船舶與岸電并網(wǎng)控制策略分析*

張 成高 鍵蘇 貞

（1.江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003）（2.江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院 鎮(zhèn)江 212003）

1 引言

岸電技術(shù)是利用陸上電源代替船舶電站為靠港停泊的船舶提供所有的工作和生活用電的技術(shù)，從而控制對(duì)港口的生態(tài)環(huán)境的污染和降低噪聲污染。隨著港口排放要求日趨嚴(yán)格，為了減少?gòu)U氣排放及降低環(huán)境污染等，岸電技術(shù)迎來(lái)了快速發(fā)展。從資源節(jié)約和經(jīng)濟(jì)角度考慮，船舶岸電系統(tǒng)是最好的選擇。船舶技術(shù)的關(guān)鍵之一是并網(wǎng)技術(shù)，在國(guó)內(nèi)大部分民用船舶未使用岸電或者沒(méi)有進(jìn)行設(shè)備改進(jìn)，這不符合國(guó)家對(duì)港口發(fā)展的要求和生態(tài)保護(hù)，因?yàn)榘峨姴⒕W(wǎng)穩(wěn)定性差，在并網(wǎng)的過(guò)程中可能存在極大的沖擊電流、電壓振蕩和頻率不穩(wěn)定的問(wèn)題，可能導(dǎo)致船岸正常運(yùn)行的設(shè)備的損壞以及并網(wǎng)失敗，造成嚴(yán)重的損失。

在目前的岸電系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀中，文獻(xiàn)［1～3］提出了岸電系統(tǒng)研究和應(yīng)用中存在的實(shí)際問(wèn)題，為未來(lái)的研究說(shuō)明了主要的方向；文獻(xiàn)［4～6］提出了岸電系統(tǒng)岸上電源如何實(shí)現(xiàn)無(wú)縫并網(wǎng)的方法，分別從設(shè)備選擇、電源構(gòu)成方式、電源類型作出了說(shuō)明。在上述的文獻(xiàn)中，主要的是對(duì)岸電技術(shù)中存在的問(wèn)題和方案選擇提出的設(shè)想，沒(méi)有通過(guò)理論和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［7～8］提出了分別在下垂控制中加入一階慣性環(huán)節(jié)和虛擬慣性環(huán)節(jié)，通過(guò)此方法解決功率在并網(wǎng)時(shí)刻的穩(wěn)定性的問(wèn)題，但是由于穩(wěn)態(tài)靜差的存在，無(wú)法在保證并網(wǎng)及發(fā)電機(jī)組退出后電能質(zhì)量電壓和頻率的穩(wěn)定。文獻(xiàn)［9］提出一種岸電功率優(yōu)化方法，其結(jié)合岸電綜合管理系統(tǒng)，采用預(yù)同步和分階段控制解決并網(wǎng)時(shí)沖擊功率的問(wèn)題。文獻(xiàn)［10～14］提出滑模變結(jié)構(gòu)控制在光伏等并網(wǎng)中的應(yīng)用，分析研究了并網(wǎng)中功率以及功率因數(shù)低的問(wèn)題。在上述文獻(xiàn)中，研究對(duì)象主要是并網(wǎng)功率從功率因數(shù)、大沖擊功率等研究并網(wǎng)中功率問(wèn)題，沒(méi)有研究并網(wǎng)過(guò)程中電能質(zhì)量電壓和頻率的問(wèn)題，同時(shí)造成并網(wǎng)失敗的原因還有大沖擊電流的問(wèn)題。

為了研究如何控制岸電并網(wǎng)中的電壓和頻率的穩(wěn)定性，以及如何避免產(chǎn)生大沖擊電流，換言之也是沖擊功率。在上述研究基礎(chǔ)上從電能質(zhì)量角度出發(fā)，本文提出一種基于RBF自適應(yīng)控制及改進(jìn)滑?？刂频目刂品椒?，通過(guò)此方法檢測(cè)優(yōu)化船側(cè)和岸側(cè)的電壓、頻率，提高并網(wǎng)過(guò)程中電壓、頻率的穩(wěn)定性，避免極大沖擊電流的產(chǎn)生，保證船舶與岸電并網(wǎng)的可靠性。

