工程船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)研究

摘 要：當(dāng)前的微電網(wǎng)逆變器切換頻次低，本文提出對(duì)工程船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究。首先進(jìn)行逆變器切換控制參數(shù)優(yōu)化，采用多階的方式擴(kuò)展控制覆蓋區(qū)域，設(shè)計(jì)多階下垂控制模塊?；诖?，進(jìn)行船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制同步建模，采用平滑切換輔助核驗(yàn)的形式來實(shí)現(xiàn)控制處理。測(cè)試結(jié)果表明，此次設(shè)計(jì)的船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)最終得出的單元切換頻次較高，這說明結(jié)果更真實(shí)、可靠，切換控制的效果明顯提升，在不同的背景條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)多層級(jí)控制處理，以此來強(qiáng)化工程船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制效果，具有重要的價(jià)值。

關(guān)鍵詞：工程船舶；微電網(wǎng)；逆變器；遠(yuǎn)程控制；實(shí)時(shí)監(jiān)控；船舶監(jiān)測(cè)網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM 464" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在新能源船舶領(lǐng)域，太陽能、風(fēng)能等可再生能源的引入，使船舶微電網(wǎng)系統(tǒng)的供電模式更加多樣化。然而，新能源發(fā)電應(yīng)用過程中也具有不穩(wěn)定性，如何將其產(chǎn)生的不穩(wěn)定直流電能轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流輸出，并在不同供電模式下實(shí)現(xiàn)可靠切換，是船舶微電網(wǎng)逆變器技術(shù)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。為解決該問題，本文設(shè)計(jì)了針對(duì)逆變器的應(yīng)對(duì)性控制方法。例如，內(nèi)模控制逆變器切換控制技術(shù)一般結(jié)合內(nèi)部模型來預(yù)測(cè)并補(bǔ)償系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器切換過程的精準(zhǔn)控制[1]。而虛擬同步發(fā)電機(jī)逆變器控制技術(shù)則是模擬傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性，使逆變器在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能夠提供更穩(wěn)定的電壓和頻率支持[2]。雖然該類技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的控制目標(biāo)，但是在不同的背景環(huán)境下，往往存在動(dòng)態(tài)性能不足、安全性能不高的問題。因此，本文提出對(duì)工程船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)的設(shè)計(jì)與分析研究。根據(jù)船舶微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)計(jì)更靈活、多變的逆變器切換控制結(jié)構(gòu)，在最短的時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)優(yōu)化與創(chuàng)新，以提高逆變器切換技術(shù)的動(dòng)態(tài)性能和安全性能。促進(jìn)船舶工業(yè)的綠色、低碳發(fā)展[3]。

1 設(shè)計(jì)船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)

1.1 逆變器切換控制參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)船舶微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，逆變器的切換涉及較多的控制環(huán)節(jié)，為均衡設(shè)計(jì)的切換控制效果，保持平衡，需要在設(shè)計(jì)控制程序前，先進(jìn)行實(shí)時(shí)執(zhí)行參數(shù)的設(shè)定及優(yōu)化處理[4]。針對(duì)輸出電壓的調(diào)控，通過仿真模擬可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Kp從初始值0.1增至0.15時(shí)，逆變器自身的輸出電壓波動(dòng)也會(huì)隨之顯著減少，同時(shí)Ti的微調(diào)速度也會(huì)從0.02s降至0.006s，以此來保證當(dāng)前的響應(yīng)程度，至此基本實(shí)現(xiàn)其的切換控制處理功能。隨后，確定微電網(wǎng)允許的覆蓋控制范圍，根據(jù)實(shí)時(shí)頻率的波動(dòng)，計(jì)算相位補(bǔ)償值[5]，如公式（1）所示。

（1）

式中：F為相位補(bǔ)償值；φ為覆蓋范圍；R為單元相位值；r為切換頻次；ε為可擴(kuò)展覆蓋區(qū)域。

根據(jù)當(dāng)前測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)相位補(bǔ)償值的計(jì)算[6]。調(diào)整Kp從0.05增至0.07，引入5°的相位補(bǔ)償，確保逆變器頻率控制的精度和穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)時(shí)輔助執(zhí)行參數(shù)的設(shè)定，見表1。

