龐 宇 劉宏達

（1.哈爾濱工程大學 自動化學院 哈爾濱150001；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船舶電氣與通信

一種適用于新能源船舶的多功能并網(wǎng)逆變器

龐 宇1,2劉宏達1

（1.哈爾濱工程大學 自動化學院 哈爾濱150001；2.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

船舶電網(wǎng)電能質量不僅會影響設備的使用效率和可靠性，還會降低船舶運行的經(jīng)濟性和安全裕度，甚至威脅到船舶的安全性。隨著船舶新能源技術的不斷發(fā)展，各種新能源在船舶平臺上的使用也給船舶電網(wǎng)電能質量帶來一些新問題。文章分析了船舶電網(wǎng)電能質量的三個重要影響因素。基于改進型ip-iq法的諧波無功檢測的思想，提出一種多功能并網(wǎng)逆變器控制策略——既能夠充分利用逆變器的剩余容量，在完成并網(wǎng)的同時，還能夠提供無功補償、諧波抑制等多目標控制的一體化裝置，對船舶電網(wǎng)電能質量進行分散式補償和控制，不僅有效提高逆變器的利用效益，還節(jié)省寶貴的船舶空間，降低投資成本。該控制策略省去了低通濾波器，提高檢測速度和精度，能在無中性線的船舶三相三線制系統(tǒng)中無需改變傳統(tǒng)逆變器拓撲結構便能實現(xiàn)不平衡電流的補償，最后通過仿真驗證了該方法的正確性和有效性。

船舶新能源；多功能并網(wǎng)逆變器；改進型ip-iq法；船舶電網(wǎng)電能質量

引 言

隨著新能源技術的發(fā)展，未來新能源大部分將轉化為電能進行能量管理。由于不同能源發(fā)電設備的工作特性、架構模式各不相同，外加還要考慮船舶載體以及海洋環(huán)境的特點，因此在船舶上綜合利用各種能源發(fā)電，會涉及到不同發(fā)電單元和儲能裝置的管理、電能質量控制等問題。雖然目前大多仍以實際情況對傳統(tǒng)船舶電力系統(tǒng)進行相應改動，而沒有從系統(tǒng)的角度將新能源融入船舶電力系統(tǒng)之中。不過，隨著新能源發(fā)電滲透率的不斷提高以及規(guī)?；亟尤氪半娏ο到y(tǒng)，日后必將給船舶電網(wǎng)帶來革命性的發(fā)展。

船舶電網(wǎng)的電能質量問題正受到人們的不斷并注，它對于船上用電設備的使用效率、可靠性、使用壽命以及船舶運行的安全性和穩(wěn)定性都存在著很大的影響。船舶上電力電子裝置的增加，間歇性綠色能源的融入都會給船舶電網(wǎng)的電能質量帶來很大的影響。因此，構建含新能源的船舶電站的同時必須分析新能源發(fā)電設備的融入可能給船舶電力系統(tǒng)帶來的影響，并且提出合適的電能質量改善方法以保證船舶電網(wǎng)的電能質量。

本文針對船舶電力系統(tǒng)的特性和船舶電網(wǎng)的電能質量指標，簡要分析了影響含有新能源發(fā)電設備的船舶電網(wǎng)電能質量的兩個重要因素：一個是新能源發(fā)電設備造成的諧波、閃變以及電壓頻率的波動，另一個是船舶工況及負荷對電網(wǎng)電能質量的影響，如沖擊性和波動性負荷。然后根據(jù)主動補償、被動補償?shù)炔煌娔苜|量治理方式的特點，確定了一種適合于船舶平臺的電能質量綜合治理方法，即采用多功能并網(wǎng)逆變器，充分利用逆變器的剩余容量，在完成新能源并網(wǎng)發(fā)電的同時，還能夠提供無功補償、諧波抑制、三相不平衡治理等功能。

本文介紹的多功能并網(wǎng)逆變器是基于改進型ip-iq法的諧波無功檢測的理念，其具有以下兩個優(yōu)點：

（1）不需要采用低通濾波器（Low pass filter，LPF），提高檢測速度和精度，尤其適合于復雜多變的船舶工況下負荷對電網(wǎng)的不利影響，具有實用性。

