郭 威，汪 恬，徐一鳴，李成亮

(1.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.山東博奧斯能源科技有限公司，山東 濟(jì)南 250200)

近年來，隨著光伏發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電系統(tǒng)逐漸由小型船舶應(yīng)用拓展到汽車滾裝船等大型船舶領(lǐng)域[1]。隨著現(xiàn)代船舶自動(dòng)化設(shè)備和電力電子器件在船上的大規(guī)模應(yīng)用，船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題越來越被人們重視。由于電子電力變換器件響應(yīng)速度非?？欤瑐鹘y(tǒng)逆變控制策略存在一個(gè)共同的缺陷，即零慣性和零阻尼特性，因船舶電網(wǎng)容量較小，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)當(dāng)電網(wǎng)遇到較大擾動(dòng)，傳統(tǒng)控制策略下的并網(wǎng)逆變器容易發(fā)生失穩(wěn)和過載的問題[2]。隨著分布式光伏電源接入容量的增加，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)無法并網(wǎng)，不但影響船舶電氣負(fù)荷的正常工作，甚至?xí)鹪O(shè)備故障，威脅船員及船舶安全。因此，構(gòu)建含分布式光伏電源的船舶電力系統(tǒng)的同時(shí)必須要保證船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

1 船用VSG并網(wǎng)逆變控制策略

同步發(fā)電機(jī)一個(gè)重要的特性是當(dāng)電網(wǎng)有功負(fù)載增加時(shí)，同步發(fā)電機(jī)將會(huì)降低轉(zhuǎn)速，同時(shí)調(diào)速器根據(jù)系統(tǒng)反饋信號(hào)調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)械功率和電磁功率重新達(dá)到平衡狀態(tài)。同步發(fā)電機(jī)根據(jù)有功功率和頻率之間的變化關(guān)系，通過調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以調(diào)整發(fā)電機(jī)功率輸出，被稱為一次調(diào)頻特性[3]。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)調(diào)頻調(diào)速特性，設(shè)計(jì)船用虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)有功-頻率控制器原理示意圖如圖1所示。圖1中，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，1/s為積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，D為阻尼系數(shù)，ωref為系統(tǒng)角頻率參考量，ω為實(shí)際角頻率，Pref為VSG輸入功率參考量，Pm為虛擬機(jī)械功率，Pe為實(shí)際輸出功率，Kp定義為有功-下垂系數(shù)。

圖1 船用虛擬同步發(fā)電機(jī)(VSG)有功-頻率控制器原理示意圖

根據(jù)圖1，可得VSG有功-下垂控制方程為：

Pm=Pref+Kp(ωref-ω),

(1)

根據(jù)式(1)，結(jié)合轉(zhuǎn)子機(jī)械方程，可得VSG有功-頻率控制圖如圖2所示。

圖2 VSG 有功-頻率控制圖

當(dāng)系統(tǒng)無功功率不足，引起同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)電壓降低，此時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，增大磁通量，使系統(tǒng)無功功率重新達(dá)到平衡狀態(tài)。同步發(fā)電機(jī)可以根據(jù)電壓和無功功率關(guān)系自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)的特性，稱為同步發(fā)電機(jī)無功-電壓特性。

根據(jù)同步發(fā)電機(jī)無功-電壓調(diào)節(jié)特性，VSG的無功-電壓下垂控制可表示為：

Vmag=Kq(Qn-Q0)+Vn，

(2)

式中，Vmag為系統(tǒng)輸出電壓幅值信號(hào)；Kq為無功功率下垂系數(shù)；Qn為VSG額定無功功率;Q0為VSG系統(tǒng)實(shí)際輸出的無功功率;Vn為額定電壓。

VSG無功-電壓控制框圖如圖3所示。船用VSG無功-下垂特性將無功功率與電壓聯(lián)系起來，當(dāng)無功功率不足時(shí)，系統(tǒng)會(huì)增加機(jī)端輸出電壓，并網(wǎng)時(shí)提高電壓值以增加無功功率的輸出。

圖3 VSG 無功-電壓控制框圖

2 船用VSG光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船用VSG光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。船用VSG光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)采集船舶電網(wǎng)電壓、頻率等運(yùn)行參數(shù)，經(jīng)功率計(jì)算，再轉(zhuǎn)換成VSG控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變電路，將直流電轉(zhuǎn)化成交流電饋入船舶電網(wǎng)。