2 船舶岸電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器建模

船舶岸電系統(tǒng)由岸基供電系統(tǒng)、船岸連接系統(tǒng)以及船載受電系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中，岸基供電系統(tǒng)主要是岸基變頻電源，結(jié)構(gòu)包括整流和逆變等；船岸連接系統(tǒng)分不同電壓等級(jí)、

圖1 岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

不同船舶類型上船方式不同，大型遠(yuǎn)洋貨輪采用高壓上船、其他散貨船主要以低壓上船為主；船載受電系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)與岸電的并網(wǎng)，采用不斷電并網(wǎng)的方式連接，如何控制岸基電源與船舶并網(wǎng)運(yùn)行是岸電系統(tǒng)研究核心技術(shù)之一。

2.1 岸電并網(wǎng)控制的基本結(jié)構(gòu)

岸基電源結(jié)構(gòu)包括整流、逆變、濾波等結(jié)構(gòu)，其中逆變器是控制的核心部分，控制逆變器調(diào)整其輸出電壓、頻率、相位的同步。通過(guò)對(duì)逆變器輸出電壓、電流、電容電壓以及船側(cè)電壓和電流的檢測(cè)，經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)變換，通過(guò)算法對(duì)旋轉(zhuǎn)分量控制得到驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制逆變器的輸出。船舶岸電系統(tǒng)岸基電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及并網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 船舶岸電系統(tǒng)岸基電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及并網(wǎng)控制策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在圖2中結(jié)構(gòu)主要分為三個(gè)部分。首先，整流裝置將大電網(wǎng)三相交流電整流變成直流電壓；其次，經(jīng)過(guò)逆變裝置得到期望的三相電壓；最后，通過(guò)變壓器輸出期望電壓實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。將岸電變壓為6kV高壓，經(jīng)過(guò)整流之后，通過(guò)逆變器得到440V/60Hz期望的低壓。但是逆變過(guò)程中存在誤差，以及系統(tǒng)本身的耦合和諧波的干擾，實(shí)際結(jié)果可能無(wú)法滿足要求。另外，目前岸電使用情況一般采用高壓上船或者低壓上船的模式，變壓裝置安裝在船上，通過(guò)船舶控制系統(tǒng)控制并網(wǎng)。在LCL濾波結(jié)構(gòu)中，電容采用較為常用的星型接法，對(duì)逆變器輸出電壓、電流、電容電壓作為變量利用基爾霍夫定律構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

2.2 并網(wǎng)逆變器的建模

如圖2所示具有LCL濾波結(jié)構(gòu)的岸電并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖中，假設(shè)模型中元件都是理想型器件。其中，ua、ub、uc為逆變器輸出的三相電電壓，ia、ib、ic為逆變器輸出的三相電電流，uCa、uCb、uCc為電容的電壓，iga、igb、igc為流過(guò)電感L2的電流，uga、ugb、ugc為船側(cè)電壓。

根據(jù)圖2中并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依據(jù)基爾霍夫定理推導(dǎo)出三相靜坐標(biāo)中并網(wǎng)逆變器模型的狀態(tài)方程如下。

式（1）經(jīng)過(guò)Park變換可以得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的狀態(tài)方程。

式中，ud和uq、id和iq、uCd和uCq、igd和igq，分別為ug、ub、uc和ia、ib、ic和uCa、uCb、uCc和iga、igb、igc經(jīng)Park變換后在d軸和q軸上的分量。其中，L1和L2、C分別為結(jié)構(gòu)中的電感和電容，ω為期望輸出的三相電壓的角頻率ω=2πf。通過(guò)整理可以將式（2）的狀態(tài)方程寫(xiě)為