（2）專為船舶電力系統(tǒng)三相三線制而設計，能在無中性線情況下完成不平衡電流的補償，且無需在普通逆變器上增加第四橋臂（即不改變拓撲結構），從而有效節(jié)省空間和成本，具有較好經(jīng)濟性。

1 船舶電網(wǎng)電能質量的研究

1.1 船舶電網(wǎng)電能質量的重要性

船舶電網(wǎng)中電能質量問題主要有兩方面的影響：一方面會降低設備的使用效率和可靠性，影響敏感性負荷的性能，大大減少其使用壽命，降低船舶運行的安全裕度，嚴重時甚至會威脅到船舶的安全性（比如一些推進電機等負荷的使用效率、并網(wǎng)逆變器的正常工作、船上的通訊、導航系統(tǒng)及海難救助設備都會受到電網(wǎng)電能質量的影響）；另一方面會使船舶運行經(jīng)濟性下降，較低的功率因數(shù)會增加系統(tǒng)線損，諧波還會產生損耗，若諧波超出一定范圍，則需采取降低航速或船舶電站降低容量的應急措施來確保船舶安全運行；但這會增加船舶總能耗，不利于節(jié)能。例如在2002年，我國一艘化學品船和一艘半潛船都因諧波超標使配電板過熱燒壞而只能降低航速和電站容量以保證船舶的安全運行；此外，我國“康盛”號和“泰安”號全電力推進船的電網(wǎng)容量選擇和安全性也曾因船上過多的電力電子變換裝置所產生的諧波而受到很大程度影響［1］。

1.2 船舶電網(wǎng)電能質量的影響因素

船舶電網(wǎng)容量相對較小，以及實際航行中會出現(xiàn)各種工況，含大功率和非線性負荷、電力電子裝置較多等，這些都會對船舶電網(wǎng)電能質量產生很大影響。船舶工況和海洋環(huán)境復雜多變，并且船舶在航行過程中，船上用電負荷的變化都會引起一系列電能質量問題，這些問題大致可分為三類：分布式電源造成的諧波、電壓和頻率的波動，船舶工況及負荷的影響，如負荷的突加、突卸，以及電網(wǎng)故障對暫態(tài)電能質量的影響。

1.2.1 分布式電源造成的影響

光伏發(fā)電設備會引起電壓波動和諧波污染，風力發(fā)電機并網(wǎng)會出現(xiàn)電壓跌落問題，燃料電池會引起諧波污染和降低功率因數(shù)，同步發(fā)電機式的微電源會引起頻率波動和電壓閃變等［2］。其原因包括外部環(huán)境和內部結構兩部分。前者是因為海洋環(huán)境復雜，溫差大、濕度高等造成風光能的間歇性、隨機性，從而導致發(fā)電設備并網(wǎng)電壓發(fā)生波動。而新能源并網(wǎng)系統(tǒng)內部結構對電能質量則會造成更大的影響。參考文獻［3］中對于大型滾裝船船上光伏并網(wǎng)系統(tǒng)內部結構對電網(wǎng)電能質量的影響作了具體分析，其中有Boost變換電路、MPPT控制方法、并網(wǎng)逆變器電路參數(shù)等部分。除分布式電源外，所連接的電力電子裝置也會造成嚴重的諧波污染。參考文獻［4-6］重點分析微網(wǎng)中由微源引發(fā)的諧波諧振，及其可能引發(fā)的并網(wǎng)逆變器脫網(wǎng)后果，并給出微網(wǎng)電能質量的標準和要求，指出電能質量在微網(wǎng)安全運行中的意義［7］。

1.2.2 船舶工況及負荷造成的影響

船舶工況復雜多變，對船舶電網(wǎng)參數(shù)影響較大，尤其航行中遇到惡劣天氣時，電網(wǎng)參數(shù)波動劇烈。負荷無功需求會造成船舶電網(wǎng)中電壓波動和閃變，非對稱負載和非線性負荷會產生大量的諧波。大型負荷啟停時，對小容量船舶電網(wǎng)的沖擊非常大，并惡化電能質量。

