湯旭晶, 喻 航, 孫玉偉, 袁成清, 嚴(yán)新平, 邱爰超

(武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院;b.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心;c.交通運(yùn)輸部船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063)

基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的船舶光伏并網(wǎng)逆變控制策略

湯旭晶a,b,c, 喻 航a, 孫玉偉a,b,c, 袁成清a,b,c, 嚴(yán)新平a,b,c, 邱爰超a

(武漢理工大學(xué) a.能源與動(dòng)力工程學(xué)院;b.國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心;c.交通運(yùn)輸部船舶動(dòng)力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430063)

在船舶電力系統(tǒng)中集成并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)，當(dāng)傳統(tǒng)恒功率(PQ)控制策略光伏逆變器與船舶電站并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，存在慣性小、阻尼低且不易實(shí)現(xiàn)光伏能量合理調(diào)度等問題。針對(duì)PQ控制策略存在的缺陷，提出一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)(Virtual Synchronous Generator,VSG)的光伏并網(wǎng)逆變控制策略，在控制算法中引入功-頻下垂特性和虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，使并網(wǎng)逆變器具有與同步發(fā)電機(jī)相似的輸出下垂特性及慣性阻尼；利用PSCAD/EMTDC建立船舶光伏電-船電并網(wǎng)電力系統(tǒng)仿真模型，分別對(duì)PQ和VSG模式下的電網(wǎng)頻率/電壓波動(dòng)、光伏并網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機(jī)組承擔(dān)的有功功率/無功功率進(jìn)行分析，研究系統(tǒng)參數(shù)的暫態(tài)變化。結(jié)果表明：采用VSG控制策略能有效抑制系統(tǒng)頻率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)，并顯著提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

船舶；光伏系統(tǒng)；并網(wǎng)；虛擬同步發(fā)電機(jī)；下垂控制

太陽能光伏發(fā)電作為當(dāng)今世界上開發(fā)利用可再生能源的主要形式之一，具有無污染、無噪聲和維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。近年來，隨著各國(guó)對(duì)綠色船舶越來越重視，以太陽能為輔助電力能源的新能源船舶逐漸增多，并得到廣泛關(guān)注和研究。[1]根據(jù)電能流向的不同，光伏發(fā)電在船舶上的應(yīng)用可分為離網(wǎng)型、并網(wǎng)型和離并網(wǎng)混合型等3種模式[2]，其中離網(wǎng)型光伏系統(tǒng)因需配置大容量?jī)?chǔ)能裝置，投資成本較高，且光伏逆變功率由后級(jí)負(fù)載決定，無法實(shí)現(xiàn)光伏能源的即發(fā)即用，會(huì)降低光伏能源的利用效率。隨著光伏能源占全船電力能源的比例不斷增大，將光伏系統(tǒng)與船舶電站并聯(lián)運(yùn)行是減少儲(chǔ)能裝置投資、提高全船能源利用效率的有效途徑。[3]逆變器(INVerter, INV)作為光伏并網(wǎng)應(yīng)用的核心，其控制策略與逆變器的工作模式和調(diào)制效果息息相關(guān)。目前陸用光伏系統(tǒng)通常采用恒功率(PQ)控制逆變并網(wǎng)。然而，當(dāng)光伏能源并入相對(duì)孤立、容量有限、強(qiáng)耦合和非線性的船舶電力系統(tǒng)時(shí)，若仍采用PQ控制逆變，則當(dāng)船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量參數(shù)(電壓或頻率)大幅波動(dòng)時(shí)，會(huì)因并網(wǎng)運(yùn)行條件限制而突發(fā)逆變器脫網(wǎng)停機(jī)的現(xiàn)象，帶來同步發(fā)電機(jī) (Synchronous Generator, SG)輸出功率陡增和暫態(tài)電流沖擊的問題，影響船舶電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，PQ控制逆變電源的輸出特性與同步發(fā)電機(jī)組有顯著區(qū)別，難以由船舶能量管理系統(tǒng)(Power Management System, PMS)合理地為其分配輸出功率。[4]