其中，x、u為變量，A、B為狀態(tài)方程的系數(shù)矩陣，

逆變器輸出的結(jié)果經(jīng)過(guò)LCL濾波之后輸出的結(jié)果，通過(guò)模型結(jié)構(gòu)推導(dǎo)得出的結(jié)果如式（4）所示。根據(jù)理論推導(dǎo)系統(tǒng)的輸出方程，依據(jù)系統(tǒng)選取的控制對(duì)象，通過(guò)反向表示需要得到的期望結(jié)果作為控制器的輸出結(jié)果，通過(guò)式（2）推導(dǎo)得出公共連接點(diǎn)船側(cè)電壓和逆變器輸出電壓關(guān)系如式（4）：

3 滑?？刂破髟O(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)逆變器和船側(cè)的電壓及電流的控制得到逆變器經(jīng)過(guò)LCL濾波最終輸出的結(jié)果為ugd、ugq，以此結(jié)果為檢測(cè)和控制的目標(biāo)，通過(guò)對(duì)電壓誤差跟蹤實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，控制目標(biāo)誤差e：

其中，e為共連接點(diǎn)處并網(wǎng)電壓誤差；ug是逆變器輸出的實(shí)際并網(wǎng)電壓；ug

*是船側(cè)的電壓。

3.1 RBF結(jié)構(gòu)及理論

本文采用的是RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)滑模控制，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)要過(guò)程如圖3所示。利用RBF網(wǎng)絡(luò)的萬(wàn)能逼近特性，逼近滑?？刂普`差f（x），進(jìn)行誤差反饋及補(bǔ)償，為達(dá)到系統(tǒng)的穩(wěn)定。其中，自適應(yīng)律和滑模h趨近律共同保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。網(wǎng)絡(luò)算法為

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

其中，h為網(wǎng)絡(luò)的高斯基函數(shù)輸出，W*為網(wǎng)絡(luò)的理想權(quán)值，?為網(wǎng)絡(luò)的逼近誤差，?≤?N。

網(wǎng)絡(luò)輸入取x=［e e'］T，則網(wǎng)絡(luò)輸出為

根據(jù)式（6）、（7）可得，

3.2 滑模面及趨近律的設(shè)計(jì)

改進(jìn)傳統(tǒng)滑模面切換函數(shù)s=ce+e′，選取PI形式滑模面切換函數(shù)：

其中：k1、k2分別為滑模面切換函數(shù)的比列系數(shù)和積分系數(shù)。

對(duì)函數(shù)s求導(dǎo)，得

根據(jù)滑模控制理論，當(dāng)系統(tǒng)工作在滑面時(shí)，s′=0。結(jié)合式（4），得

其中，slaw表示趨近律，通過(guò)改進(jìn)等速趨近律，采用分?jǐn)?shù)階滑模趨近律［15］，本質(zhì)未變，通過(guò)逼近的方法增加了可調(diào)系數(shù)。

其中，0＜α＜1，ζ＞0。

變換得

證明：

則設(shè)計(jì)控制律為

根據(jù)式（15）和式（8），可得

根據(jù)式（17），當(dāng)D1-αζ＞|?N|時(shí)，則V'＜0?？梢?jiàn)控制律中的趨近律具有克服神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近誤差的作用，以保證系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。根據(jù)李亞普若夫穩(wěn)定性判據(jù)，可以判斷控制系統(tǒng)在平衡點(diǎn)處是漸近穩(wěn)定的，系統(tǒng)可以在有限的時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面，并能夠在滑模面上運(yùn)動(dòng)。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文采用的基于RBF自適應(yīng)改進(jìn)滑?？刂撇呗缘挠行?，通過(guò)Matlab/Simulink仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)440V/50Hz和440V/60Hz的低壓岸電與船舶并網(wǎng)的模型，參考船側(cè)期望的電壓和頻率控制逆變器輸出的電壓和頻率，實(shí)現(xiàn)逆變器對(duì)電壓和頻率的控制。通過(guò)對(duì)逆變器的輸出電壓和電流以及船側(cè)電流作為控制狀態(tài)量，判斷和確定逆變器需要輸出的電壓及頻率的變化量。與常用的PID進(jìn)行對(duì)比，仿真時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為5s，在3s時(shí)刻并離網(wǎng)切換，部分圖形取仿真2.95s～3.05s的仿真圖。系統(tǒng)仿真的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