圖4 船用VSG光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 改進(jìn)型船用VSG并網(wǎng)預(yù)同步控制策略

非理想船舶電網(wǎng)中，由于電網(wǎng)電壓電能質(zhì)量較差，會(huì)在逆變器直流側(cè)產(chǎn)生大量二次諧波，又經(jīng)并網(wǎng)逆變器調(diào)制，引起輸出電流含有較多奇次諧波，在并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生過大電流[4]。在理想船舶電網(wǎng)中，提高鎖相環(huán)跟蹤電網(wǎng)電壓的速度，可以通過設(shè)置較高帶寬的方式。但對(duì)于非理想船舶電壓，提高鎖相環(huán)帶寬會(huì)放大鎖相環(huán)輸出信號(hào)誤差值，減小帶寬又會(huì)引起鎖相動(dòng)態(tài)響應(yīng)不足。因此，需要一種使逆變器系統(tǒng)在船舶電網(wǎng)諧波較大和電網(wǎng)電壓不對(duì)稱下仍能準(zhǔn)確鎖相的技術(shù)。并網(wǎng)開關(guān)閉合前，通過檢測(cè)電網(wǎng)電壓信號(hào)，調(diào)節(jié)輸出電壓參數(shù)與船舶電網(wǎng)電壓一致，然后閉合并網(wǎng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)VSG平滑并網(wǎng)，抑制沖擊電流的產(chǎn)生，稱為預(yù)同步技術(shù)。

傳統(tǒng)雙鎖相環(huán)(PLL)并網(wǎng)預(yù)同步策略對(duì)VSG技術(shù)改進(jìn)，引入預(yù)同步控制算法，在并網(wǎng)前調(diào)節(jié)VSG輸出電壓與電網(wǎng)電壓同頻、同幅、同相，從而實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)[5]。通過對(duì)逆變器輸出電壓和電網(wǎng)電壓分別進(jìn)行鎖相控制，然后經(jīng)PI控制器分別對(duì)電壓幅值差值、頻率差值和相位差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，雖然能夠有效實(shí)現(xiàn)VSG并網(wǎng)預(yù)同步，但控制相對(duì)繁瑣，計(jì)算量較大，引入控制參數(shù)較多，同時(shí)由于使用2個(gè)鎖相環(huán)，在非理想電網(wǎng)條件下預(yù)同步效果容易受到鎖相精度的影響。

針對(duì)船用VSG光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，本文提出改進(jìn)型船用VSG并網(wǎng)預(yù)同步控制策略。圖5為VSG輸出電壓和船舶電網(wǎng)電壓示意圖，其中Vgα為船舶電網(wǎng)電壓Vg在α軸的分量、Vgβ為β軸分量，同樣Viα為VSG輸出電壓Vi在α軸的分量、Viβ為β軸分量，φg為船舶電網(wǎng)電壓相位角，φi為VSG輸出電壓相位角，相位差Δφ=φg-φi。

圖5 VSG輸出電壓和船舶電網(wǎng)電壓示意圖

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，當(dāng)VSG輸出電壓與船舶電網(wǎng)電壓相位差極小時(shí)，可得:

sinΔφ≈Δφ，

(3)

結(jié)合式(3)和圖5，可求得sinΔφ:

sinΔφ=sin(φg-φi)=

(4)

對(duì)于電壓幅值差ΔV的調(diào)節(jié)，滿足:

(5)

綜合上述計(jì)算，可得船用VSG光伏并網(wǎng)預(yù)同步方法計(jì)算公式，如式(6)所示。

(6)

改進(jìn)型預(yù)同步控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟為：由VSG輸出電壓和船舶電網(wǎng)電壓克拉克變換后的分量，帶入式(6)，得出ΔV和sinΔφ，分別輸入PI控制器，計(jì)算出幅值干擾量ΔV0和頻率擾動(dòng)量Δω0，將ΔV0和Δω0分別代入船用VSG無功-電壓控制器和功頻控制器中，經(jīng)控制器計(jì)算，調(diào)節(jié)VSG輸出電壓，完成預(yù)同步控制[6]。改進(jìn)型船用VSG光伏并網(wǎng)預(yù)同步控制原理如圖6所示。