表1主要是對(duì)輔助執(zhí)行參數(shù)的設(shè)定，基于此，對(duì)并聯(lián)逆變器系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)載分配和功率均衡[7]。這部分一般是結(jié)合船舶微電網(wǎng)的應(yīng)用情況對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑切換和功率均衡分配處理，確保逆變器在不同并聯(lián)工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 多階下垂控制模塊設(shè)計(jì)

多階下垂控制模塊需要考慮切換控制過程中的傾斜調(diào)整問題。一般情況下，傳統(tǒng)下垂控制的下垂曲線均為定點(diǎn)固定，覆蓋范圍較廣，但是單一的定向較難實(shí)現(xiàn)均衡性覆蓋，無法更好地適應(yīng)實(shí)時(shí)的船舶工況[8]。為此需要進(jìn)行多階下垂控制模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)踐處理。明確負(fù)載的變化范圍以及逆變器的容量，計(jì)算下垂控制的斜率值，如公式（2）所示。

H=（m-n）2+∫?n （2）

式中：H為下垂控制斜率值；m和n分別為初始的負(fù)載范圍和實(shí)際的負(fù)載范圍；?為定點(diǎn)斜率。

結(jié)合當(dāng)前的測(cè)試需求，在同周期不同的電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)進(jìn)行斜率值變化情況的對(duì)比，以待后續(xù)的分析核驗(yàn)。基于當(dāng)前的情況，設(shè)計(jì)多階的下垂控制模塊結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1主要是對(duì)下垂控制模塊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析?；诖耍敕侄魏瘮?shù)，根據(jù)負(fù)載電流或功率的不同區(qū)間檢測(cè)逆變器自身的負(fù)載變化，結(jié)合斜率值，調(diào)整逆變器的輸出電壓或電流，促使其保持平衡。需要注意的是，當(dāng)前設(shè)計(jì)的下垂標(biāo)準(zhǔn)并不是固定的，而是結(jié)合實(shí)際的需求進(jìn)行核驗(yàn)與調(diào)整，增加下垂控制的靈活性與穩(wěn)定性。

1.3 船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制同步建模

同步建模旨在模擬逆變器在不同工作模式下的切換過程，并預(yù)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的變化，從而優(yōu)化控制策略。因此，需要考慮逆變器的基本電氣特性和控制策略，并對(duì)基礎(chǔ)的內(nèi)部狀態(tài)變量進(jìn)行描述處理，引入同步控制算法，計(jì)算逆變器切換的電網(wǎng)同步頻率，如公式（3）所示。

（3）

式中：E為電網(wǎng)同步頻率；δ為同步區(qū)域；?為實(shí)時(shí)控制相位值；q為同步可控差。

根據(jù)當(dāng)前測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)頻率的計(jì)算與設(shè)定。接下來，促使微電網(wǎng)的逆變器處于穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)置基礎(chǔ)的切換控制模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2主要是對(duì)船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制同步建模結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析。接下來，在模型中構(gòu)建多個(gè)輔助的同步切換控制場(chǎng)景，通過動(dòng)態(tài)空間的逆變約束，增設(shè)鎖相環(huán)（PLL）程序，構(gòu)建逆變器的切換控制輸出表達(dá)式，如公式（4）所示。

（4）

式中：A為切換控制輸出結(jié)果；χ為控制電網(wǎng)區(qū)；β為負(fù)載突變；υ為切換階段。

根據(jù)當(dāng)前測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析。需要注意的是，由于電網(wǎng)在運(yùn)行的過程中可能會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)故障或者控制換亂等，因此基于當(dāng)前的同步模型處理機(jī)制，要增加實(shí)時(shí)的容錯(cuò)處理機(jī)制，一旦出現(xiàn)逆變器輸出、電網(wǎng)失步等情況，容錯(cuò)機(jī)制和保護(hù)策略會(huì)立即警示，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理與調(diào)整，保證最終的控制效果。