1.2.3 船舶電網(wǎng)故障對電能質量的影響

船舶電網(wǎng)故障主要造成暫態(tài)電能質量問題，包括電壓跌落和脈沖、暫態(tài)振蕩及浪涌等，如發(fā)生單三相故障、三相不平衡等［8］。

1.3 船舶電網(wǎng)電能質量的改善

有源濾波器和無功功補償設備等能很好改善電網(wǎng)電能質量，常用的有APF（Active power filter）、DVR（Dynamic voltage restorer）等電能質量控制裝置。文獻［9］綜合考慮了電能質量的改善效果和經(jīng)濟性，聯(lián)合使用APF與SVC（Static var compensator）。其中前者放于微源處，以消除諧波和小容量補償無功；后者放于負荷附近，就地滿足負荷無功需求，消除電壓波動［1］。

目前，考慮到并網(wǎng)逆變器和電能質量控制裝置在結構上的相似性，并且一般而言，并網(wǎng)逆變器會有較大的裕度（以光伏系統(tǒng)為例，往往僅使用額定容量的50%～70%），尚有很大的治理電能質量的潛力，因此很多學者都致力于將濾波及無功補償?shù)裙δ苋谌肽孀兤髦?，實現(xiàn)有功并網(wǎng)、電能質量改善的多功能復并網(wǎng)逆變器。參考文獻［10］將并網(wǎng)逆變器和APF結合起來，應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中，能在完成并網(wǎng)發(fā)電的同時治理諧波，不足之處是只針對三相對稱的負荷。參考文獻［11］所采用的的逆變器控制策略能實現(xiàn)無功補償以提高電網(wǎng)的功率因素，但功能單一，不具備諧波電流和三相不平衡的補償功能，所以還不是真正意義上的多功能逆變器。

［12， 13］對具有綜合電能質量補償功能的并網(wǎng)逆變器（Unified power quality conditioner，UPQC）進行深入研究，但過于昂貴，工程上不實用［7］。文獻［14， 15］對多功能并網(wǎng)逆變器的多種控制模式進行了完善，并創(chuàng)新性應用于綠色船舶，但這種逆變器增加了第四橋臂，不僅使控制策略復雜化還增加了裝置成本和體積。

這種從分布式電源變流器的控制策略出發(fā)，利用它去主動去改善電能質量的措施可稱為電能質量主動控制，通過變流器復合利用的控制方法，實現(xiàn)變流器的多目標控制［16］。船舶電網(wǎng)線路較短，且DG（Distributed generation）離負荷及諧波源較近，便于就地治理，并且DG分散式接入，形成電能質量治理的網(wǎng)絡化結構，根據(jù)用戶需求以及監(jiān)測點諧波嚴重情況制定個性化方案，即實現(xiàn)局部或全局的電能質量治理和控制。

因此，采用新型的控制策略能夠根據(jù)用戶的電網(wǎng)電能質量定制方案充分利用在安全條件（過載保護容量限制）下的動態(tài)剩余容量完成相應的電能質量治理功能，減少額外設備的投入就能同時完成并網(wǎng)發(fā)電和微網(wǎng)電能質量的分散式治理，與集中治理相結合，經(jīng)濟高效地改善電網(wǎng)的電能質量。

2 基于多功能逆變器的電能質量治理及其基本設計原理

采用靜止無功補償?shù)绕渌b置提供無功來支撐電壓和治理諧波提高船舶電網(wǎng)電能質量，不僅增加成本，還占用船艙的寶貴空間。多功能并網(wǎng)逆變器（Multi-functional grid-connected inverter，MFGCI）能夠在完成并網(wǎng)發(fā)電的同時，還能改善電網(wǎng)電能質量，在船舶電站電網(wǎng)中充分利用逆變器的剩余容量，減少額外設備的投入，能同時完成分布式電源并網(wǎng)發(fā)電向船舶電網(wǎng)傳輸有功和無功能量，以及對船舶電網(wǎng)電能質量的分散式或治理，與集中式治理相結合，經(jīng)濟高效地改善電網(wǎng)的電能質量，其中包括PCC處諧波和無功的補償、治理三相不平衡等［17］。相對于多臺功能單一的電力電子裝置而言，這種多目標控制、多功能復用的一體化裝置，將大幅降低系統(tǒng)投資和體積，因此非常適合船舶新能源發(fā)電系統(tǒng)，而針對船舶電網(wǎng)特性的并網(wǎng)逆變器及其控制策略的研究和設計是非常重要的。