圖6 改進(jìn)型船用VSG光伏并網(wǎng)預(yù)同步控制原理圖

改進(jìn)型船用VSG預(yù)同步技術(shù)以2個(gè)PI控制器代替鎖相環(huán)，在非理想船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量差、干擾較大的條件下，由于傳統(tǒng)預(yù)同步控制策略引入雙鎖相環(huán)，容易造成鎖相精度降低，從而使預(yù)同步控制響應(yīng)速度變慢。而改進(jìn)型并網(wǎng)預(yù)同步策略結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力較強(qiáng)，在非理想電網(wǎng)條件下同樣具備較快的響應(yīng)特性，能達(dá)到良好的控制效果。

4 仿真分析

在船舶運(yùn)行中，由于非線性負(fù)載接入、投切等復(fù)雜工況會(huì)引入諧波，惡化船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量[7]，結(jié)合前文分析，本文以船舶電網(wǎng)含一定諧波污染狀態(tài)作為非理想船舶電網(wǎng)條件，開展仿真分析。

某大型遠(yuǎn)洋汽車滾裝船光伏并網(wǎng)系統(tǒng)未接入時(shí)，電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)某時(shí)刻實(shí)測(cè)電壓和電流主要諧波含量表見表1。由表1可知，5次、7次諧波幅值較大，結(jié)合實(shí)際船舶電網(wǎng)中常見諧波次數(shù)和各船級(jí)社對(duì)諧波的規(guī)定，在三相電網(wǎng)電壓注入10% 的5次諧波、10% 的7次諧波進(jìn)行非理想電網(wǎng)并網(wǎng)仿真實(shí)驗(yàn)。仿真系統(tǒng)參數(shù)見表2。

表1 實(shí)測(cè)電壓和電流主要諧波含量表 %

為了將其與不含預(yù)同步技術(shù)的VSG和傳統(tǒng)VSG的并網(wǎng)效果進(jìn)行比較，驗(yàn)證船用VSG預(yù)同步技術(shù)的優(yōu)越性，設(shè)置VSG輸出有功功率為10 kW，0.1 s開啟預(yù)同步控制， 0.3 s閉合開關(guān)，VSG并入船舶電網(wǎng)。非理想船舶電網(wǎng)并網(wǎng)輸出功率和并網(wǎng)電流波形如圖7所示。

表2 仿真系統(tǒng)參數(shù)

對(duì)比圖7 (a)、(b)、(c)，非理想船舶電網(wǎng)條件下，采用預(yù)同步技術(shù)VSG并網(wǎng)功率輸出平滑，無振蕩。對(duì)比圖7 (b)、(c)，相比于傳統(tǒng)預(yù)同步技術(shù)，改進(jìn)并網(wǎng)預(yù)同步響應(yīng)迅速，系統(tǒng)更快達(dá)到穩(wěn)定。對(duì)比圖7 (d)、(e)、(f)，非理想船舶電網(wǎng)條件下無預(yù)同步控制并網(wǎng)有明顯的電流沖擊，大小約二倍額定值，且電流振蕩，0.50 s左右系統(tǒng)穩(wěn)定。采用預(yù)同步技術(shù)并網(wǎng)沖擊電流現(xiàn)象得到明顯改善，不會(huì)對(duì)分布式電源逆變器和電網(wǎng)造成不利影響。對(duì)比圖7 (e)、(f)，采用傳統(tǒng)預(yù)同步控制的VSG并網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)輸出電流緩慢增加，約0.45 s系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。改進(jìn)型預(yù)同步技術(shù)并網(wǎng)系統(tǒng)在0.33 s到達(dá)穩(wěn)定，暫態(tài)過程更短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。

圖7 非理想船舶電網(wǎng)并網(wǎng)輸出功率和并網(wǎng)電流波形

圖8為非理想船舶電網(wǎng)改進(jìn)型船用VSG預(yù)同步技術(shù)輸出電壓跟蹤波形圖。由圖8可知，在船舶電網(wǎng)含大量諧波的非理想條件下，0.1 s開啟預(yù)同步控制后，改進(jìn)型預(yù)同步技術(shù)可以迅速實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶電網(wǎng)電壓幅值跟蹤，并網(wǎng)瞬間電壓無波動(dòng)。由上述仿真結(jié)果可知，在船舶電網(wǎng)電壓含有大量諧波的非理想條件下，預(yù)同步并網(wǎng)可消除并網(wǎng)沖擊電流，實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)。相比于傳統(tǒng)預(yù)同步技術(shù)，改進(jìn)型船用VSG預(yù)同步技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好，驗(yàn)證了控制策略的可行性和優(yōu)越性。

