柔性切換、功率轉(zhuǎn)移控制的研究和應(yīng)用主要集中在UPS、微電網(wǎng)以及新能源發(fā)電并網(wǎng)等領(lǐng)域[3-4]。文獻(xiàn)[5-7]基于虛擬同步機(jī)原理進(jìn)行并網(wǎng)控制，但由于變流器容量與電網(wǎng)供電容量有較大差異，功率轉(zhuǎn)移控制精確度欠佳。文獻(xiàn)[8]給出一種儲能逆變器和發(fā)電機(jī)間無縫切換的控制方法，但其需要為本地控制器增加上層控制單元，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[9-10]采用的控制方式需要預(yù)估調(diào)節(jié)器的輸出狀態(tài)或假設(shè)電流參考在控制模式切換前后保持不變，以避免切換過程中調(diào)節(jié)器超調(diào)和電流出現(xiàn)大幅振蕩現(xiàn)象，因而其無法適應(yīng)切換過程中存在的負(fù)載突變工況。

針對船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)中供電變流器在與岸電并/離網(wǎng)柔性切換和功率可控轉(zhuǎn)移中存在的困難，本文提出一種根據(jù)并/離網(wǎng)狀態(tài)反饋分別進(jìn)行電壓控制、電流給定模式切換控制的方法。其在離網(wǎng)模式下，采用輸出電壓閉環(huán)控制保證輸出電壓快速響應(yīng)；在并網(wǎng)模式下，采用電流給定跟蹤控制實現(xiàn)供電變流器與電網(wǎng)交互功率的可控轉(zhuǎn)移。最后，在某型混合動力船舶供電變流器上進(jìn)行仿真試驗，結(jié)果證明了本文所提柔性并/離網(wǎng)控制方法的正確性和有效性。

1 船舶直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)

1.1 直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

本文所用某型號混合動力船舶直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，該系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)整流器（標(biāo)號①）以及蓄電池儲能DC-DC變流器（標(biāo)號②）、日用負(fù)載供電變流器（標(biāo)號③）、推進(jìn)電機(jī)逆變器（標(biāo)號④）等不同類型變流器。各變流器直流側(cè)以直流母線（DC-Bus）作為公共連接點，發(fā)電機(jī)整流器和DC-DC變流器可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求實現(xiàn)單獨柴油發(fā)電機(jī)供電、純電池供電、岸電供電以及混合動力供電。

圖1 混合動力船舶直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)拓?fù)銯ig. 1 Topology of DC-grid converter system for hybrid electric ship

1.2 日用負(fù)載供電變流器拓?fù)?/h3>

日用負(fù)載供電變流器主電路拓?fù)淙鐖D2所示，包括三相橋式逆變器、濾波電感、濾波電容以及隔離變壓器。日用負(fù)載三相供電變流器將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成幅值、頻率可控的交流電壓，通過隔離變壓器輸出三相380 V工頻交流電給船舶日用負(fù)荷供電，通過隔離開關(guān)K實現(xiàn)與三相交流母線（AC-Bus）的連接與分?jǐn)唷?/p>

圖2 船舶日用負(fù)載供電變流器拓?fù)銯ig. 2 Topology of power supply converter for ship load

此外，供電變流系統(tǒng)可通過三相接線器（并網(wǎng)斷路器BK）與岸電交流電網(wǎng)并網(wǎng)，結(jié)合供電變流器并/離網(wǎng)控制策略，實現(xiàn)船舶靠岸期間日用負(fù)載在變流器供電和岸電電網(wǎng)供電之間的柔性切換以及不間斷供電。

