船舶岸電負(fù)載波動平抑控制策略

李士剛，楊奕飛，趙 磊，丁笑寒

(1. 海裝上海局駐南京地區(qū)第一軍事代表室，江蘇 南京 210018；2. 江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3. 鎮(zhèn)江船舶電器有限責(zé)任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212004；4. 江蘇中智海洋工程裝備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212002)

1 引言

船舶輔機燃油發(fā)電所產(chǎn)生的環(huán)境污染日漸嚴(yán)重，而靠港船舶采用岸上電能替代燃油輔機發(fā)電成為了一種行之有效的解決方案[1-2]。隨著國家對節(jié)能環(huán)保的重視，交通運輸部于2017年發(fā)布《港口岸電布局建設(shè)方案(征求意見稿)》，標(biāo)志著船舶靠港使用岸電已成為航運業(yè)的重要發(fā)展趨勢，船舶岸電系統(tǒng)的國內(nèi)外市場需求將日益增長。

船舶靠港使用岸電期間，船舶負(fù)載會伴隨船載用電設(shè)備的關(guān)斷而變化，而船舶負(fù)載的波動會伴隨船舶電網(wǎng)的電壓波動，這種電壓波動可能對岸船兩側(cè)的電氣設(shè)備正常運行造成影響甚至損壞用電設(shè)備。在微電網(wǎng)孤島運行控制策略的研究方面，文獻[3]中提出了一種改進下垂控制，對逆變電源加入慣性環(huán)節(jié)，這種方法雖然可以較好的抑制負(fù)載變化時刻的功率波動，但無法保證不同工況下供電電壓和頻率的穩(wěn)定。文獻[4]中構(gòu)建了下垂控制系數(shù)與功率的一次函數(shù)項和功率微分項，可增加微電網(wǎng)系統(tǒng)阻尼抑制系統(tǒng)振蕩，但存在系數(shù)取值困難、調(diào)節(jié)精度較差等弊端。針對岸電系統(tǒng)功率變化而產(chǎn)生的電壓波動，文獻[5]中提出了一種功率階躍補償環(huán)節(jié)，對下垂控制的參考輸出功率進行調(diào)節(jié)，但下垂控制的控制目標(biāo)存在穩(wěn)態(tài)靜差，調(diào)節(jié)效果受靜差影響較大。

為了盡量減少負(fù)載變化過程中產(chǎn)生的電壓波動，保護岸電電源和船舶設(shè)備，基于上述控制策略存在的不足和局限性，提出一種適用于船舶岸電系統(tǒng)的功率波動平抑策略。通過結(jié)合主從控制和恒定電壓反饋跟蹤(CVFT)法，在提升岸電系統(tǒng)額定功率的同時，保證了船舶電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性。

2 船舶岸電系統(tǒng)建模分析

2.1 船舶電網(wǎng)負(fù)載分析

船舶電力是決定船舶安全性能和電氣性能的關(guān)鍵因素之一。同樣的，船舶靠港后使用岸電，岸電電源取代船載發(fā)電輔機，也對岸電電能質(zhì)量和系統(tǒng)容量有著極高的要求。影響船舶電網(wǎng)負(fù)載的因素很多，包括靠港船舶用電設(shè)備的類別、工況、數(shù)量等，需要采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM行計算，根據(jù)計算結(jié)果對岸電電源容量和輸出功率進行分配。

使用需要系數(shù)法，對某出口船靠港時刻船舶負(fù)載進行計算，具體功率如表1所示，可得該船靠港時刻對岸電電源的容量需求。

表1 某散貨船電力負(fù)載表

2.2 船舶岸電系統(tǒng)建模分析

岸電系統(tǒng)為靠港船舶提供電能，是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電力系統(tǒng)，岸電系統(tǒng)可以細分為多個不同的子系統(tǒng)。而在這些子系統(tǒng)之中，最重要的是岸基供電系統(tǒng)、船載受電系統(tǒng)和電纜連接設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

簡化圖1，可得船舶岸電系統(tǒng)等效電路及電氣參數(shù)圖，如圖2所示。圖中E、U0分別為岸電電源輸出電壓值和船舶電網(wǎng)電壓值；∠θ和∠θ0分別為岸電電源電壓相位角和船舶電網(wǎng)電壓相位角；R+jX為岸電逆變器的等效輸出阻抗和船岸連接線等效阻抗之和；R0+jX0為船舶負(fù)載等效阻抗。

