適用于岸電系統(tǒng)的逆功率及故障控制策略

劉慧文，邢宏偉，房鑫炎，李亦凡，金力

(1.國網(wǎng)電動汽車服務(wù)有限公司，北京 100031; 2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

岸電系統(tǒng)的雙側(cè)，岸側(cè)變頻電源以及船側(cè)電力系統(tǒng)，處于異頻運行狀態(tài)。船舶設(shè)備運行頻率為60 Hz，而我國港口岸電設(shè)施運行于工頻50 Hz。由于頻率不同，并網(wǎng)過程往往伴隨著較大的功率沖擊，出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象，降低岸電系統(tǒng)給船舶負(fù)荷的供電質(zhì)量，導(dǎo)致岸船兩側(cè)電氣設(shè)備損壞及并網(wǎng)失敗。

現(xiàn)有的對于逆變器保護的研究，一般集中在不同新能源接入的場景中，如大容量分布式接入對于電流保護的影響［1］以及通過相位控制對電流保護的改進方案［2］，含分布式電源的電網(wǎng)快速適應(yīng)型自愈技術(shù)［3］。也有的研究認(rèn)為分布式電源接入后，電流保護受到逆變器的影響較大，因此應(yīng)該配置距離保護，與電流保護相配合對系統(tǒng)進行保護［4］，或者應(yīng)該采用縱聯(lián)保護作為多點新能源接入的主保護［5］。同時，也有一部分研究分析分布式電源接入后故障時，電網(wǎng)的故障模型以及模型中電氣量的故障特性，如針對小電阻接地方式的配電網(wǎng)單向接地故障［6］，針對MMC-HVDC 直流側(cè)極間短路故障［7］以及換流器橋臂短路故障［8］的故障建模與特性分析，考慮了PQ 控制模式特性的逆變型分布式電源故障模型［9］。為了防止發(fā)生故障時新能源脫網(wǎng)造成較大的功率、頻率波動，逆變器要具有一定的電壓支撐能力，有一部分研究在逆變器故障模型中計及逆變器故障后的電壓恢復(fù)能力［10-11］，給出更為貼合實際的故障模型。

但是岸電系統(tǒng)跟新能源有一定區(qū)別，新能源并網(wǎng)的研究核心一般在于從孤島模式向并網(wǎng)模式切換，但這些切換方式在岸電系統(tǒng)中并不適用，岸電系統(tǒng)涉及到船舶的并網(wǎng)、離網(wǎng)以及負(fù)荷轉(zhuǎn)供過程，船舶的柴油發(fā)電機組與岸側(cè)的變頻電源并不是單一的對等或者主從關(guān)系，因此對新能源并網(wǎng)場景的保護研究不能直接遷移到岸電系統(tǒng)保護的研究上。同時對于專門岸電系統(tǒng)保護的研究比較少，且集中在針對船側(cè)保護的改進中［12］，岸電系統(tǒng)保護的信息采集系統(tǒng)的設(shè)計上［13］，或者是岸電系統(tǒng)故障診斷的數(shù)學(xué)模型［14］，沒有根據(jù)岸電系統(tǒng)的特性，提出專門適應(yīng)于岸電系統(tǒng)的保護方法。

文中基于上述諸多針對新能源接入場景的逆變器控制策略以及保護方法研究，結(jié)合岸電系統(tǒng)的特點，提出針對岸電系統(tǒng)的逆功率現(xiàn)象以及故障后岸側(cè)無法快速恢復(fù)負(fù)荷供給現(xiàn)象的控制策略。通過實時檢測電流互感器中的電流流向以判斷逆功率現(xiàn)象是否發(fā)生，根據(jù)逆功率不同種類采用不同的電壓幅值、頻率控制策略調(diào)整變頻電源的輸出電壓，以消除逆功率現(xiàn)象;通過故障時調(diào)整變頻電源電流內(nèi)環(huán)控制的參考值，提高變頻電源輸出的無功功率，對并網(wǎng)點電壓進行支撐，完成故障后的快速電壓恢復(fù)，防止脫網(wǎng)現(xiàn)象發(fā)生。該策略的創(chuàng)新性在于合閘時可以快速抑制逆功率現(xiàn)象，完成負(fù)荷平穩(wěn)轉(zhuǎn)供;在故障后改變對變頻電源的控制策略，快速恢復(fù)對船側(cè)負(fù)荷的供電。避免了故障時直接切斷船岸雙側(cè)系統(tǒng)連接引起的巨大波動，保護兩側(cè)電力設(shè)備不受到損壞，實現(xiàn)岸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

