直流組網(wǎng)船舶供電變流器運(yùn)行與控制策略研究

洪學(xué)武，鄧建華，姚 濤，雷黎明，陳 劍，張美玲

（1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116；2.上海中車漢格船舶與海洋工程有限公司，上海 200082；3.中國船級社武漢分社，湖北 武漢 430022；4.深圳招商迅隆船務(wù)有限公司，廣東 深圳 518067；5.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

純電力推進(jìn)船舶因具有經(jīng)濟(jì)性佳、零排放、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，成為目前船舶行業(yè)的研究熱點(diǎn)。但受儲能技術(shù)、電池容量的限制，純電力推進(jìn)船舶的動力和續(xù)航能力不足，無法滿足高速遠(yuǎn)程航行的要求。船舶混合動力技術(shù)作為經(jīng)濟(jì)性、動力性、環(huán)保性的最佳折中，成為船舶從傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)推進(jìn)向綠色能源推進(jìn)過渡的可行性方案。此外，與交流組網(wǎng)系統(tǒng)相比，直流組網(wǎng)系統(tǒng)在節(jié)能、體積、重量和系統(tǒng)復(fù)雜性等方面有明顯優(yōu)勢。因此，直流組網(wǎng)型混合動力推進(jìn)成為高端游輪、公務(wù)船、內(nèi)河船、海上作業(yè)船等的研究和應(yīng)用趨勢[1-2]。

隨著電力電子技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，混合動力推進(jìn)船舶的日用負(fù)載越來越多采用基于有源開關(guān)器件的供電變流器進(jìn)行供電。此供電方式具有供電容量配置靈活、電能質(zhì)量優(yōu)、與岸電電網(wǎng)對接方便等優(yōu)勢。供電變流器主要負(fù)責(zé)為船載推進(jìn)電機(jī)的散熱風(fēng)機(jī)、水泵、照明設(shè)備、空調(diào)、廚房電器及娛樂電子產(chǎn)品等單相或三相用電設(shè)備提供三相交流380 V電源[3]。

日用負(fù)荷中某些不平衡負(fù)載或者單相負(fù)載的存在，會造成供電變流器輸出三相電壓不平衡；而供電電壓的不平衡不僅會造成中線電流過大，從而使線纜過熱，而且會降低變壓器的容量利用率，增加變壓器損耗，危及變壓器的運(yùn)行安全。更嚴(yán)重的是，不平衡的三相輸出電壓會干擾電機(jī)、電力電子變換器等負(fù)載設(shè)備的正常工作，最終降低其使用壽命，增加運(yùn)維成本[4-5]。

目前，針對三相供電變流器輸出電壓的不平衡，主要從逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略兩個(gè)方面著手進(jìn)行矯正。改變逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會造成主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性降低、體積/重量增加等負(fù)面影響[6-7]。在控制策略方面，目前常見的做法是在傳統(tǒng)比例積分控制器中引入內(nèi)膜控制器，如諧振控制器、重復(fù)控制器等，以零穩(wěn)態(tài)誤差地跟蹤高次脈動分量。諧振控制器對脈動分量的增益直接受系統(tǒng)頻率影響；重復(fù)控制器由于存在一個(gè)工頻基波周期的固有延時(shí)，會影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能[8]。此外還有在正序、負(fù)序坐標(biāo)系下分別控制正、負(fù)序變量的方法，由于各自坐標(biāo)系下被控變量均表現(xiàn)為直流分量，基于傳統(tǒng)的比例積分控制器即可實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤；然而輸出不平衡電壓的正序、負(fù)序分離通常依賴數(shù)字濾波器，影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能以及控制穩(wěn)定性[9-10]。

為保證三相供電變流器帶不對稱負(fù)荷時(shí)輸出電壓平衡，本文基于一種直流組網(wǎng)型混合動力船舶推進(jìn)變流系統(tǒng)，針對日用負(fù)載供電變流器的多運(yùn)行模式及其控制策略，提出一種正序、負(fù)序分序控制方法，其通過坐標(biāo)變換構(gòu)造負(fù)序指令，無須配置數(shù)字低通濾波器。最后，文章通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的可行性及有效性。

1 混合動力船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)變流系統(tǒng)

1.1 直流組網(wǎng)電力推進(jìn)變流系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

某型號混合動力高端游船的直流組網(wǎng)電力推進(jìn)變流系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示，分為左舷和右舷2套子系統(tǒng)。左舷直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)包括儲能蓄電池DC-DC變流器（標(biāo)號①）、柴油發(fā)電機(jī)整流器（標(biāo)號②）、日用負(fù)載供電變流器（標(biāo)號③）、側(cè)推進(jìn)電機(jī)逆變器（標(biāo)號④）以及主推進(jìn)電機(jī)逆變器（標(biāo)號⑤）等不同類型變流器。相比于左舷直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)，右舷直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)沒有側(cè)推進(jìn)電機(jī)逆變器；左、右舷側(cè)推電機(jī)均由左舷側(cè)推進(jìn)逆變器驅(qū)動，通過選擇開關(guān)進(jìn)行切換。