圖1 船舶岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

將R+jX記為Z1∠θZ1，R0+jX0記為Z0∠θZ0，可計算岸電系統(tǒng)等效阻抗Z∠θZ，系統(tǒng)電流I和岸電系統(tǒng)負(fù)荷S：

圖2 船舶岸電電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

Z1∠θZ1+Z0∠θZ0=Z∠θZ

(1)

(2)

(3)

因為船舶岸電系統(tǒng)主要呈感性且岸側(cè)和船側(cè)電壓相位差極小，相位角可近似為

(4)

可得岸電逆變器輸出有功P、無功功率Q

(5)

(6)

(7)

式中，fn、En、Pn、Qn分別為岸電電源額定頻率、額定電壓值、額定有功功率和額定無功功率；f、E、P、Q為岸電電源輸出實際頻率、實際電壓值、實際有功功率和無功功率值；Kf、KU為系統(tǒng)下垂系數(shù)，Kf為P-f下垂系數(shù)，KU為Q-U下垂系數(shù)。

結(jié)合上述岸電控制下垂特性公式，可得常用岸電下垂控制框圖，如圖3所示。

圖中fn為額定頻率，f為頻率調(diào)制信號，θ為頻率信號換算后的相位信號，Pmd和Pmq為計算生成的d、q坐標(biāo)軸參考電壓控制信號。

圖3 Droop控制框圖

Droop控制的功率環(huán)控制器既可以采用岸電并網(wǎng)逆變器的輸出功率進行控制，也可以采用經(jīng)濾波器和隔離變壓器后向船舶電網(wǎng)輸送的功率進行控制。岸電電源輸出有功功率與頻率的Droop特性如圖4(a)示，無功功率與電壓Droop特性如圖4(b)所示。

圖4中，Pmax是岸電系統(tǒng)在輸出頻率處于下降狀態(tài)系統(tǒng)可承受的功率最大值；Pn是岸電系統(tǒng)在額定頻率下運行輸出的功率；fmin為岸電電源輸出最大功率時系統(tǒng)可承受的最小頻率；Qmax為岸電電源達到可允許輸出電壓最低值時刻岸電逆變器輸出的無功功率；E0為岸電電源輸出無功功率為0狀態(tài)下，岸電系統(tǒng)輸出電壓的幅值(隔離變壓器后)；Emin為岸電系統(tǒng)按照規(guī)范的最小電壓。

圖4 岸電電源Droop控制曲線

3 CVFT-Droop控制

如表1所示，靠港船舶穩(wěn)定負(fù)載為152kW，間斷負(fù)載總量共70kW，按照使用系數(shù)法計算間斷負(fù)載額定功率為28kW，負(fù)載波動為16%。按照碼頭岸電系統(tǒng)管理經(jīng)驗，通常小額負(fù)載波動都依靠電源自身特性自我調(diào)節(jié)，但主電源負(fù)載調(diào)節(jié)時刻，會產(chǎn)生岸電電網(wǎng)電壓波動，而船舶電網(wǎng)電壓頻繁波動會對船舶電網(wǎng)安全性和人員安全性產(chǎn)生較大隱患。文獻[7]中提出了一種基于逆變器的新型功率控制，采用頻率作為逆變器電壓反饋補償參數(shù)。但所采用頻率作為反饋參數(shù)具有直觀性較差且檢測精度較低等缺陷，在補償時刻響應(yīng)速度較慢不能對輸出功率進行良好地補償。而系統(tǒng)電壓和有功功率存在線性關(guān)系且具有直觀性和檢測容易等特點，因此計劃使用恒定電壓反饋跟蹤法(Constant Voltage Feedback Tracking，簡稱CVFT)，使用電壓信號作為反饋參數(shù)對傳統(tǒng)Droop控制器進行修正，對岸電能量管理系統(tǒng)進行優(yōu)化。

恒定電壓跟蹤(Constant Voltage Tracking，簡稱CVT)，最初被應(yīng)用于光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)，其思路是維持光伏電池穩(wěn)定輸出電壓，目的是將光伏電池的整個工作過程維持在最大功率點出。CVT控制結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)，對于系統(tǒng)電壓具有良好的調(diào)制作用，但缺點是無法準(zhǔn)確追蹤光伏電池MPPT點，控制的適應(yīng)性較差，且當(dāng)外部環(huán)境改變時，對于最大功率點追蹤能力較差。

