劉洋，常國梅，邵詩逸，王曉梅，烏云翔

(北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097)

船用軸帶發(fā)電系統(tǒng)獨網(wǎng)和并網(wǎng)控制模式的平滑切換

劉洋，常國梅，邵詩逸，王曉梅，烏云翔

(北京賽思億電氣科技有限公司，北京 100097)

船用軸帶發(fā)電系統(tǒng)是一種新興的概念，主要功能為利用船舶主機多余的能量拖動一個軸帶發(fā)電機經(jīng)過一個變頻器對整個船舶電站進行供電。從變頻器的控制角度來說，電站具有獨網(wǎng)和并網(wǎng)兩種控制模式?；趦煞N控制模式的實現(xiàn)方法進行了深入的探討，并提出了一種實現(xiàn)兩種控制模式的控制器，給出了兩種控制模式之間的平滑切換的具體算法，并通過試驗進行了全面的驗證。

軸帶發(fā)電系統(tǒng)；變頻器；并網(wǎng)模式；獨網(wǎng)模式；平滑切換

0 引 言

近年來，出現(xiàn)了一種船用軸帶發(fā)電的概念[1]，即在主機軸系上額外連接一臺發(fā)電機。當主機旋轉(zhuǎn)時，該發(fā)電機處于發(fā)電的模式下。相對輔機發(fā)電而言，采用軸帶發(fā)電系統(tǒng)，可使主機處于較高的負荷狀態(tài)，有利于降低油耗并且降低對輔機的維護需求[2-3]。例如，中國萬米級載人深潛器科考母船“張謇”號使用了功率1 600 kW的軸帶發(fā)電機，認為可達到明顯的節(jié)能效果[4]。由于在定矩槳系統(tǒng)中，主機轉(zhuǎn)速時刻變化，導(dǎo)致發(fā)電機輸出頻率相應(yīng)變化，采用一般的同步發(fā)電機將無法滿足需求，而需要在發(fā)電機和電站之間連接額外的變頻器[5]。變頻器一般采用背靠背結(jié)構(gòu)，整流、逆變均采用三相全橋IGBT的結(jié)構(gòu)，其中整流側(cè)連接發(fā)電機輸出，逆變側(cè)連接船舶電站。不論整流側(cè)的輸入頻率和電壓如何變化，逆變側(cè)的頻率和電壓將保持恒定[6]。由于整流側(cè)的控制算法相對成熟，因此主要探討逆變側(cè)的控制算法。系統(tǒng)共三種運行模式：并網(wǎng)模式，即逆變側(cè)和輔機同時工作，并聯(lián)運行，共同組成船舶電站；獨網(wǎng)模式，即輔機關(guān)閉，由軸帶發(fā)電系統(tǒng)單獨組網(wǎng)成為船舶電站；傳統(tǒng)模式，即軸帶發(fā)電系統(tǒng)關(guān)閉，只有輔機運行。

一般的，軸帶發(fā)電系統(tǒng)處于獨網(wǎng)模式下，只有在軸帶系統(tǒng)起動，或者需要負載轉(zhuǎn)移時，會出現(xiàn)較為短暫的并網(wǎng)工作模式。無論是獨網(wǎng)還是并網(wǎng)模式，船舶發(fā)電和傳統(tǒng)發(fā)電應(yīng)用具有較大的不同之處，主要是船舶電站的容量相對較小，受到負載沖擊時影響較大，而且對于諧波抑制也具有更為嚴格的限定[7]。本文將對軸帶發(fā)電這個特殊應(yīng)用中獨網(wǎng)和并網(wǎng)兩種控制模式進行詳細的分析，且通過試驗數(shù)據(jù)進行了驗證。

1 軸帶發(fā)電系統(tǒng)簡述

軸帶發(fā)電系統(tǒng)的框圖如圖1所示。

圖1 軸帶發(fā)電系統(tǒng)框圖

當K1閉合而K2斷開時，系統(tǒng)處于獨網(wǎng)模式，由軸帶發(fā)電系統(tǒng)單獨對船用負載供電；當K1和K2都閉合時，系統(tǒng)處于并網(wǎng)模式，由軸帶系統(tǒng)和輔機同時對負載供電；當K1斷開而K2閉合時，系統(tǒng)處于輔機供電的傳統(tǒng)模式。

2 并網(wǎng)模式

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)模式下，控制器的主要控制目標是系統(tǒng)的有功功率和無功功率，所以整個系統(tǒng)處于“電流控制”模式下。系統(tǒng)控制框圖如圖2所示。