圖1 船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)變流系統(tǒng)拓?fù)銯ig. 1 Topology of the DC-grid electric propulsion converter system for hybrid ship

各變流器直流側(cè)以直流母線作為公共連接點(diǎn)，發(fā)電機(jī)整流器、DC-DC變流器可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求實(shí)現(xiàn)單獨(dú)柴油發(fā)電機(jī)供電、純電池供電以及混合動力供電。

1.2 日用負(fù)載供電變流器主電路拓?fù)?/h3>

日用負(fù)載供電變流器主電路拓?fù)淙鐖D2所示，其包括三相逆變器、濾波電感、濾波電容器以及隔離變壓器。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、頻率可調(diào)的交流電壓，經(jīng)過隔離變壓器（T1和T2）后得到三相380 V工頻交流電壓，左、右舷供電變流器通過交流斷路器（K1和K2）與配電系統(tǒng)連接，為船舶日用負(fù)荷供電，實(shí)現(xiàn)雙備份冗余運(yùn)行。

圖2 船舶日用負(fù)載供電變流器主電路拓?fù)銯ig. 2 Topology of power supply converter for onboard daily load

此外，供電變流器系統(tǒng)可通過三相接線器BK與岸電交流電網(wǎng)并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)船舶靠岸期間由岸電電網(wǎng)給船舶日用負(fù)載供電，并給儲能蓄電池充電。

1.3 直流組網(wǎng)電力推進(jìn)變流系統(tǒng)運(yùn)行工況

船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)變流系統(tǒng)運(yùn)行工況示意如圖3所示。其中，儲能電池負(fù)功率表示充電，供電變流器負(fù)功率表示從岸電電網(wǎng)獲取功率。

圖3 直流組網(wǎng)電力推進(jìn)變流系統(tǒng)運(yùn)行工況示意Fig. 3 Operation diagram of the DC-grid electric propulsion converter system

運(yùn)行工況具體說明如下：

（1）混合推進(jìn)模式根據(jù)離岸距離、休閑觀光等分為純電池供電和柴油發(fā)電機(jī)供電2種情況。離岸較近的進(jìn)、出港過程及停泊休閑觀光階段，關(guān)閉柴油發(fā)電機(jī)，采用純電池供電運(yùn)行，以降低噪聲并消除有害尾氣排放。在離岸較遠(yuǎn)進(jìn)行高速航行時(shí)，采用柴油發(fā)電機(jī)供電，并給儲能電池充電。

（2）日用負(fù)載供電變流器的運(yùn)行根據(jù)離岸航行供電、靠岸充電需求等分為2種模式。船舶離岸航行時(shí)，供電變流器從直流母線取電，為船載日用負(fù)載提供穩(wěn)定高品質(zhì)的交流電；船舶靠岸充電時(shí)，供電變流器從岸電電網(wǎng)獲取有功功率，為直流母線提供穩(wěn)定電壓，進(jìn)而由DC-DC變流器給儲能蓄電池充電。

2 日用負(fù)載供電變流器正、負(fù)分序控制策略

日用負(fù)載供電變流器具有日用負(fù)載供電和靠岸并網(wǎng)取電兩種工作模式。為船載日用負(fù)載供電時(shí)，單相負(fù)荷或三相不對稱負(fù)荷的接入，易造成供電變流器輸出三相電壓的不平衡，從而降低供電品質(zhì)。為此，針對日用負(fù)載供電和靠岸并網(wǎng)取電兩種模式，本文采用輸出電壓跟蹤、并網(wǎng)電流跟蹤切換的方法；同時(shí)在為日用負(fù)載供電時(shí)，為保證供電變流器輸出電壓的平衡，提出一種輸出電壓正、負(fù)分序控制方法，其在正序、負(fù)序dq同步坐標(biāo)系下實(shí)現(xiàn)，控制原理如圖4所示。圖中，ωt為供電變流器A相電壓的同步信號角頻率，通過數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）獲得；Vdref為供電變流器輸出相電壓峰值參考值；uab,ubc,uca為供電變流器輸出線電壓，ia,ib,ic為輸出三相電流；ud+,uq+分別為輸出三相電壓在正序dq坐標(biāo)系下d軸分量、q軸分量；id+,iq+分別為輸出三相電流在正序dq坐標(biāo)系下d軸分量、q軸分量。

圖4 電壓/電流模式切換及正、負(fù)分序控制策略Fig. 4 Voltage/current mode switching and positive/negative sequence-dividing control strategy

2.1 輸出電壓、并網(wǎng)電流跟蹤模式切換

記Sw為日用負(fù)載供電、靠岸并網(wǎng)取電模式切換選擇開關(guān)，Sw=1表示日用負(fù)載供電模式，Sw=0表示靠岸并網(wǎng)取電模式；Udcref和Udc分別為直流母線電壓參考值及實(shí)際值，二者差值經(jīng)直流電壓環(huán)控制器（PIdc）得到并網(wǎng)有功電流指令I(lǐng)dref；xdref,xqref分別為正序dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸參考值：