根據(jù)表1進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置，其中LCL參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足濾波參數(shù)的原則10f＜fres＜f開(kāi)關(guān)/2。

4.1 并網(wǎng)電壓仿真分析

PID控制、RBF自適應(yīng)滑?？刂葡履孀兤鬏敵鲭妷翰ㄐ稳鐖D4所示。從圖4（a）中，可直觀地觀測(cè)到三相都有很大的相位差，并網(wǎng)時(shí)強(qiáng)制同相；在圖4（b）中，并網(wǎng)時(shí)只有兩相有微小的錯(cuò)位，因?yàn)樵赗BF自適應(yīng)滑?？刂扑惴☉?yīng)用中，存在相位預(yù)同步的過(guò)程，波形圖如5所示。在圖5中可以看到在并網(wǎng)時(shí)，相位存在相位差，由頻率的波動(dòng)而引起的頻率差，將導(dǎo)致相位差的存在。從而導(dǎo)致并網(wǎng)時(shí)電壓存在微小的畸變錯(cuò)位，電壓幅值沒(méi)有躍變，符合并網(wǎng)要求，也符合實(shí)際工況要求。

圖4 逆變器經(jīng)過(guò)LCL濾波輸出電壓波形

圖5 并網(wǎng)相位波形

通過(guò)對(duì)比，RBF自適應(yīng)滑?？刂瓶梢愿玫乜刂撇⒕W(wǎng)電壓，相序也是并網(wǎng)中重要的因素，通過(guò)相位預(yù)同步的過(guò)程無(wú)需強(qiáng)制同相，提高并網(wǎng)電壓的可靠性，一定程度可保證加在負(fù)載上的電流的穩(wěn)定，降低并網(wǎng)過(guò)程設(shè)備損壞率。通過(guò)并網(wǎng)電壓和相位波形可知，相位誤差使并網(wǎng)沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài)的同期并網(wǎng)，并網(wǎng)存在誤差。

4.2 并網(wǎng)頻率仿真分析

頻率對(duì)比響應(yīng)圖如圖6所示，從圖6（a）和（b）中，可見(jiàn)在RBF自適應(yīng)滑模控制下，初始時(shí)刻頻率超調(diào)更快；在并網(wǎng)未構(gòu)成閉環(huán)之前，系統(tǒng)頻率波動(dòng)更?。煌瑫r(shí)，并網(wǎng)時(shí)刻頻率突變變小、恢復(fù)穩(wěn)定響應(yīng)時(shí)間更快。其中數(shù)據(jù)的變化情況如表2所示。

圖6 頻率響應(yīng)對(duì)比波形圖

表2 兩種控制方式各階段頻率情況

由表2數(shù)據(jù)分析對(duì)比RBF自適應(yīng)滑?？刂坪蚉ID控制可知，第一，縮小了頻率正常波動(dòng)范圍，在60Hz頻率下比50Hz時(shí)縮小的更大；第二，并網(wǎng)時(shí)刻，50Hz、60Hz頻率突變更小都縮小了0.7Hz左右，分別相當(dāng)于縮小了1.4%和1.2%的誤差；第三，并網(wǎng)時(shí)刻50Hz、60Hz頻率響應(yīng)時(shí)間分別提高了0.5s和0.2s。說(shuō)明RBF自適應(yīng)滑?？刂凭哂懈玫聂敯粜院涂煽啃?。