圖2 并網(wǎng)控制模式框圖

整個控制算法采用經(jīng)典的dq理論，將所有控制變量，包括電壓和電流都變換到基于電壓的同步坐標系上，即：

(1)

其中Vgd和Vgq分別為d軸和q軸的電網(wǎng)電壓；Vmag為電網(wǎng)相電壓的幅值。控制器采用兩個PI控制器來控制電網(wǎng)的d軸和q軸的電流igd和igq?？刂扑惴ㄗ裱缦碌墓剑?/p>

(2)

其中R和L分別為輸出正弦波濾波器的等效電阻和電抗；Wg為電網(wǎng)電壓的角頻率；igd和igq分別為電網(wǎng)有功電流和無功電流；Vgd_m和Vgq_m分別是變頻器在d軸和q軸的輸出電壓。以Vgd_m為例，Vgd_m由三個部分組成：電流控制器的輸出Vgd_I、電壓控制器的輸出Vgd_V以及耦合量WgLigq。在并網(wǎng)模式下，Vgd_I通過PI控制器給出，Vgd_V和電網(wǎng)電壓的反饋值Vgd一致。Vgq_m也可采用類似的分析。

2.2 PLL控制器

前面提到，控制器處于基于電網(wǎng)電壓Vg的同步坐標系中。為了使所有的變量可以轉(zhuǎn)換到該同步坐標系上，需首先獲得同步坐標系的角度θg。本文采用了反饋型的PLL(鎖相環(huán))技術(shù)實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 PLL結(jié)構(gòu)

3 獨網(wǎng)模式

3.1 控制器結(jié)構(gòu)

在獨網(wǎng)模式下，輔機停止運行，此時控制系統(tǒng)運行在電壓控制下，目的是維持電站電壓的穩(wěn)定，對電站的電流不進行控制。由于正弦波濾波器的存在，變頻器逆變側(cè)的輸出電壓和濾波之后的電壓存在電壓差，因此需要一個電壓反饋對輸出電壓進行控制。具體控制如圖4所示。

圖4 獨網(wǎng)控制模式框圖

3.2 角度計算

圖5 角度計算

由于輔機不再進行電壓輸出，因此在控制角度的獲取上不存在PLL了，而是采用一個簡單的積分環(huán)節(jié)來獲得，具體如圖5所示。

4 兩種模式之間的平滑切換

為了在并網(wǎng)和獨網(wǎng)兩種控制模式之間進行平滑的切換，下列三個條件需嚴格滿足：

1)電流控制平滑切換。在并網(wǎng)模式下，電流控制器由兩個PI控制器獲得，而在獨網(wǎng)模式下，PI控制器均需停止工作，即輸出封鎖。當系統(tǒng)再次回到并網(wǎng)模式時，PI控制器均必須快速激活。為了實現(xiàn)盡可能的平滑切換，從獨網(wǎng)模式切換到并網(wǎng)模式時，電流參考值igd*和igq*采用切換瞬間時獨網(wǎng)模式下電流的實際測量值igd和igq。

2)電壓控制平滑切換。在獨網(wǎng)模式下，電壓控制器的輸出由PI控制器來獲得，為了實現(xiàn)平滑切換，電壓參考值Vgd*采用切換瞬間時并網(wǎng)模式下電壓的實際測量值Vgd。在并網(wǎng)模式下，PI控制器必須停止工作，而采用電壓的實際測量值Vgd進行替代。

3)角度平滑切換。在并網(wǎng)模式下，角度通過PLL控制器獲得。在獨網(wǎng)模式下，PLL控制器中的PI控制器必須停止工作。回到并網(wǎng)模式之后，PLL控制重新開始工作。

5 試驗驗證

為驗證所提控制器的有效性，特別設(shè)置了一個試驗平臺進行驗證。一個同步發(fā)電機和一個附帶調(diào)速器的原動機在機械上連接在一起，發(fā)電機采用了帶有勵磁繞組的無刷同步機結(jié)構(gòu)，額定轉(zhuǎn)速是1 500 r/min，額定容量是195 kVA，廣泛應(yīng)用于船舶軸帶發(fā)電中。另有一變頻器，其整流側(cè)連接發(fā)電機輸出，將交流電壓整流為650 V的直流母線電壓；逆變側(cè)實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和獨網(wǎng)發(fā)電的運行模式。該變頻器配備了本文所提出的控制器，其額定輸出為50 Hz，400 V，173 A。