首先對岸電系統(tǒng)的預(yù)同步控制結(jié)構(gòu)以及變頻電源控制模式進行分析，其次分析岸電系統(tǒng)的逆功率發(fā)生原因與電氣量特征，以及并網(wǎng)點故障后電氣量特征。根據(jù)并網(wǎng)環(huán)節(jié)的故障特性以及荷轉(zhuǎn)供過程中的故障特性，提出逆功率檢測模塊的邏輯實現(xiàn)及控制手段與變頻電源的故障控制方案。并搭建Simulink 仿真模型對兩種策略進行驗證。

1 岸電系統(tǒng)模型

船舶并網(wǎng)主要涉及到岸電系統(tǒng)的兩個核心部分:預(yù)同步控制模塊以及岸側(cè)變頻電源模塊。預(yù)同步控制模塊負(fù)責(zé)并網(wǎng)前對岸側(cè)以及船側(cè)的電壓幅值、頻率進行跟蹤，并將修正值傳至變頻電源模塊，幫助變頻電源模塊調(diào)整輸出，完成雙側(cè)系統(tǒng)的順利并網(wǎng)以及穩(wěn)定的負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

1.1 預(yù)同步控制模式

在船舶并網(wǎng)前，岸船兩側(cè)的電壓、相位以及頻率應(yīng)該接近相等，為了增加岸電的可連接船舶種類，通過調(diào)節(jié)岸側(cè)變頻電源的電壓幅值與相位，使得岸側(cè)變頻電源對船側(cè)柴油發(fā)電機進行“跟蹤”，當(dāng)電壓的幅值與相位達到一致時完成并網(wǎng)動作。

岸電系統(tǒng)的預(yù)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 預(yù)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pre-synchronous control system

預(yù)同步控制系統(tǒng)共有兩個部分組成，幅值控制器與相位控制器。

幅值控制器獲取岸側(cè)變頻電源的三相電壓U2a，U2b，U2c幅值以及船側(cè)的三相電壓U1a，U1b，U1c幅值，通過PI 控制器不斷縮小兩者差值，并將差值計入?yún)⒖茧妷篣*中，將該幅值誤差的修正參考電壓V*d，作為后續(xù)電壓電流雙閉環(huán)控制的輸入整定值，從而不斷修正變頻電源輸出電壓幅值。

相位控制器在并網(wǎng)前，利用鎖相環(huán)獲取岸側(cè)變頻電源電壓Uc和船舶電網(wǎng)側(cè)運行電壓相角θg，以θg為輸入角對Uc作旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，目標(biāo)是盡量減小并網(wǎng)時岸船兩側(cè)電壓相位差，即θg與Uc的相位θc之間的差值應(yīng)該盡量小，如圖2 所示。

圖2 相位控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of phase control

即控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的Uc在q 軸上的分量Ucq為零。角頻率是相位的微分，因此相位間的差值可以視為圖中角頻率ωc與角頻率ωg之間的差值，同樣的，將該差值計入角頻率參考值ω*中，將修正參考角頻率ω作為后續(xù)電壓電流雙閉環(huán)控制的輸入整定值，從而不斷修正變頻電源輸出電壓相位。

1.2 岸電變頻電源控制模式

在船舶并網(wǎng)后，岸側(cè)的變頻電源系統(tǒng)一般采用下垂控制策略對變頻電源的有功、無功功率輸出進行控制。在船舶并網(wǎng)后，岸電系統(tǒng)的等效電路圖如圖3 所示。

圖3 并網(wǎng)后岸電系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of shore power system after grid connection

圖3中，Uc與θc表示岸側(cè)變頻電源系統(tǒng)電壓的幅值與相角，Ug與θg表示船側(cè)電力系統(tǒng)電壓幅值與相角，Zg與θz表示岸電系統(tǒng)連接線的阻抗值與相角，ZL與θL表示船側(cè)負(fù)荷的阻抗值與相角。