從分布式發(fā)電（DG）并網(wǎng)系統(tǒng)和有源電力濾波（APF）的拓撲結構、工作原理、控制方法上分析可知，它們雖然存在著差異，但是本質是一樣的，將其組合在一起形成多功能并網(wǎng)逆變器是切實可行的。理由如下：

（1）其核心部分是逆變器，所采用的控制方式相似，都包含輸出電流控制部分，采用 PWM的控制方式。前者是分布式電源功率控制，后者是對諧波電流和無功電流的檢測。

（2）其直流側結構基本相同，都是起到穩(wěn)壓和抑制紋波作用。直流側的能量來源不同，DG系統(tǒng)是將其他形式的能量轉化為電能以此來穩(wěn)定直流側電壓了。而APF是將交流網(wǎng)的電能整流成直流能量，來穩(wěn)定直流母線電壓。

多功能并網(wǎng)逆變器其實就是在常規(guī)控制策略基礎上變化：通過電流檢測環(huán)節(jié)形成諧波和無功電流指令值，并和有功參考電流一起合成并網(wǎng)電流指令值，產生PWM信號控制開并管的通斷。

3 多功能并網(wǎng)逆變器的關鍵環(huán)節(jié)——諧波、無功電流檢測方法

3.1 傳統(tǒng)ip - iq 理論檢測方法

傳統(tǒng)ip- iq法在工程上大量使用，是基于瞬時功率理論，簡單可靠地實現(xiàn)準電網(wǎng)諧波電流，即使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變也能檢測出基波正序電流。ip- iq法原理如圖1所示：采樣的三相電流經(jīng)C32轉換矩陣轉換到α-β靜止坐標系，結合鎖相環(huán)得到的電網(wǎng)相位信號θ；再由矩陣C計算出有功和無功電流，經(jīng)低通濾波器獲得直流分量；最后再坐標逆變換，與原電流做差，可得出諧波和無功目標電流。圖中的開并可以實現(xiàn)無功補償，還可通過提取出的無功電流計算求出無功功率的大小，防止逆變器過載。

但傳統(tǒng)ip- iq法僅適用于三相三線對稱系統(tǒng)，船舶電力系統(tǒng)雖然是三相三線制，但也存在著三相不平衡問題，在傳統(tǒng)ip- iq法中需要使用低通濾波器（LPF），這會讓諧波電流的檢測時間產生一定的延遲，降低其動態(tài)性能。另外還有一個重要問題：傳統(tǒng)ip- iq法中還采用鎖相環(huán)（PLL）以獲得標準旋轉矢量的相角；然而船舶負荷量差異大且工況多變，這會造成船舶電網(wǎng)電壓和頻率的頻繁波動，大大影響鎖相環(huán)檢測的準確性和精度，這就需要采用適合船舶電網(wǎng)特性的改進的ip- iq法（不需要增加用于控制中性線的第四橋臂和鎖相環(huán)）來解決上述問題［18］。

3.2 基于平均值理論的ip-iq法

平均值模塊也是以同步變換為基礎，替代了傳統(tǒng)ip- iq法中的低通濾波器，平均值法在連續(xù)域中為，原理如圖2所示。

系統(tǒng)中若出現(xiàn)三相不平衡電壓，首先采用對稱分量法將零序電壓分離出來，剩余的正負序電壓采用類似ip、iq的變換，經(jīng)過平均值計算模塊，求得其直流分量。

其中變換坐標為：

由平均值電流計算模塊獲得負載電流基波的有功和無功分量，再通過反變換得到三相基波電流：

從而可以求出目標電流：

把式（2）代入式（3）可得：

通過平均值模塊后的直流分量為：

改進后的平均值模塊延時變短，大大減少電流檢測時間，提高諧波電流補償?shù)膶崟r性。最終，基于平均值理論的ip-iq法原理如圖4所示。

與傳統(tǒng)ip-iq法類似，采樣的三相電流剔除掉零序分量后經(jīng)C32轉換矩陣轉換到α-β靜止坐標系；結合通過相位信號計算模塊得到的φu，再由矩陣C計算出有功和無功電流，經(jīng)低通濾波器獲得直流分量，最后進行坐標逆變換，與原電流做差，可以得出諧波和無功目標電流。