1.4 平滑切換輔助核驗(yàn)實(shí)現(xiàn)控制處理

由于船舶工作過程中工況復(fù)雜多變，微電網(wǎng)系統(tǒng)需要在不同供電模式間可靠切換，例如新能源供電與柴油發(fā)電并聯(lián)供電等。為實(shí)現(xiàn)平滑切換，需要綜合考慮控制策略、參數(shù)調(diào)整及動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化。平滑切換控制實(shí)際上是針對(duì)運(yùn)行頻率預(yù)測(cè)控制進(jìn)行多次核驗(yàn)，最終確保控制效果的真實(shí)與可靠。先通過預(yù)測(cè)微電網(wǎng)在切換過程中的動(dòng)態(tài)行為，提前調(diào)整控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)平滑過渡。

設(shè)定一個(gè)重疊控制區(qū)域，在切換前后使2個(gè)控制器同時(shí)工作，并逐漸調(diào)整各自輸出權(quán)重，以減小切換過程中的不連續(xù)性。引入自飽和PI控制器改進(jìn)下垂控制的功率環(huán)，結(jié)合虛擬開關(guān)切換處理，自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，促使其處于適應(yīng)的系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)船舶的微電網(wǎng)逆變器運(yùn)行切換控制進(jìn)行實(shí)時(shí)核驗(yàn)修正，確保整個(gè)系統(tǒng)更安全和平穩(wěn)，強(qiáng)化整體的應(yīng)用性能。

2 試驗(yàn)

本次主要對(duì)工程船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行分析與驗(yàn)證研究，考慮最終測(cè)試結(jié)果的真實(shí)與可靠，選定對(duì)比的形式核驗(yàn)分析，以A工程船舶微電網(wǎng)作為此次測(cè)試的目標(biāo)對(duì)象。設(shè)定內(nèi)?？刂颇孀兤髑袚Q控制技術(shù)、虛擬同步發(fā)電機(jī)逆變器控制技術(shù)為此次設(shè)計(jì)的船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)的對(duì)比方法?；谏鲜霾杉膽?yīng)用數(shù)據(jù)和往期歷史信息，完成對(duì)基礎(chǔ)切換控制測(cè)試環(huán)境的部署搭建。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

結(jié)合船舶微電網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)況，根據(jù)逆變器的切換控制需求，構(gòu)建對(duì)應(yīng)的仿真測(cè)試環(huán)境。在當(dāng)前的仿真系統(tǒng)中接入MATLAB/SIMULINK，目的是搭建虛擬開關(guān)切換環(huán)境，并進(jìn)行測(cè)試設(shè)備的應(yīng)用關(guān)聯(lián)。測(cè)試船舶微電網(wǎng)的電壓、電流，采用雙環(huán)控制模式，增設(shè)Controlle的下垂控制功率環(huán)，明確電網(wǎng)逆變器的覆蓋范圍，在區(qū)域內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間互相搭接，形成循環(huán)式的監(jiān)測(cè)環(huán)境。接下來，根據(jù)實(shí)際的測(cè)定需求，設(shè)置對(duì)應(yīng)的輔助切換控制指標(biāo)和參數(shù)，見表2。

表2主要是對(duì)輔助測(cè)試指標(biāo)及參數(shù)的設(shè)定與分析。在此基礎(chǔ)上，基于當(dāng)前船舶的電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)況，對(duì)逆變器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，測(cè)定其是否處于穩(wěn)定的狀態(tài)，并將電壓、電流及頻率控制在基礎(chǔ)穩(wěn)定的范圍內(nèi)，為后續(xù)的測(cè)試控制奠定基礎(chǔ)條件。

2.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

在上述搭建的測(cè)試環(huán)境中，結(jié)合船舶微電網(wǎng)的運(yùn)行實(shí)況，對(duì)其逆變器的切換控制技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)定。設(shè)定3個(gè)基礎(chǔ)的逆變器切換模式，分別是并網(wǎng)運(yùn)行模式、獨(dú)立運(yùn)行模塊以及并網(wǎng)模式切換到獨(dú)立模式。設(shè)置負(fù)載A、負(fù)載B2種輔助模式，導(dǎo)入4組預(yù)設(shè)的切換控制指令組，先測(cè)定計(jì)算當(dāng)前單周期任務(wù)的切換耗時(shí)，如公式（5）所示。