2 供電變流器柔性并/離網(wǎng)控制

船舶日用負(fù)載供電變流器正常運行包括3種工作模式：離網(wǎng)模式、預(yù)同步模式以及并網(wǎng)模式。適用于不同工作模式下的整體控制策略原理如圖3(a)所示，其采用dq同步坐標(biāo)系下電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。其中va,vb,vc為abc三相靜止坐標(biāo)系下供電變流器輸出三相電壓；Vd,Vq分別為輸出電壓在dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸分量（經(jīng)坐標(biāo)變換后得到，下同）；ia,ib,ic為abc三相靜止坐標(biāo)系下供電變流器輸出三相電流，Id,Iq分別為供電變流器輸出電流在dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸分量；VGd,VGq分別為岸電電網(wǎng)電壓在dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸分量；θG,fG分別為經(jīng)數(shù)字鎖相得到的岸電電壓相位及頻率；θ*C,f0分別為供電變流器離網(wǎng)運行時的電壓相位及頻率給定值；Ts為數(shù)字控制周期；θ*Ctrl為用于數(shù)字控制、坐標(biāo)變換的實際相位角度；Vdref,Vqref分別為供電變流器在dq同步坐標(biāo)系下輸出電壓參考指令的d軸、q軸分量，Vderr,Vqerr為其相應(yīng)的誤差；Idref,Iqref分別為供電變流器在dq同步坐標(biāo)系下電流參考指令的d軸、q軸分量，Iderr,Iqerr為其相應(yīng)的誤差；ILd,ILq分別為負(fù)載電流在dq同步坐標(biāo)系下的d軸、q軸分量。Flag為并/離網(wǎng)狀態(tài)信號，開關(guān)K和BK均閉合時為并網(wǎng)狀態(tài)，F(xiàn)lag置1；否則為離網(wǎng)狀態(tài)，F(xiàn)lag置0。ud,uq分別為dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸雙閉環(huán)控制的輸出結(jié)果，其經(jīng)電壓前饋后得到d軸、q軸的控制量u*d,u*q，再經(jīng)坐標(biāo)變換得到αβ兩相靜止坐標(biāo)系下α軸、β軸的控制量u*α,u*β。u*α和u*β被送入SVPWM環(huán)節(jié)，得到供電變流器的PWM驅(qū)動脈沖，以控制供電變流器按照期望目標(biāo)運行。

圖3(b)中，左圖所示用于生成圖3(a)中的有功電壓參考幅值Vdref，右圖策略用于生成圖3(a)中dq變換的鎖相角θ*ctr1。

圖3(c)中的有功、無功電流參考值用于圖3(a)中功率轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)的有功、無功電流給定。

2.1 離網(wǎng)控制

離網(wǎng)模式下供電變流器為日用負(fù)載提供三相交流電壓，其中E和f0分別為供電變流器輸出交流母線電壓的額定幅值和頻率，電壓相位通過對固定頻率的積分得到，見式(1)。離網(wǎng)模式下供電變流器采用恒壓恒頻（constant voltage and constant frequency,CVCF）控制，其原理見圖3(b)。

2.2 預(yù)同步控制

預(yù)同步模式是指在并網(wǎng)前調(diào)節(jié)供電變流器的輸出電壓使之與岸電電網(wǎng)電壓同步，包括幅值同步和相位同步，以避免并網(wǎng)瞬間的電壓沖擊。預(yù)同步模式分為船舶靠岸和船舶離岸兩種情況。

（1）船舶靠岸。此時供電變流器處于正常運行狀態(tài)，但其輸出電壓幅值、相位與岸電電網(wǎng)的幅值、相位均可能存在差異。預(yù)同步就是使供電變流器輸出電壓（包括幅值和相位）與岸電電壓逐漸逼近直至相同的過程，對應(yīng)圖3(b)、圖3(c)中模式II-1。以電壓幅值的逼近為例（電壓相位的逼近方法與電壓幅值逼近類似，不再敘述）說明其執(zhí)行過程，電壓幅值逼近的控制原理為

圖3 船舶日用負(fù)荷供電變流器控制策略原理框圖Fig. 3 Block diagram of the control strategy for ship power supply converter

式中：ΔEsyn——疊加在E上的電壓幅值同步信號；kE——電壓幅值逼近的積分系數(shù)；s——積分算子。

（2）船舶離岸。船舶離岸前，供電變流器處于停機(jī)狀態(tài)，此時的預(yù)同步是指供電變流器啟動，交流母線電壓幅值從零漸增至與岸電電壓幅值相同（也稱零起升壓，對應(yīng)圖3(b)、圖3(c)中模式II-2），電壓相位則直接與岸電電壓相位保持同步。