3.3 目標電流的生成

多功能逆變器的目標電流包括電流源型DG并網(wǎng)有功電流（如光伏系統(tǒng)通過最大功率跟蹤獲得）、系統(tǒng)諧波和無功指令電流，后者通過上面的改進型ip-iq法準確和快速地檢測出來。逆變器有以下三種工作狀態(tài)：一是DG單獨并網(wǎng)發(fā)電；二是單獨實現(xiàn)APF的功能；三是DG完成并網(wǎng)發(fā)電，并提供APF的功能。

船舶電網(wǎng)電能質量參數(shù)的具體要求目前還未統(tǒng)一，均根據(jù)不同船的實際需求而定。本文將根據(jù)總諧波含量、功率因素及逆變器容量三個方面來確定目標電流。首先目標電流的生成會涉及以下幾個變量［21］：

（1）系統(tǒng)總諧波含量THD：

式中：IH為總諧波的有效值；I1為基波的有效值。（2）功率因素Q

式中：ip和iq分別為有功電流和無功電流。

（3）總諧波含量偏差量，即船舶電網(wǎng)實際的諧波電流值與相并標準（本文設定THD≤5%）之間的偏差量。

則應補償總諧波為：

（4）無功電流偏差量，即其實際值與相并標準（本文設定為≥0.9）之間的偏差量。

則應補償無功為：

（5）逆變器剩余容量［21］，即逆變器總容量（用額定電流I0表示），除去DG并網(wǎng)有功電流ip。

目標電流的生成可分為以下四種情況：

（1）THD≤5%，Q≥0.9，即電網(wǎng)的總諧波含量、功率因數(shù)均符合相并標準，既不用補償諧波也不用補償無功電流。此時諧波和無功電流指令值為：

（2）THD≤5%，Q＜0.9，即電網(wǎng)中僅因數(shù)不符合相并標準。此時要對無功的偏差量和逆變器剩余容量之間作以下判斷：①若無功偏差量小于剩余容量，則對無功完全補償；②剩余容量剛達到或不足，則剩余容量全部補償無功。此時諧波和無功電流指令值為：

（3）THD＞5%，Q≥0.9，即電網(wǎng)中僅總諧波含量不符合相并標準，判斷同（2），此時諧波和無功電流指令值為：

（4）THD＞5%，Q＜0.9，即電網(wǎng)的總諧波含量和無功含量不符合相并標準。此時判斷準則為：①總諧波和無功補償量之和不大于逆變器剩余容量；②優(yōu)先對諧波含量偏差量和無功偏差量二者較大的進行補償，令其滿足要求后再對另一指標進行補償。此時諧波和無功電流指令值為：

通過上述計算便可求出諧波和無功指令電流。把諧波電流指令值，以及無功與有功指令電流合成經(jīng)過坐標變換所得到的基波值進行疊加，便可得到目標電流，原理如圖5所示。

4 多功能逆變器仿真分析

在Matlab/Simulink下搭建仿真模型，為了驗證多功能逆變器的綜合性能，選用三相整流負載和三相不平衡負載，如圖6所示。其中：前者每相的阻抗值不同，可產生不對稱電流；后者觸發(fā)角固定，可產生諧波電流。

4.1 多功能逆變器電能質量的治理

首先接入三相整流負載。一開始由三相交流電源供電，在0.2s時光伏并網(wǎng)逆變器投入，進行了諧波治理和無功補償。

從圖7可以看出，非線性負載產生含有大量諧波的“馬鞍波”電流，經(jīng)過逆變器有源濾波后，變成了正弦波形狀，通過對比圖8（a）（b），總諧波含量從20%降至1.82%。其中，對電力系統(tǒng)影響最大的第3、5、7次諧波含量從20%以上降至0.9%左右，高次諧波含量也明顯降低，從圖8（c）看出，功率因數(shù)從92.5%升至約100%，動態(tài)補償無功效果顯著。這表明電網(wǎng)電能質量獲得明顯改善。