（5）

式中：Q為切換耗時(shí)；ζ為切換覆蓋范圍；?為單周期逆變切換均值；u為切換頻率；x為切換實(shí)時(shí)切換頻率。

基于當(dāng)前的設(shè)定，對(duì)此時(shí)逆變器在不同模式下的電壓切換波形進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖3主要是對(duì)電壓切換波形的對(duì)比分析。在不同的工況條件下，結(jié)合船舶微電網(wǎng)運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)，測(cè)定逆變器的切換控制效率?；谏鲜鲇?jì)算得出的切換耗時(shí)為限值標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定0.2s、0.6s、0.8s以及1.2s4個(gè)時(shí)段進(jìn)行對(duì)應(yīng)切換，當(dāng)PI控制退出飽和狀態(tài)時(shí)，逆變器的切換之間趨于穩(wěn)定，此時(shí)計(jì)算此時(shí)的單元切換頻次，如公式（6）所示。

（6）

式中：y為單元切換頻次；κ為波形覆蓋區(qū)域；Z為切換耗時(shí)；A為微電網(wǎng)可控范圍。

測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析見表3。表3主要是對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析：與內(nèi)?？刂颇孀兤髑袚Q控制技術(shù)、虛擬同步發(fā)電機(jī)逆變器控制技術(shù)相比，此次設(shè)計(jì)的船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制技術(shù)最終得出的結(jié)果更真實(shí)、可靠，切換控制的效果明顯提升，在不同的背景條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)多層級(jí)控制處理，以此來強(qiáng)化工程船舶微電網(wǎng)逆變器切換控制效果，具有重要的價(jià)值。

3 結(jié)語

綜上所述，逆變器的切換控制不僅是對(duì)船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要保障，一定程度上也強(qiáng)化了實(shí)時(shí)的控制結(jié)構(gòu)，推動(dòng)相關(guān)行業(yè)向低碳方向轉(zhuǎn)型。此次以真實(shí)的測(cè)試環(huán)境為基礎(chǔ)，將逆變器的切換處理劃分為多個(gè)層級(jí)，進(jìn)一步靈活控制，實(shí)現(xiàn)定向覆蓋與切換控制，提升船舶微電網(wǎng)在不同工況下的適應(yīng)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)行業(yè)的技術(shù)突破。

參考文獻(xiàn)

[1]曹坤，艾永樂，李港星.基于內(nèi)模控制的逆變器并離網(wǎng)無縫切換策略研究[J].電子測(cè)量技術(shù)，2022，45（23）：19-24.

[2]王浩，郝正航，陳卓，等.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的儲(chǔ)能逆變器控制策略及無縫切換技術(shù)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2022，22（9）：3594-3600.

[3]孫婷婷.光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越的逆變器控制策略切換改進(jìn)研究[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2023（27）：1-4.

[4]胡樂德，孫偉琴，孫宏濤.微電網(wǎng)運(yùn)行模式中的無縫切換控制策略分析[J].集成電路應(yīng)用，2023，40（8）：184-185.

[5]梁紀(jì)峰，臧謙，姜玉潔，等.無儲(chǔ)能光伏逆變器多模態(tài)運(yùn)行與并離網(wǎng)切換策略研究[J].電工電能新技術(shù)，2023，42（7）：39-47.

[6]劉芳，徐韞鈺，何國慶，等.弱網(wǎng)下并網(wǎng)逆變器LVRT雙模式切換控制策略[J].電氣傳動(dòng)，2023，53（7）：13-18，48.

[7]王濤，安佳坤，王志潔，等.微電網(wǎng)光儲(chǔ)多源協(xié)調(diào)及多模式平滑切換控制[J].電力電子技術(shù)，2023，57（3）：99-103.

[8]張純江，徐菁遠(yuǎn)，慶宏陽，等.主從結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)逆變器離網(wǎng)全過程平滑切換控制策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2022，46（23）：125-133.