而岸電系統(tǒng)不同于光伏系統(tǒng)，岸電系統(tǒng)通常使用市電電源作為岸電電壓源，具有電壓恒定且輸出功率穩(wěn)定的特點。因此，采用恒定電壓反饋跟蹤(Constant Voltage Feedback Tracking，簡稱CVFT)對船舶電網(wǎng)負(fù)載端電壓進行跟蹤，基于電壓反饋值對岸電控制器參數(shù)進行修正。根據(jù)反饋值和原有下垂特性參數(shù)，生成新的下垂控制曲線，原理如圖5所示。

圖5中符號含義和圖4一致，改進后的CVFT-Droop特性圖不同于原有Droop控制曲線，不需要人工調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，使逆變器輸出達到新的平衡狀態(tài)。具體如下式所示

圖5 岸電電源CVFT-Droop特性

(8)

式中，Kf、KU為頻率和電壓下垂系數(shù)，Pn為逆變器原本參考輸出功率，Pnew為逆變器增益后的新參考功率，P*為CVFT反饋功率增益，使岸電電源達到新的穩(wěn)態(tài)平衡。

傳統(tǒng)的Droop控制，當(dāng)船舶負(fù)載發(fā)生變化，岸電電源會根據(jù)電源下垂控制曲線進行自我調(diào)節(jié)，或者人工調(diào)節(jié)下垂控制曲線，而調(diào)節(jié)的過程費時較長并會導(dǎo)致岸電系統(tǒng)電壓和頻率的波動，影響岸電電網(wǎng)的穩(wěn)定性。而CVFT-Droop控制則是在船舶負(fù)載波動時刻，基于實時電壓差值對下垂系數(shù)和參考功率進行反饋調(diào)節(jié)，生成新的岸電Droop控制曲線，使岸電電源達到一個新的穩(wěn)態(tài)。以新的P-f、Q-U控制曲線取代原有控制曲線，減少了岸電系統(tǒng)電壓、頻率的波動幅度，提高了岸電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

圖6 CVFT-Droop控制器結(jié)構(gòu)框圖

4 基于主從結(jié)構(gòu)的CVFT-PQ控制

4.1 主從結(jié)構(gòu)

CVFT-Droop可以有效減少隨著負(fù)載波動而產(chǎn)生的岸電系統(tǒng)電壓波動，但局限于Droop控制的特性，輸出受限于下垂控制曲線，存在輸出功率調(diào)節(jié)速度較慢，可適應(yīng)負(fù)載波動范圍較小等缺點。而PQ控制對于輸出功率可以實現(xiàn)較好的控制效果，且動態(tài)響應(yīng)較好，但PQ控制也存在電壓調(diào)節(jié)效果較差，需要電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐等缺點。因此，采用CVFT-PQ控制的從電源和Droop控制的主電源構(gòu)建主從結(jié)構(gòu)岸電系統(tǒng)，主電源為電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，從電源對系統(tǒng)有功、無功功率進行補償。在提高響應(yīng)速度的同時增加系統(tǒng)容量，提高系統(tǒng)的普適性。

主從結(jié)構(gòu)就是在岸電的控制系統(tǒng)中設(shè)置其中一個控制器為主控制器，其他的控制器為從控制器，主從控制器之間一般需要通信聯(lián)系，且從控制器服從主控制器[8-10]。

圖7 主從結(jié)構(gòu)岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 基于主從結(jié)構(gòu)岸電控制器設(shè)計

當(dāng)岸電電源處于并網(wǎng)時刻，主電源逆變器處于Droop控制模式。由船載發(fā)電機對船舶電網(wǎng)電壓和頻率進行支撐，將dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中d軸定向于電網(wǎng)電壓矢量方向上，就會在電網(wǎng)保持電壓近似不變時，逆變器輸出有功、無功功率分別和其輸出電流的d、q軸分量為正比例關(guān)系。因此，將有功、無功功率期望值轉(zhuǎn)化為電流期望值，對逆變器輸出d、q軸電流分量進行調(diào)節(jié)，就可以分別控制岸電逆變器輸出至船舶電網(wǎng)的有功、無功功率。