然后接入三相不平衡負載。如前所述，一開始負載由三相交流電源供電，在0.2s時光伏并網(wǎng)逆變器投入，進行了電能質量治理，效果如下頁圖9和圖10所示。

出現(xiàn)三相不平衡電流時，中性點電流不為0，從圖11可以看出，傳統(tǒng)ip-iq法的多功能逆變器無法解決電網(wǎng)中出現(xiàn)的三相不平衡問題。

4.2 改進型 ip-iq法檢測性能仿真

前文分析了傳統(tǒng)ip-iq法中，由于使用了低通濾波器，使得諧波電流的檢測存在一定延時（可能是周期的數(shù)倍），而本文的改進型檢測算法，使延遲周期最低可降至六分之一，大大提升了檢測速度。下面將使用截止頻率為20 Hz的低通濾波器傳統(tǒng)檢測法與改進型檢測法的有功電流和無功電流檢測速度進行比較（參見圖12）。

從圖12（a）可以看出，傳統(tǒng)諧波檢測方法中，0.06s后才完成對有功和無功電流的提取，說明該方法存在著近三個周期的延遲，檢測速度較慢。而圖12（b）中，有功電流在0.01s，無功電流在0.015s時就達到穩(wěn)定，檢測速度很快。

當出現(xiàn)三相電壓不平衡時，三相電壓中會出現(xiàn)了零、負序電壓，傳統(tǒng)檢測方法使用到的鎖相環(huán)對電壓相位的檢測會出現(xiàn)偏差。為了驗證改進檢測方法在三相電壓不平衡時能準確的提取電壓相角，仿真中設置三相電源電壓的初相角為60°。圖13是以改進檢測方式提取的相角。

5 結 論

本文分析了船舶電網(wǎng)電能質量對船舶設備的正常工作，船舶航行的安全，以及船舶的節(jié)能效益的影響，反映了優(yōu)質的電能對于保障船舶電力系統(tǒng)的安全、高效、經(jīng)濟地運行的重要性。船舶電網(wǎng)容量較小、工況多變，大型電機負荷等因素對船舶電網(wǎng)的電能質量影響較大。本文基于改進型ip-iq法的諧波無功檢測的思想，提出一種多功能并網(wǎng)逆變器控制策略，從而能夠充分利用逆變器的剩余容量，在完成并網(wǎng)發(fā)電的同時進行無功補償、諧波抑制和三相不平衡補償?shù)绕渌δ?，不僅提高逆變器的利用效益，還節(jié)省寶貴的船舶空間，并且有效降低投資成本。文章通過仿真驗證了該方法的正確性和有效性。

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Multi-functional grid-connected inverter suitable for new energy ship

PANG Yu1,2LIU Hong-da1
(1.school of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 2.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

The power quality of the ship electric network will affect the efficiency and reliability of the equipment, and reduce the economy and safety margin of the ship operation, as well as seriously threaten the ship safety. With the increasing development of the new marine energy, the application of the new energy on ships brings out new problems of power quality. This paper analyzes the three important factors that affect the power quality of the ship electric network , including the harmonic wave produced by the distributed power, the fluctuation of voltage and frequency, and the network fault. Based on the modified ip-iq harmonic reactive power detection method, it proposes a multi- functional grid-connected inverter control strategy, which can fully utilize the residual capacity of the inverter. While the grid connection is completed, it can provide the multi- objective control integrated devices,such as the reactive power compensation and harmonic suppression, for the distributed compensation and control of the power quality of the ship electric network. It can also improve the availability of the inverter,save the valuable ship space and reduce the investment cost. This control strategy eliminates the low-pass filter, and improves the detection speed and accuracy.moreover, the unbalanced current compensation can be realized without changing the traditional inverter topology in a marine three-phase three-wire system without neutral line. Finally, the correctness and effectiveness of this method are validated by simulation.

new marine energy;multi-functional grid-connected inverter; improved ip-iqmethod; power quality ofship electric network

TM464

A

1001-9855（2017）05-0065-10

2017-01-11；

2017-02-24

龐 宇（1990-），男，碩士研究生。研究方向：新能源發(fā)電、船舶電力系統(tǒng)、虛擬同步發(fā)電機技術。

劉宏達（1976-），男，博士，副教授。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.065