則并網(wǎng)后變頻電源的有功、無功功率可由式( 1)計算:

由于岸電系統(tǒng)中，連接線主要呈感性，且預(yù)同步模塊使得合閘后兩側(cè)電壓相位差較小，故可以做出如下近似處理:

從而得到化簡后的岸側(cè)變頻電源輸出的有功、無功功率如下:

由上式可知，變頻電源輸出的有功功率主要受到輸出的電壓相角控制，輸出的無功功率主要受到輸出的電壓幅值控制。類似地，角頻率是輸出電壓相角對時間的微分，因此可以通過控制角頻率從而達到對輸出電壓相角的控制。由此形成下垂特性如式(4) 所示:

式中ωn、En、Pn、Qn分為額定的角頻率、電壓、有功功率和無功功率; ω、E、P、Q分為實際的角頻率、電壓、有功功率和無功功率;m、n分別表示有功-頻率下垂系數(shù)與無功-電壓下垂系數(shù)。

由此，可以得到如圖4 所示的岸側(cè)變頻電源下垂控制系統(tǒng)。

圖4 變頻電源下垂控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of variable frequency power supply droop control

2 逆功率以及故障控制策略

2.1 逆功率控制策略

岸電系統(tǒng)中逆功率現(xiàn)象主要出現(xiàn)在岸船并網(wǎng)以及解列的過程中，由岸側(cè)變頻電源的輸出電壓與船側(cè)柴油發(fā)電機的輸出電壓的幅值、頻率不匹配所引起。逆功率現(xiàn)象及其性質(zhì)如表1 所示。

表1 逆功率現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因Tab.1 Reverse power phenomenon and causes

現(xiàn)實工況中，當(dāng)電壓幅值差值小于5%，相位角差值小于10°，即符合并網(wǎng)條件。因此在合閘時岸側(cè)與船側(cè)的電壓幅值、頻率、相位并非完全相同，從而導(dǎo)致并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生逆功率現(xiàn)象。

在出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象的情況下，系統(tǒng)沒有運行于穩(wěn)態(tài)，若直接切斷船側(cè)與岸側(cè)的連接，容易導(dǎo)致更為劇烈的功率波動。因此需要在岸電系統(tǒng)中設(shè)置逆功率保護裝置，實時檢測電壓、電流波形，進行潮流計算以及判斷功率流向，當(dāng)出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象且達到閾值的情況下，根據(jù)不同逆功率的種類，采取不同的控制手段。適用于岸電系統(tǒng)的逆功率保護裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 逆功率保護裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of reverse power protection device

因此，對于逆功率現(xiàn)象，可以通過調(diào)整變頻電源的運行參數(shù)以改變輸出電壓的幅值、頻率從而消除逆功率現(xiàn)象。

如圖5 所示，在負(fù)荷轉(zhuǎn)供過程中，電流互感器TA1檢測到圖中電流I1的方向為從船側(cè)到岸側(cè)( 圖中虛線箭頭方向) ，此時信號采集與處理模塊會向變頻電源控制模塊發(fā)出控制信號，直至電流互感器TA1檢測到電流I1流向變?yōu)閺陌秱?cè)流向船側(cè)( 圖中實線箭頭方向) 。

對于從岸側(cè)流向船側(cè)的逆功率現(xiàn)象，即電流互感器TA2檢測到圖中電流I2的方向為虛線箭頭方向，可以通過電流互感器TA2檢測到的電流I2以及電壓互感器TV3檢測到的電壓U2計算逆功率大小。同樣的，調(diào)整變頻電源的輸出電壓直至電流互感器TA2檢測到電流I2流向變?yōu)閺陌秱?cè)流向船側(cè)( 圖中實線箭頭方向) 。

具體的控制策略為一時間線性函數(shù)，如式(5) 所示:

式中T表示參數(shù); 下標(biāo)shore、ship 分別表示岸側(cè)、船側(cè);tstart表示控制開始的時刻;t表示當(dāng)前時刻;k為調(diào)節(jié)變化率大小。