圖8 非理想電網(wǎng)改進(jìn)型船用VSG預(yù)同步技術(shù)輸出電壓跟蹤波形圖

5 船用VSG預(yù)同步試驗(yàn)驗(yàn)證

本節(jié)對(duì)前文所提的船用虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略和預(yù)同步控制策略進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)搭建和試驗(yàn)驗(yàn)證。并網(wǎng)逆變器硬件系統(tǒng)主要分為直流電源、三相逆變電路、負(fù)載/電網(wǎng)3部分。由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備不足和條件所限，直流部分是利用三相調(diào)壓器整流、濾波得到較為理想的直流電壓源，代替光伏組件；交流負(fù)載和電網(wǎng)采用三相四線制接線方式，并網(wǎng)逆變器同樣為三相四線制。

主電路模塊將直流源輸出的直流電，基于所設(shè)計(jì)船用VSG控制算法逆變成交流電，再經(jīng)濾波電路濾除諧波后連接到輸出端。并網(wǎng)輸出端接入大電網(wǎng)或可編程交流電源，用于模擬理想電網(wǎng)和非理想電網(wǎng)并網(wǎng)工況。平臺(tái)參數(shù)設(shè)計(jì)與表2相同。

本節(jié)根據(jù)前述VSG控制策略的仿真結(jié)果，在硬件試驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)多種工況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)一：理想電網(wǎng)條件下船用VSG預(yù)同步并網(wǎng)試驗(yàn)。首先對(duì)理想電網(wǎng)條件下船用VSG預(yù)同步并網(wǎng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：并網(wǎng)開關(guān)閉合瞬間無沖擊，VSG平滑入網(wǎng)，且具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，與理論分析和仿真試驗(yàn)結(jié)果相符。

試驗(yàn)二：非理想電網(wǎng)條件下船用VSG預(yù)同步并網(wǎng)試驗(yàn)。為驗(yàn)證所提改進(jìn)型船用VSG預(yù)同步控制策略的有效性，使用可編程交流電源來模擬實(shí)際船舶電網(wǎng)，在三相電網(wǎng)電壓中同時(shí)注入5次諧波和7次諧波各10%。使用電能質(zhì)量分析儀測(cè)得電網(wǎng)電壓總諧波為14.2%，分別進(jìn)行非理想電網(wǎng)條件下，未采用預(yù)同步和采用改進(jìn)型預(yù)同步技術(shù)并網(wǎng)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明：未采用預(yù)同步控制，非理想電網(wǎng)條件下由于并網(wǎng)鎖相誤差，產(chǎn)生沖擊電流，引起控制模塊保護(hù)電路動(dòng)作，產(chǎn)生自鎖，導(dǎo)致并網(wǎng)失敗，且產(chǎn)生較大沖擊電流。過大的沖擊電流會(huì)超出逆變?cè)骷某休d能力，導(dǎo)致并網(wǎng)失敗，甚至永久性損毀，顯然不能滿足規(guī)范對(duì)于船用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求。

在非理想電網(wǎng)條件下，采用改進(jìn)型船用VSG并網(wǎng)預(yù)同步控制技術(shù)， VSG輸出電流緩慢增加平滑并網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)無沖擊，且響應(yīng)時(shí)間較短，具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，在電網(wǎng)電壓含大量諧波的非理想情況下，本文在VSG并網(wǎng)控制策略進(jìn)行的改進(jìn)能有效抑制并網(wǎng)沖擊電流產(chǎn)生，從硬件試驗(yàn)驗(yàn)證的角度證明了該改進(jìn)工作的可行性。

6 結(jié)束語

在綠色船舶節(jié)能減排的背景下，本文針對(duì)非理想船舶電網(wǎng)條件下傳統(tǒng)并網(wǎng)沖擊問題，提出了船用VSG并網(wǎng)預(yù)同步技術(shù)，并利用仿真和試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明所提理論對(duì)分布式光伏電源逆變并網(wǎng)電能質(zhì)量具有明顯改善效果，為船用VSG光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)船上的應(yīng)用提供了一定的理論和數(shù)據(jù)依據(jù)。