采用主從結(jié)構(gòu)的岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，給出岸電逆變器輸出電壓表達式，將其形式略作調(diào)整如下式所示

(9)

(10)

上式中，idref和iqref為參考電流，id和iq為實時電流信號，KP和Ki為PI調(diào)制信號。比較式(9)和(10)可以得出，電流內(nèi)環(huán)控制方程輸出電壓，d軸參考量uId和q軸參考量uIq都含有三個組成部分：電壓前饋部分、電流耦合部分和電流微分部分或電流閉環(huán)積分部分。結(jié)合上式，給出岸電從電源PQ控制結(jié)構(gòu)圖，如圖8所示。

PQ控制本質(zhì)上是對系統(tǒng)有功、無功功率進行解耦，對電流使用PI控制器進行控制，降低系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。為了減少岸電系統(tǒng)主從電源之間電壓、頻率誤差，減少并網(wǎng)時刻電流沖擊，從電源接收主電源實時信號進行功率解耦控制。

圖8 PQ控制結(jié)構(gòu)圖

如圖9所示，基于CVFT跟蹤器對傳統(tǒng)PQ控制進行改進，給出CVFT-PQ控制結(jié)構(gòu)框圖。

根據(jù)岸電系統(tǒng)額定電壓Un和船舶電網(wǎng)實時電壓Uabc計算出電壓差值，差值經(jīng)增益KCVFT后得出功率校正信號，對參考功率進行校正。為維持系統(tǒng)穩(wěn)定，對校正信號閾值進行限制。校正后的參考功率作為從電源的參考功率，對從電源輸出功率進行控制，維持岸電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)輸出。

圖9 CVFT-PQ控制結(jié)構(gòu)圖

5 仿真驗證

5.1 系統(tǒng)建模

為驗證所提并網(wǎng)功率波動平抑策略的有效性，在MATLAB/Simulink平臺上搭建岸電一體化仿真模型，通過對仿真結(jié)果進行對比分析得出結(jié)論，具體仿真模型參數(shù)如表2所示。

表2 岸電仿真模型具體參數(shù)

5.2 算例分析

例1：船舶靠港，岸電系統(tǒng)準(zhǔn)備并網(wǎng)。并網(wǎng)前，岸電并網(wǎng)控制器使用Droop控制進行并網(wǎng)預(yù)同步，調(diào)節(jié)岸側(cè)電源電壓、頻率和船舶電網(wǎng)保持一致。保持穩(wěn)態(tài)運行至0.5s時并網(wǎng)合閘，船舶負(fù)載由船側(cè)發(fā)電機轉(zhuǎn)移至岸電電源，岸電并網(wǎng)完成。

由圖10、11可見，岸電系統(tǒng)在0.5s時刻并網(wǎng)合閘，岸電系統(tǒng)電壓發(fā)生-30V波動，系統(tǒng)輸出功率波動0.05s后逐漸穩(wěn)定，瞬態(tài)誤差符合岸電IEEE.80005-3并網(wǎng)相關(guān)規(guī)范。

圖10 岸電系統(tǒng)并網(wǎng)時刻電壓波形

例2：并網(wǎng)完成，船側(cè)連續(xù)負(fù)載150kW由岸電主電源進行供電，控制器調(diào)節(jié)岸電電源輸出功率。系統(tǒng)維持穩(wěn)態(tài)運行至1.3s時刻間斷負(fù)載啟動，船舶電網(wǎng)負(fù)載由150kW增至160kW。維持160kW運行至1.5s，1.5s時刻船舶電網(wǎng)負(fù)載增至170kW，1.7s時刻由170kW增至200kW。分別采用Droop控制和CVFT-Droop兩種控制方式，對岸電電源輸出電壓、功率進行控制，仿真結(jié)果如下圖所示。

圖11 岸電系統(tǒng)并網(wǎng)時刻輸出功率

當(dāng)負(fù)載由150kW變換至160kW時刻，CVFT-Droop相較于傳統(tǒng)Droop控制，岸電系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差減少6%；當(dāng)負(fù)載由160kW變換至170kW時刻，輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差減少9%；當(dāng)負(fù)載由170kW變換至200kW時刻，輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差減少18%。由此可見，基于CVFT-Droop控制的岸電電源在負(fù)載變化時刻，相較于傳統(tǒng)Droop控制具有更好的調(diào)節(jié)效果，岸電系統(tǒng)電壓波動較小。