由分析可以得出逆功率保護控制策略，如圖6 所示。

圖6 逆功率保護控制策略Fig.6 Reverse power protection control strategy

2.2 故障控制策略

當(dāng)兩側(cè)并網(wǎng)線路故障時，并網(wǎng)點的電壓發(fā)生跌落，需要通過調(diào)整電流內(nèi)環(huán)控制的參考值，使岸側(cè)變頻電源持續(xù)輸出無功功率支撐并網(wǎng)點電壓，保持船舶與岸電系統(tǒng)的連接與岸電系統(tǒng)對于船側(cè)負(fù)荷的供電能力。德國的E.ON 標(biāo)準(zhǔn)制定了低電壓穿越期間電壓跌落深度與變頻電源輸出無功電流之間的關(guān)系［15］，而在岸電系統(tǒng)中，可以借鑒低電壓穿越的要求，變頻電源需要供給船側(cè)負(fù)荷的無功部分，因此將上述條件修改成當(dāng)電壓跌落深度小于10%，逆變側(cè)輸出正常工作狀態(tài)下的無功電流。

岸側(cè)變頻電源中，整流側(cè)采用三相不可控整流，逆變側(cè)為可控部分。正常運行模式下，逆變側(cè)采用前文所述的電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制，將ABC 三相靜止坐標(biāo)系中的電氣量向d、q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進行投影，將電壓外環(huán)控制的輸出作為解耦后電流內(nèi)環(huán)控制的id，iq參考值。

當(dāng)出現(xiàn)故障使得并網(wǎng)點電壓跌落，故障切除后，電壓仍然處于跌落狀態(tài)，控制模式應(yīng)該迅速切換至岸側(cè)變頻電源優(yōu)先對無功電流進行控制，即id，iq的參考值從電壓外環(huán)控制的輸出變?yōu)榻o定的電流值i*d，i*q ，并根據(jù)電壓跌落深度的不同進行不同的控制，具體控制函數(shù)如下:

式中UN，IN為變頻電源額定電壓和額定電流;iqN與idN分別為正常工作狀態(tài)下電流內(nèi)環(huán)控制的參考值。

由式(6) 得到的i*d，i*q可以在發(fā)生故障時作為電流內(nèi)環(huán)控制的d、q 軸電流給定值，使得逆變器在故障期間向并網(wǎng)點注入無功功率，抬高并網(wǎng)點的電壓，實現(xiàn)了變頻電源逆變側(cè)對并網(wǎng)點電壓跌落的支撐，幫助快速恢復(fù)岸側(cè)變頻電源對船側(cè)負(fù)荷的供電。

3 仿真驗證

為了驗證文中提出的逆功率控制策略以及故障控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺上搭建岸電系統(tǒng)模型，并結(jié)合華東某遠洋港口電力設(shè)備實際情況以及船舶的實際參數(shù)，進行兩種策略的仿真，并分析得出結(jié)論。具體仿真模型參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

3.1 逆功率控制策略仿真驗證

逆功率保護控制仿真時長共2.5 s，0 －0.2 s 為岸側(cè)變頻電源與船側(cè)電力系統(tǒng)單獨運行; 0.2 s －0.6 s為并網(wǎng)前的預(yù)同步過程，預(yù)同步控制系統(tǒng)工作;岸側(cè)與船側(cè)于0.6 s 合閘，同時逆功率控制模塊檢測到由岸側(cè)流向船側(cè)的逆功率，動作，對逆功率進行抑制，于2 s 時完成岸側(cè)變頻電源對船側(cè)負(fù)荷的供電。

岸側(cè)變頻電源的輸出功率波形如圖7 所示。

圖7 變頻電源輸出功率Fig.7 Output power of frequency conversion power

如圖7 所示，于0.6 s 合閘后，岸側(cè)變頻電源瞬時輸出功率達到4 MW，當(dāng)檢測到逆功率出現(xiàn)時，逆功率控制模塊動作，對變頻電源輸出的電壓、電流進行抑制，變頻電源的輸出電壓、輸出電流波形如圖8、圖9所示。