共進行了兩組試驗，主要考察電流、功率和電壓的波動三個指標：

1)軸帶發(fā)電系統(tǒng)和輔機電站并聯(lián)運行且軸帶發(fā)電機系統(tǒng)處于額定功率時切除輔機電站的瞬態(tài)過程；

2)軸帶發(fā)電機系統(tǒng)在單獨發(fā)電并且處于額定功率時輔機并入電站的瞬態(tài)過程。

試驗2則實現(xiàn)了軸帶發(fā)電系統(tǒng)在滿載條件下，從獨網(wǎng)向并網(wǎng)模式切換的過程，切換的時間大約發(fā)生在5.5 s時。如圖7(a)所示，電流環(huán)在切換后，PI控制器重新啟動，可觀察到一個電流的超調(diào)。圖7(b)給出了和圖6(b)類似的模式辨認信號。軸帶發(fā)電系統(tǒng)的有功功率的輸出如圖7(c)所示，也出現(xiàn)了超調(diào)，但可快速恢復(fù)到設(shè)定值。整個過程中輸出電壓基本恒定，波形如圖7(d)所示。

圖6 從并網(wǎng)模式向獨網(wǎng)模式切換的試驗數(shù)據(jù)(滿載)

6 結(jié)束語

本文提出了一種基于軸帶發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)并網(wǎng)模式和獨網(wǎng)模式，以及兩種模式之間的平滑切換。為驗證該控制系統(tǒng)的有效性，本文專門設(shè)置了一個試驗平臺進行驗證。試驗結(jié)果表明，本文提出的控制器可以有效地實現(xiàn)并網(wǎng)模式和獨網(wǎng)模式之間的平滑切換。

圖7 從獨網(wǎng)模式向并網(wǎng)模式切換的試驗數(shù)據(jù)(滿載)

[1] 秦俊峰，李凱.船舶軸帶發(fā)電機發(fā)展綜述及前景探究[J].欽州學(xué)院學(xué)報，2015，30(8)：9-13.

[2] 孟永奇，李保來，蘭建軍.船舶軸帶發(fā)電——電動系統(tǒng)的原理及控制[J]. 船電技術(shù)，2011，31(8)：35-38.

[3] 曹森，沈愛弟，劉莉飛，等.新型傳播軸帶發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真[J]. 船舶工程，2014(5)：69-73.

[4] 張建松、岑志連.“張謇”號抵達南海目標海域開展深海設(shè)備測試和科學(xué)調(diào)查[EB/OL]. (2016-07-17)[2016-07-18]. http://news.xinhuanet.com/photo/2016-07/17/c_129153110.htm

[5] YJ LIU, SL XUE. Control strategy of the shaft-driven generator based on the PWM converters[C]// Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 2011 16th International Conference on IEEE, Miedzyzdroje, Poland, 2011:178-181.

[6] BG GU, K NAM. A Theoretical minimum DC-link capacitance in PWM converter-inverter systems[J]. IEE Proceedings-Electric Power Applications, 2005, 152(1):81-88.

[7]中國電器工業(yè)協(xié)會. GB/T 12975-2008，船用同步發(fā)電機通用技術(shù)條件[S].北京：中國標準出版社，2009.

波濤讓江河澎湃，熱血使生命沸騰！

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Smooth Transfer between Stand-alone Mode and Grid-connected Mode in a Marine Shaft Generator System

Liu Yang, Chang Guomei, Shao Shiyi, Wang Xiaomei, Wu Yunxiang

(Beijing CSE Electric Technology Co. Ltd., Beijing 100097, China)

Shaft generator system as a newly developed concept has the main function of using redundant energy of marine main engine to drive a shaft generator and supply power to the entire ship power station through a frequency converter. As far as converter control is concerned, the power station has two control modes, namely stand-alone mode and grid-connected mode. It discusses in detail the implementation methods of these two control modes and presents a controller for implementation of these two modes. Furthermore, it gives a concrete algorithm for smooth transfer between them, and completes an overall verification by experiment.

shaft generator system；frequency converter；grid-connected mode； stand-alone mode； smooth transfer

國家科技支撐計劃課題(2014BAG04B02)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.006

U665

A

1000-3886(2017)01-0016-03

劉洋(1986-)，男，江蘇人，本科，工程師，畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，目前主要研究方向是電力傳動控制、軸帶發(fā)電的控制和可編程邏輯器件等。 常國梅(1982-)，女，河北人，碩士，高級工程師，畢業(yè)于河北工業(yè)大學(xué)，目前主要的研究方向是綜合電力推進系統(tǒng)和高壓變頻拓撲結(jié)構(gòu)。

定稿日期: 2016-10-18