2.2 輸出電壓正、負(fù)分序控制

從三相靜止坐標(biāo)系（abc坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系（αβ坐標(biāo)系）的變換矩陣為

2.2.1 輸出電壓正序控制

在正序控制環(huán)中，從兩相靜止坐標(biāo)系（αβ坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)換到正序同步坐標(biāo)系（dq+坐標(biāo)系）的轉(zhuǎn)換矩陣為

經(jīng)過正序同步坐標(biāo)系下PI控制（PI+），得到正序同步坐標(biāo)系下的控制輸出量。三相變流器采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）時(shí)，需將正序同步坐標(biāo)系（dq+）下的控制輸出量反變換到兩相靜止坐標(biāo)系下：

反變換矩陣為

2.2.2 輸出電壓負(fù)序控制

在負(fù)序控制環(huán)中，從兩相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到負(fù)序同步坐標(biāo)系（dq-）的轉(zhuǎn)換矩陣為

經(jīng)過負(fù)序同步坐標(biāo)系下PI控制（PI-），得到負(fù)序同步坐標(biāo)系（dq-）下的控制輸出量。同樣，將負(fù)序同步坐標(biāo)系（dq-）下的控制輸出量變換到兩相靜止坐標(biāo)系下：

反變換矩陣為

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提控制算法的正確性，本文針對某型混合動力推進(jìn)船舶供電變流器系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示，交流母線負(fù)載由三相對稱阻感負(fù)載及不對稱阻感負(fù)載組成，系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

圖5 船舶供電變流器仿真主電路拓?fù)銯ig. 5 Simulink model of the main circuit topology of converter for onboard power supply

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

圖6示出供電變流器交流母線電壓及其諧波頻譜。圖6 (a)為供電變流器輸出電壓波形，在t0時(shí)刻前，采用傳統(tǒng)的單獨(dú)正序控制方法；在t0時(shí)刻，投入本文所提的正、負(fù)分序控制方法。由圖6 (b)可見，采用傳統(tǒng)的單獨(dú)正序控制方法時(shí)，供電變流器帶不對稱負(fù)載時(shí)輸出電壓明顯不平衡，不平衡度約12%。圖6 (c)顯示投入正、負(fù)分序控制方法后，供電變流器輸出電壓趨于平衡，不平衡度小于0.5%；且由于本方法通過坐標(biāo)變換構(gòu)造負(fù)序指令，無須依賴數(shù)字低通濾波器，在分序控制投入時(shí)供電變流器輸出電壓幾乎沒有沖擊。圖6 (d)進(jìn)一步分析了供電變流器輸出電壓諧波頻譜，電壓總的諧波畸變率（THD）僅為1.18%，其中5次、7次諧波含量0.78%和0.60%，供電品質(zhì)優(yōu)秀。

圖6 供電變流器交流母線電壓及其諧波頻譜Fig. 6 Output voltage of power supply converter and its harmonic spectrum

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所提控制策略的可行性及有效性，在實(shí)驗(yàn)室搭建如圖5所示的實(shí)驗(yàn)平臺，在供電變流器直流側(cè)接入直流電壓源，負(fù)載包括100 kVA三相對稱阻感負(fù)載及40 kVA單相阻感負(fù)載（用于模擬三相不對稱）。針對傳統(tǒng)單獨(dú)正序控制以及本文正、負(fù)分序控制兩種控制策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)波形如圖7所示。

圖7 供電變流器交流母線電壓裝船運(yùn)行試驗(yàn)波形Fig. 7 Onboard experimental output voltage of the power supply converter

如圖7 (a)所示，當(dāng)供電變流器帶40 kVA不平衡日用負(fù)載時(shí)，采用傳統(tǒng)單獨(dú)正序控制，供電變流器輸出母線電壓明顯不平衡、三相負(fù)載電流不平衡。由圖7 (b)可見，采用本文所提正、負(fù)分序控制方法時(shí)，因?yàn)椴黄胶庳?fù)載的存在，三相負(fù)載電流仍不平衡，但供電變流器輸出母線電壓平衡，不平衡度小于0.5%。由此驗(yàn)證了本文所提控制策略的有效性。

5 結(jié)語

本文基于混合動力船舶直流電力推進(jìn)系統(tǒng)，介紹了其系統(tǒng)構(gòu)成及供電變流器不同運(yùn)行工況下電壓、電流跟蹤模式切換的工作原理。針對其日用負(fù)載供電變流器，提出一種正、負(fù)分序控制方法，以保證三相供電變流器帶不對稱負(fù)荷時(shí)輸出電壓平衡。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，投入正、負(fù)分序控制方法后，供電變流器輸出電壓不平衡度小于0.5%，保證了船舶日用負(fù)荷的高品質(zhì)供電。

本文研究方法可以推廣應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)、不間斷供電電源、高速動車組輔助供電等變流器控制中。由于某些船舶在靠岸期間，其供電變流器需要與岸上交流電網(wǎng)進(jìn)行并網(wǎng)，后續(xù)可進(jìn)一步研究本文控制方法對于柔性并/離網(wǎng)工況的適應(yīng)性。