圖8 變頻電源輸出電壓Fig.8 Output voltage of frequency conversion power

圖9 變頻電源輸出電流Fig.9 Output current of frequency conversion power

由圖8、圖9 可見，當(dāng)出現(xiàn)逆功率時，逆功率保護控制動作，調(diào)整變頻電源的輸出電壓幅值以及輸出電流幅值，于圖中0.61 s 處可見較為明顯的調(diào)整動作，以快速適應(yīng)船側(cè)額定負(fù)荷值3 MW，且整體逆功率控制策略于0.1 s 內(nèi)完成對變頻電源輸出功率的調(diào)整，完成了對于逆功率現(xiàn)象的快速且有效的消除。

3.2 故障控制策略仿真驗證

故障控制策略仿真于船側(cè)負(fù)荷全部由岸側(cè)變頻電源供電后繼續(xù)，于2.5 s 時合閘點發(fā)生三相短路，故障于2.53 s 切除，后采用上文所述的低電壓控制策略進行合閘點的電壓支撐以及對船側(cè)負(fù)荷供電的恢復(fù)。

仿真期間合閘點三相電壓波形如圖10 所示。

圖10 故障后合閘點三相電壓Fig.10 Three-phase voltage at the closing point after the fault

由圖10 可見，故障切除后，三相電壓發(fā)生振蕩，同時進行故障控制，合閘點三相電壓快速恢復(fù)，于2.57 s時合閘點三相電壓已經(jīng)恢復(fù)到額定電壓的90%; 于2.6 s時已經(jīng)基本到達穩(wěn)態(tài)，此時伴有較小的電壓波動;于2.7 s 已完全恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

仿真期間變頻電源支撐合閘點電壓恢復(fù)而輸出的無功功率以及有功功率如圖11、圖12 所示。

圖11 故障后變頻電源輸出無功功率Fig.11 Frequency conversion power output reactive power after the fault

圖12 故障后變頻電源輸出有功功率Fig.12 Frequency conversion power output active power after the fault

如圖11、圖12 所示，變頻電源的輸出無功功率同樣在故障切除后發(fā)生振蕩，隨后增加輸出的無功功率，開始對合閘點電壓進行支撐。當(dāng)電壓恢復(fù)到額定電壓的90%后，變頻電源輸出的無功功率開始下降，重新回到適應(yīng)船側(cè)負(fù)荷的0.2 Mvar。變頻電源輸出的有功功率同樣在2.65 s 時恢復(fù)到了3 MW，重新恢復(fù)對船側(cè)負(fù)荷的供電。

作為對比，在不采用故障控制策略的情況下，故障切除后合閘點三相電壓以及變頻電源輸出有功功率如圖13、圖14 所示。

圖13 故障后無控制策略合閘點三相電壓Fig.13 Three-phase voltage at the closing point after the fault without control strategy

圖14 故障后無控制策略變頻電源輸出有功功率Fig.14 Frequency conversion power output active power after the fault without control strategy

通過圖13、圖14 與圖10、圖12 的對比可見，在沒有使用故障控制策略時，電壓抬升到一定程度便開始發(fā)散，岸側(cè)變頻電源輸出有功功率同樣發(fā)散，會觸發(fā)斷路器斷開兩側(cè)連接。

而使用故障控制策略，則可以有效地在故障后供給無功功率幫助合閘點的電壓抬升到額定工作值，也迅速恢復(fù)岸側(cè)對于船側(cè)負(fù)荷的功率供給。

4 結(jié)束語

文中結(jié)合岸電系統(tǒng)特點，針對現(xiàn)有的岸電系統(tǒng)故障控制策略研究的缺失，提出適用于岸電系統(tǒng)的逆功率控制策略以及故障控制策略，通過仿真驗證，得出如下結(jié)論:

(1) 文中提出適用于岸電系統(tǒng)的逆功率控制策略以及逆功率保護裝置結(jié)構(gòu)，根據(jù)該策略對岸側(cè)變頻電源的電壓與電流進行調(diào)整，實現(xiàn)時船舶并網(wǎng)時對逆功率現(xiàn)象的快速抑制，提高對于船側(cè)負(fù)荷的供電質(zhì)量;

(2) 故障控制策略在發(fā)生電壓跌落時，提高岸側(cè)變頻電源輸出的無功功率，有效實現(xiàn)對合閘點的電壓支撐，并使岸側(cè)變頻電源快速恢復(fù)對船側(cè)負(fù)荷的供電，重新運行于穩(wěn)態(tài)。