這里針對(duì)PQ控制存在的上述問題，提出基于虛擬同步發(fā)電機(jī)算法(Virtual Synchronous Generator, VSG)的船舶光伏并網(wǎng)逆變控制策略。通過借鑒同步發(fā)電機(jī)組功-頻下垂特性基本原理，引入一次調(diào)頻功率指令，使逆變電源從外特性上模擬同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)頻特性，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)[5]；通過構(gòu)造虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為逆變器提供一定的旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼分量，使其具有與柴油發(fā)電機(jī)組相似的電氣和機(jī)械特性[6]，從而改善光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)條件，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。利用PSCAD/EMTDC搭建光伏電-船電并網(wǎng)電力系統(tǒng)仿真模型，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了VSG控制策略的合理性和有效性。

1 船舶光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理見圖1。光伏陣列發(fā)出的直流電經(jīng)光伏控制器降壓及最大功率追蹤之后，由逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電并入船舶電網(wǎng)。[7]船舶PMS對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程實(shí)施監(jiān)測(cè)、控制、保護(hù)和能量調(diào)度。

圖1 船舶光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略

2.1 等效虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量控制

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)的基本原理，忽略其定子電氣特性以避免復(fù)雜的電磁暫態(tài)計(jì)算過程，建立虛擬同步發(fā)電機(jī)二階暫態(tài)模型，其中轉(zhuǎn)子機(jī)械方程為

(1)

式(1)中：J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ω為機(jī)械角速度；MT為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Me為電磁轉(zhuǎn)矩。

由虛擬同步發(fā)電機(jī)電角速度ω與機(jī)械角速度Ω之間的關(guān)系ω=PΩ，取極對(duì)數(shù)P=1，式(1)可表示為

(2)

式(2)中：PT為機(jī)械功率；Pe為電磁功率。

(3)

由式(3)可知,當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)，VSG逆變器等效虛擬慣量功率指令與電網(wǎng)頻率及頻率變化率之積成正比[8],即:在電網(wǎng)頻率暫態(tài)變化過程中，當(dāng)頻率低于額定值時(shí)，VSG逆變器增加有功功率輸出；當(dāng)頻率高于額定值時(shí)，VSG逆變器減少有功功率輸出。由于電力電子設(shè)備開關(guān)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)少于同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間，因此當(dāng)負(fù)載變化造成頻率突變時(shí)，VSG逆變器可迅速增/減并網(wǎng)輸出功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)的抑制。當(dāng)電網(wǎng)頻率由暫態(tài)過程過渡到穩(wěn)態(tài)過程之后，虛擬慣量功率輸出為零。為保證穩(wěn)態(tài)時(shí)逆變器輸出有效的功率，可在逆變算法中引入下垂控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電網(wǎng)負(fù)載功率的合理分配。

2.2 基于有差調(diào)節(jié)特性的下垂控制

并聯(lián)運(yùn)行船舶同步發(fā)電機(jī)間有功功率的分配與發(fā)電機(jī)組的功-頻(P-f)特性有關(guān)，為使并網(wǎng)機(jī)組在任意負(fù)載下都能按容量比例自動(dòng)分配有功功率，原動(dòng)機(jī)調(diào)速器一般采用下垂有差特性控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速(見圖2)。[9]若具有功-頻有差特性的并網(wǎng)逆變器與同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，根據(jù)上述原理，也可實(shí)現(xiàn)因負(fù)荷變化造成系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，逆變器并網(wǎng)有功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。[10]

圖2 同步發(fā)電機(jī)功頻有差特性

圖2中,發(fā)電機(jī)組初始時(shí)刻運(yùn)行于額定工作點(diǎn)N，隨著系統(tǒng)負(fù)荷的增加，發(fā)電機(jī)組工作點(diǎn)逐漸下移，最后在A點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。電網(wǎng)負(fù)荷變化導(dǎo)致的頻率變化量為Δf，相應(yīng)的功率變化量為ΔP，下垂控制傾斜度用調(diào)差系數(shù)K表示，即

(4)