2.3 柔性并/離網(wǎng)控制

船舶日用負(fù)載供電變流器在離網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式間的切換需要做到無電壓/電流沖擊的柔性切換（也稱無縫切換），以避免對元器件的損傷。供電變流器與岸電電網(wǎng)的柔性切換包括船舶靠岸時“帶載并網(wǎng)—卸載—離網(wǎng)—停機(jī)”以及船舶離岸時“零起升壓—空載并網(wǎng)—加載—離網(wǎng)帶載”兩種工況。

2.3.1 靠岸離/并網(wǎng)控制

船舶靠岸時供電變流器先處于帶載運行狀態(tài)，即輸出開關(guān)K為閉合狀態(tài)，并網(wǎng)開關(guān)BK為斷開狀態(tài)，如圖3(a)所示；經(jīng)過同步控制后，其輸出電壓與岸電電網(wǎng)電壓同步，具備無沖擊并網(wǎng)條件，此時閉合并網(wǎng)開關(guān)BK，完成與岸電并網(wǎng)。

并網(wǎng)瞬間，F(xiàn)lag置1，電流指令由電壓閉環(huán)控制電路計算值切換為給定電流值；鎖定并網(wǎng)前輸出電流并將其作為并網(wǎng)后給定電流指令初始值（Id_BK，Iq_BK），然后將有功電流指令漸變到零、無功電流指令漸變到濾波電容電流值（IC），即完成卸載（負(fù)載電流基本由岸電電網(wǎng)提供），具備無沖擊離網(wǎng)條件。

之后，斷開開關(guān)K，完成供電變流器與岸電電網(wǎng)分離。離網(wǎng)瞬間，F(xiàn)lag置0，電流指令由給定值（Idref=0，Iqref=IC）切換為電壓閉環(huán)控制計算值（d軸、q軸電壓環(huán)PI積分值分別初始化為0和IC）。供電變流器停機(jī)，完成船舶靠岸“帶載并網(wǎng)—卸載—離網(wǎng)—停機(jī)”的全過程。

2.3.2 離岸并/離網(wǎng)控制

船舶離岸時，供電變流器先處于停機(jī)狀態(tài)（輸出開關(guān)K斷開、并網(wǎng)開關(guān)BK閉合），經(jīng)過零起升壓后，其電壓與岸電電網(wǎng)電壓同步，供電變流器處于空載狀態(tài)，具備無沖擊并網(wǎng)條件，此后閉合開關(guān)K，即完成與岸電并網(wǎng)。

并網(wǎng)瞬間Flag置1，電流指令由電壓閉環(huán)控制計算值切換為給定電流值，鎖定并網(wǎng)前輸出電流作為并網(wǎng)后給定電流指令初始值（Id_BK,Iq_BK），此后將有功電流指令漸變到負(fù)載有功電流（ILd）、無功電流指令漸變到濾波電容電流值和負(fù)載無功電流之和（相量和）。至此，完成加載（負(fù)載電流基本由供電變流器提供），具備無沖擊離網(wǎng)條件。

此后，斷開并網(wǎng)開關(guān)BK，完成供電變流器與岸電電網(wǎng)離網(wǎng)。離網(wǎng)瞬間Flag置0，電流指令由給定值（Idref=ILd，Iqref=IC+ILq）切換為電壓閉環(huán)控制計算值（d軸、q軸電壓環(huán)PI積分值分別初始化為ILq和IC+ILq）。至此，完成船舶離岸時“零起升壓—空載并網(wǎng)—加載—離網(wǎng)帶載”的全過程。

3 仿真驗證

基于某型混合動力推進(jìn)船舶供電變流器平臺對本文所設(shè)計控制策略進(jìn)行仿真驗證，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要參數(shù)如表1所示。采用10 kV配電網(wǎng)經(jīng)降壓變壓器后的三相400 V電網(wǎng)模擬岸電交流電網(wǎng)，交流母線負(fù)載為三相阻感負(fù)載。

圖4 船舶供電變流器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of the experimental test system for ship power supply converter

表1 船舶供電變流器系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Tab. 1 Key parameters of the ship power supply converter system