通過(guò)此方法提高了并網(wǎng)頻率穩(wěn)定性，在恒頻控制下功率的控制、穩(wěn)定具有一定參考作用；頻率穩(wěn)定同時(shí)可以側(cè)面反映功率的穩(wěn)定，提高并網(wǎng)的可靠性。對(duì)于并網(wǎng)之前的頻率波動(dòng)能否更小甚至消除達(dá)到理想狀態(tài)以及存在的原因需要進(jìn)一步探索，同時(shí)在理想狀態(tài)下頻率波動(dòng)是上述相位差存在的主要原因。

4.3 負(fù)載功率仿真分析

并網(wǎng)前后輸出功率變化如圖7所示，由圖7可見(jiàn)并網(wǎng)前頻率也存在波動(dòng)，相對(duì)比較穩(wěn)定；并網(wǎng)時(shí)PID控制功率變化相比于RBF自適應(yīng)滑?？刂谱兓扛?，后者并網(wǎng)時(shí)頻率變化較為平緩逐漸趨于穩(wěn)定，而前者存在超調(diào)的過(guò)程。通過(guò)RBF自適應(yīng)控制加在負(fù)載上功率波動(dòng)變化△P最大不超過(guò)100W，誤差不超過(guò)0.01%。另外，并網(wǎng)合閘時(shí)加在負(fù)載側(cè)沒(méi)有產(chǎn)生大沖擊功率，具有更高的并網(wǎng)可靠性。

圖7 負(fù)載功率變化圖

根據(jù)功率變化分析可知，對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量電壓和頻率的控制，可以有效地控制并網(wǎng)的功率，抑制大沖擊電流以及保證負(fù)載過(guò)濾平滑過(guò)渡。但是，并網(wǎng)中設(shè)定額定變頻電源輸出功率，有直接躍升的狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生較大的功率波動(dòng)，已有學(xué)者通過(guò)逐級(jí)增加功率解決此問(wèn)題。另外，將進(jìn)一步驗(yàn)證是否可以通過(guò)功率補(bǔ)償機(jī)制實(shí)現(xiàn)功率平滑轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)港口調(diào)研，岸電可以達(dá)到并網(wǎng)要求，并且具有很高的成功率，但多數(shù)采用間斷供電并網(wǎng)。使用不間斷供電并網(wǎng)可能會(huì)不穩(wěn)定，造成船舶與岸電并網(wǎng)失敗，損壞船岸并網(wǎng)設(shè)備。結(jié)合目前對(duì)并網(wǎng)功率波動(dòng)的研究，提出對(duì)船舶岸電并網(wǎng)電能質(zhì)量電壓和頻率的控制策略，研究并網(wǎng)的基本條件以及并網(wǎng)中電壓、頻率、功率、相位之間的關(guān)系，如何相互影響。對(duì)未來(lái)岸電并網(wǎng)研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值。

依據(jù)本文研究?jī)?nèi)容，有以下發(fā)現(xiàn)及結(jié)論。

1）船舶與岸電并網(wǎng)時(shí)，電壓同序時(shí)產(chǎn)生的電壓畸變是由并網(wǎng)相位差造成的；

2）誤差范圍內(nèi)頻率穩(wěn)定在50Hz/60Hz，但頻率波動(dòng)一直存在，這會(huì)導(dǎo)致相位產(chǎn)生誤差，也會(huì)造成功率產(chǎn)生波動(dòng)；

3）本文所采用方法中，基本實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)電壓的無(wú)縫對(duì)接，因?yàn)樗惴ㄖ写嬖谙辔活A(yù)同步的過(guò)程，解決了PID控制電壓強(qiáng)制同相的問(wèn)題；同時(shí)，電壓、頻率及功率波動(dòng)都符合實(shí)際工況運(yùn)行的要求。