以光伏逆變器與柴油同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行為例，當(dāng)船舶電力負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，逆變器和同步發(fā)電機(jī)組的有功功率變化量分別設(shè)為ΔP1及ΔP2，由于并聯(lián)運(yùn)行時(shí)二者的頻率變化量相等，因此功率變化量與其調(diào)差系數(shù)K1及K2滿足

(5)

可見，光伏逆變器和柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)的電力負(fù)荷與其調(diào)差系數(shù)成反比[11]，PMS在對(duì)儲(chǔ)能裝置容量、逆變器當(dāng)前輸出功率及全船電力負(fù)荷等重要信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集的基礎(chǔ)上，根據(jù)一定的能量管理策略設(shè)定相應(yīng)的逆變器額定功率PN和調(diào)差系統(tǒng)K1，可實(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器輸出有功功率的動(dòng)態(tài)控制。圖3為引入等效虛擬慣量功率并基于有差調(diào)節(jié)的下垂控制算法原理，其中：fN為設(shè)定的電網(wǎng)額定頻率；f為實(shí)際運(yùn)行頻率；1/K為比例控制系數(shù)；Pinertia為等效虛擬慣量功率；Pdroop為下垂控制輸出功率指令值；Pref為解算并網(wǎng)逆變器輸出功率指令值。

圖3 虛擬同步發(fā)電機(jī)下垂控制算法原理

2.3 有功功率與無功功率的解耦控制

無論是虛擬慣量控制還是下垂控制，在本質(zhì)上都需對(duì)功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率和無功功率的有效跟蹤。根據(jù)瞬時(shí)功率理論，將逆變器有功功率P和無功功率Q輸出的控制解耦成有功電流及無功電流的控制[12]，在靜止dq直角坐標(biāo)系下可表示為

(6)

假設(shè)電網(wǎng)三相電壓為理想的正弦波，則有

(7)

式(7)中:Um為電網(wǎng)電壓峰值;ω1為基波角頻率。將三相電壓先后經(jīng)Clarke變換和Park變換，由三相坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到靜止直角坐標(biāo)系[13]中，可得

(8)

則式(6)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

(9)

引入比例積分控制環(huán)節(jié)，可得

(10)

(11)

為提高光伏能源的利用效率，需盡可能地完全轉(zhuǎn)換，以利用其有功功率部分。設(shè)定光伏逆變器運(yùn)行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，即僅向電網(wǎng)輸送有功功率，系統(tǒng)無功功率均由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)[14]，上述采用功率外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)的有功功率和無功功率雙環(huán)解耦控制算法見圖4。

圖4 有功功率和無功功率雙環(huán)解耦控制算法

3 仿真與試驗(yàn)分析

在PSCAD/EMTDC仿真平臺(tái)上建立某汽車滾裝船的光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化仿真模型(見圖5)。柴油同步發(fā)電機(jī)組的容量為1 200 kV·A，額定功率為960 kW；光伏并網(wǎng)逆變器的額定容量為150 kW。考慮到實(shí)船光伏系統(tǒng)集成有較大容量的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)(700 kW·h)，可起到穩(wěn)定光伏逆變器直流輸入端電壓和平衡供/耗功率的作用，在仿真模型中采用直流恒壓源替代光伏電池陣列予以簡(jiǎn)化。從驗(yàn)證所提逆變并網(wǎng)控制策略的有效性的角度出發(fā)，不考慮多臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行過程中自動(dòng)調(diào)頻調(diào)載裝置對(duì)電網(wǎng)電壓和頻率的控制作用，仿真模型中僅設(shè)定光伏系統(tǒng)與單臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)組網(wǎng)的算例，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表1。

圖5 船舶光伏并網(wǎng)電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化仿真模型

算例設(shè)置：在初始狀態(tài)下，連續(xù)性負(fù)荷有功功率為598.6 kW；通過PMS調(diào)控，光伏系統(tǒng)承擔(dān)有功功率30 kW，柴油發(fā)電機(jī)組承擔(dān)有功功率568.6 kW；10 s時(shí)刻間斷性負(fù)荷156 kW全部接入船舶電網(wǎng)；20 s時(shí)刻切離間斷性負(fù)荷78 kW。為防止電網(wǎng)頻率小范圍頻繁波動(dòng)造成光伏并網(wǎng)逆變器因過度響應(yīng)而引發(fā)電網(wǎng)振蕩，在控制算法中設(shè)定調(diào)節(jié)死區(qū)范圍為±0.3 Hz(當(dāng)頻率變化量在死區(qū)內(nèi)時(shí)，Pinertia輸出為零)；為防止光伏并網(wǎng)逆變器輸出過載，在算例中設(shè)定并網(wǎng)逆變器最大輸出功率為150 kW；逆變器并網(wǎng)功率因數(shù)為1，為純有功輸出。