3.1 離網(wǎng)運行

離網(wǎng)運行時，供電變流器應(yīng)為日用負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的三相交流電壓。供電變流器離網(wǎng)運行時，在穩(wěn)態(tài)工況下隔離變壓器后端交流母線電壓波形如圖5所示。諧波分析結(jié)果顯示，其輸出電壓總諧波畸變率（THD）小于1.5%，其中5次、7次諧波的含量分別小于0.5%和0.8%，50次附近諧波的含量均小于0.2%，表明該系統(tǒng)離網(wǎng)運行效果良好。

圖5 供電變流器交流母線電壓及其諧波頻譜Fig. 5 Output voltage of power supply converter and its harmonic spectrum

3.2 與岸電電壓預(yù)同步

圖6給出了供電變流器輸出電壓與岸電交流電網(wǎng)電壓預(yù)同步的仿真結(jié)果，其中vab為供電變流器隔離變壓器后端交流母線線電壓，vab_grid為交流岸電電網(wǎng)AB相間線電壓，Δvab為vab與vab_grid之差，θbus和θgrid分別為交流母線、岸電電網(wǎng)A相電壓相位。預(yù)同步過程中，交流母線電壓相位逐漸向岸電電壓相位靠近，Δvab逐漸減小，直至t0時刻完成同步（二者電壓相位一致、線電壓波形基本重合、Δvab近似為0）。整個過程耗時小于100 ms。

圖6 供電變流器與岸電交流電網(wǎng)預(yù)同步仿真結(jié)果Fig. 6 Simulation results of power supply converter output voltage presynchronizing with onshore AC grid

3.3 柔性并/離網(wǎng)

圖7為供電變流器與岸電交流電網(wǎng)并/離網(wǎng)過程中各電流的仿真結(jié)果，圖中自上而下分別是供電變流器模塊輸出電流icon、變壓器二次側(cè)與電網(wǎng)連接點輸出電流ipcc、岸電電網(wǎng)電流igrid、供電變流器濾波電容電流ifil、負(fù)載電流iload。仿真過程中，負(fù)載電流基本穩(wěn)定，其電流不平衡度小于5%；其他電流，根據(jù)并/離網(wǎng)狀態(tài)以及切換過程呈平滑變化態(tài)勢。

圖7 供電變流器與岸電交流電網(wǎng)柔性并/離網(wǎng)過程中各電流波形Fig. 7 Current waveforms in period of grid-connected/islanded seamless transfer between power supply converter and shore AC grid

岸電電壓、供電變流器輸出電壓/電流波形及其展開結(jié)果如圖8所示。并/離網(wǎng)全過程供電變流器輸出電壓無明顯波動或振蕩，輸出電流平滑變化，驗證了所研究方法的正確性和可行性。

圖8(b)表示圖8(a)中的并網(wǎng)加載過程，圖8(c)表示圖8(a)中的離網(wǎng)空載過程，可以看出，各個過程的切換平穩(wěn)正常。

圖8 供電變流器與岸電交流電網(wǎng)柔性并/離網(wǎng)仿真結(jié)果Fig. 8 Simulation results of grid-connected/ islanded seamless transfer between power supply converter and shore AC grid

4 結(jié)語

針對大容量船舶日用負(fù)載供電變流器，本文提出一種供電變流器與岸電電網(wǎng)并/離網(wǎng)的柔性切換控制方法。其根據(jù)并/離網(wǎng)狀態(tài)反饋分別進(jìn)行電壓控制、電流給定的模式切換控制，離網(wǎng)模式下采用輸出電壓閉環(huán)控制，以保證輸出電壓快速響應(yīng)；并網(wǎng)模式下采用電流給定跟蹤控制，以實現(xiàn)供電變流器與電網(wǎng)交互功率的可控轉(zhuǎn)移。

仿真結(jié)果表明：船舶靠岸時，在供電變流器與岸電電網(wǎng)預(yù)同步過程中，該控制方法能夠較快地使兩個電壓達(dá)到一致；在柔性并/離網(wǎng)的過程中也能使供電變流器輸出電壓無明顯波動或振蕩，輸出電流平滑變化。由此驗證了所提控制方法的正確性和有效性。

由于本文所提控制方法有較多的控制參數(shù)需要整定，會對系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度造成一定的影響，后續(xù)工程應(yīng)用時需對控制系統(tǒng)進(jìn)行精簡。