圖12 負(fù)載波動時刻岸電系統(tǒng)電壓

如圖13所示，岸電系統(tǒng)在1.3s、1.5s時刻負(fù)載波動，輸出功率增加。1.7s時刻，負(fù)載增加至200kW，超出岸電系統(tǒng)調(diào)節(jié)閾值，電壓驟降并伴隨系統(tǒng)輸出功率減少。

圖13 負(fù)載波動時刻岸電系統(tǒng)輸出功率

系統(tǒng)輸出功率下降原因，主要是岸電系統(tǒng)單機容量限制。計劃采用多電源并聯(lián)的方式為岸電系統(tǒng)增容，增容后的岸電系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，主電源容量200kVA，采用Droop控制，從電源100kVA，采用CVFT-PQ控制。在負(fù)載增加時刻，主電源輸出功率不變，從電源輸出功率增加，維持系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，改進后仿真結(jié)果如下圖所示。

圖14 負(fù)載波動時刻優(yōu)化策略電壓對比

如圖14、15可見，基于CVFT-PQ控制的主從結(jié)構(gòu)岸電系統(tǒng)對于船舶負(fù)載波動適應(yīng)情況良好，且采用主從結(jié)構(gòu)的CVFT-PQ岸電系統(tǒng)在負(fù)載小范圍波動時刻，岸電電壓波動極小。在1.7s時刻，負(fù)載由170kW增加至200kW，相較于傳統(tǒng)Droop控制和CVFT-Droop控制，CVFT-PQ控制電壓穩(wěn)態(tài)誤差減少80%。由此表明，基于主從結(jié)構(gòu)的CVFT-PQ控制岸電系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)岸電系統(tǒng)可以有效抑制負(fù)載波動時刻系統(tǒng)電壓波動，并且可以適應(yīng)多種工況下船舶負(fù)載波動。

圖15 負(fù)載波動時刻優(yōu)化策略功率對比

需要指出的是，在岸電負(fù)載增加過程中，主電源輸出功率需要保持恒定，為岸電系統(tǒng)提供電壓、頻率支撐，避免因負(fù)載波動導(dǎo)致的岸電系統(tǒng)失穩(wěn)。除此之外，還需對從電源容量做出限制，即從電源容量不得超過岸電系統(tǒng)總?cè)萘?0%。經(jīng)仿真驗證，當(dāng)從電源功率占比超過30%，易對系統(tǒng)整體輸出電壓、頻率產(chǎn)生反向影響，使系統(tǒng)失穩(wěn)而不符合岸電IEEE.80005-3相關(guān)規(guī)范。

6 結(jié)論

傳統(tǒng)的岸電系統(tǒng)在負(fù)載變化過程中往往伴隨著功率波動，需要對岸電系統(tǒng)進行增容、擴容等操作。傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中，通常是對下垂參數(shù)進行人工修改，而修改和控制過程易導(dǎo)致電壓波動、系統(tǒng)失穩(wěn)甚至導(dǎo)致相關(guān)電氣設(shè)備故障。考慮到實際船舶岸電系統(tǒng)負(fù)載變化情況和和岸電系統(tǒng)電源特性，研究岸電系統(tǒng)負(fù)載波動平抑控制策略將能產(chǎn)生重要的現(xiàn)實意義和價值。

根據(jù)本文所做工作，可以得出以下結(jié)論：

1)對傳統(tǒng)Droop控制岸電系統(tǒng)加入補償環(huán)節(jié)，使用CVFT-Droop控制，有效提高岸電系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少負(fù)載變換時刻電壓波動。

2)基于主從結(jié)構(gòu)為岸電系統(tǒng)進行增容，提高岸電系統(tǒng)普適性，可以適應(yīng)不同容量的靠港船舶，符合實際工程中的應(yīng)用需求。

3)基于主從結(jié)構(gòu)，使用CVFT-PQ控制作為岸電從電源控制方法，相較于CVFT-Droop控制，系統(tǒng)電壓、頻率波動進一步減小，顯著提升負(fù)載變換時刻系統(tǒng)穩(wěn)定性。