3.1 對(duì)頻率和電壓波動(dòng)的抑制作用分析

對(duì)比采用PQ控制策略和VSG控制策略的光伏并網(wǎng)逆變器與同步發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行之后發(fā)生電網(wǎng)負(fù)荷大幅突變時(shí)的電網(wǎng)頻率及電壓波動(dòng)，結(jié)果見圖6～圖9。

從圖6～圖9中可看出:

1)在第10 s突增156 kW負(fù)載之后的波動(dòng)狀況:在PQ模式下,電網(wǎng)頻率的波動(dòng)范圍為58.8～60.3 Hz，靜態(tài)穩(wěn)定值為59.6 Hz(降幅為0.6%)，瞬態(tài)電壓突降至432 V(降幅為4%);在VSG模式下,電網(wǎng)頻率的波動(dòng)范圍為59.3～60.1 Hz，靜態(tài)穩(wěn)定值為59.75 Hz(降幅為0.4%)，瞬態(tài)電壓突降至428 V(降幅為4.9%);在2種模式下,電壓恢復(fù)時(shí)間(電網(wǎng)電壓恢復(fù)到與額定值相差3%以內(nèi)所需時(shí)間)均<0.1 s。

圖6 在PQ模式下電網(wǎng)頻率波動(dòng)

圖7 在VSG模式下電網(wǎng)頻率波動(dòng)

圖8 在PQ模式下并網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)

圖9 在VSG模式下并網(wǎng)系統(tǒng)電壓波動(dòng)

2)在第20 s突減78 kW負(fù)載之后的波動(dòng)狀況:在PQ模式下,電網(wǎng)頻率的波動(dòng)范圍為59.5～60.2 Hz，靜態(tài)穩(wěn)定值為59.7 Hz(降幅為0.5%);在VSG模式下,電網(wǎng)頻率的波動(dòng)范圍為59.7～60.2 Hz，靜態(tài)穩(wěn)定值為59.8 Hz(降幅為0.3%)；在2種模式下,電壓波動(dòng)幅值均為457 V(增幅為1.5%)，電壓恢復(fù)時(shí)間均<0.1 s。

3.2 有功/無功功率輸出特性差異分析

在分別采用PQ控制策略和VSG控制策略的條件下，光伏并網(wǎng)逆變器和同步發(fā)電機(jī)組有功功率輸出變化情況見圖10及圖11，相應(yīng)的無功功率輸出變化情況見圖12及圖13。

圖10 在PQ & VSG模式下INV有功功率輸出

圖11 在PQ & VSG模式下SG有功功率輸出

圖12 在PQ模式下INV和SG無功功率輸出

圖13 在VSG模式下INV和SG無功功率輸出

從圖10～圖13中可看出:

1)采用PQ控制策略，在電力負(fù)荷大幅突變的時(shí)刻，船舶電網(wǎng)電力負(fù)荷的變化完全由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)，光伏并網(wǎng)逆變器輸出功率始終保持在30 kW左右，無法實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率的動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

2)采用VSG控制策略，逆變器并網(wǎng)功率在第10 s時(shí)突增至140 kW，之后在1.5 s內(nèi)逐步降低并穩(wěn)定在104 kW(負(fù)荷率69.33%，承擔(dān)變動(dòng)負(fù)荷部分48.05%);同步發(fā)電機(jī)組輸出功率在該暫態(tài)過程中先陡增至630 kW左右，之后在3 s內(nèi)逐步提高并穩(wěn)定在650 kW(負(fù)荷率67.71%，承擔(dān)變動(dòng)負(fù)荷部分51.95%)。在第20 s時(shí)，逆變器并網(wǎng)功率驟減至50 kW，隨后逐漸提升并穩(wěn)定在68 kW(負(fù)荷率45.33%，承擔(dān)變動(dòng)負(fù)荷部分46.15%);同步發(fā)電機(jī)組輸出功率在該暫態(tài)過程中先陡降至628 kW，隨后在2 s內(nèi)逐步降低并穩(wěn)定在608 kW左右(負(fù)荷率63.33%，承擔(dān)變動(dòng)負(fù)荷部分53.85%)。

3)在2種控制策略下，并網(wǎng)逆變器無功功率輸出始終為零，系統(tǒng)無功功率變化均由同步發(fā)電機(jī)組承擔(dān)。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)采用PQ控制策略的并網(wǎng)逆變器無法實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、慣性小和阻尼低的特性，提出一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的逆變并網(wǎng)控制策略，通過在控制環(huán)節(jié)中引入虛擬慣量功率模擬同步發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)特性，通過采用基于功-頻有差特性的下垂控制算法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí)光伏并網(wǎng)功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。研究結(jié)果表明：

1)在電網(wǎng)有功負(fù)荷突變過程中，光伏并網(wǎng)逆變器采用VSG控制策略對(duì)電網(wǎng)頻率波動(dòng)和靜態(tài)偏差的抑制作用要優(yōu)于采用PQ控制策略，對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)和穩(wěn)定時(shí)間的控制效果與PQ控制策略相當(dāng)。

2)當(dāng)電網(wǎng)頻率由暫態(tài)過程過渡到穩(wěn)態(tài)過程之后，基于P-f下垂特性的VSG逆變器能通過靜態(tài)有差調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)按比例分擔(dān)電網(wǎng)變動(dòng)負(fù)荷，與采用PQ控制策略的并網(wǎng)逆變器相比動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性更好。

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Grid-ConnectedPhotovoltaicshipInverterControlStrategyBasedonVirtualSynchronousGenerator

TANGXujinga,b,c,YUHanga,SUNYuweia,b，c,YUANChengqinga,b,c,YANXinpinga,b,c,QIUYuanchaoa

(a. School of Energy and Power Engineering; b. National Engineering Research Center for Water Transport Safety; c. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

With the integrated application of grid-connected photovoltaic(PV) system in traditional marine electric power systems, the solar PV inverter which adopts the conventional constant power (PQ) control strategy having some inevitable problems when in parallel operation with ship power station, such as low damping, low system inertia and difficulty in achieving rational energy management. Aiming at the shortcomings of PQ control strategy, a kind of innovative control strategy of Virtual Synchronous Generator (VSG) is proposed for PV grid-connected inverter. The virtual rotational inertia and power-frequency droop characteristics are introduced into the control algorithm, so that the output droop characteristics and inertial damping of the inverter are changed as if it were a real synchronous generator. The integrated simulation model of photovoltaic ship power system is established under the environment of PSCAD/EMTDC. In order to study the transient stability of this integrated power system, the grid frequency/voltage fluctuation of the inverter and synchronous generator, the grid frequency/voltage fluctuation and active/reactive power output, are analyzed with PQ and VSG control strategy respectively. The results show that the VSG control strategy can effectively suppress system frequency fluctuation, achieve automatic adjustment of the PV grid power, and improve stability of the grid.

ship; photovoltaic system; grid-connected; VSG; droop control

2017-11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金(51422507)；湖北省高端人才引領(lǐng)培養(yǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目(鄂科技通[2012] 86號(hào))

湯旭晶(1973—)，男，浙江金華人，副教授，研究方向?yàn)榇靶履茉醇夹g(shù)和微機(jī)控制技術(shù)在輪機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用。E-mail:txj73@whut.edu.cn

孫玉偉(1985—)，男，湖北十堰人，副教授,博士，研究方向?yàn)榇半娏ο到y(tǒng)及自動(dòng)化控制、綠色船舶應(yīng)用技術(shù)。E-mail:ywsun@whtu.edu.cn

1000-4653(2018)01-0028-06

U665.1

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