袁偉軒，王鎮(zhèn)浩

不平衡負(fù)載下船舶儲(chǔ)能逆變器的平滑切換技術(shù)

袁偉軒1，王鎮(zhèn)浩2

（1. 廣州航海學(xué)院國(guó)際郵輪游艇學(xué)院，廣東廣州 510725；2. 粵電靖海發(fā)電有限公司，廣東揭陽(yáng) 515223）

本文針對(duì)在柴油發(fā)電機(jī)與儲(chǔ)能系統(tǒng)功率平滑切換過(guò)程中，負(fù)載不平衡引起的三相電壓不平衡問(wèn)題，提出對(duì)應(yīng)的電壓正序分量與電壓負(fù)序分量控制方法。通過(guò)電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的電壓定向矢量控制，求出儲(chǔ)能逆變器三相調(diào)制波的正序分量，并提出電壓外環(huán)切換為功率外環(huán)的方法，使電源切換后發(fā)電機(jī)功率穩(wěn)定上升。通過(guò)低通濾波器提取負(fù)序分量后，設(shè)計(jì)電壓電流負(fù)序分量雙閉環(huán)控制，使柴油發(fā)電機(jī)輸出端電壓不平衡度小于1%，提高船舶電站的電能質(zhì)量。

儲(chǔ)能逆變器 平滑切換 不平衡負(fù)載 負(fù)序分量控制

0 引言

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站和孤島微電網(wǎng)等多種應(yīng)用場(chǎng)景中起到了調(diào)峰調(diào)頻、改善電能質(zhì)量和提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。大型船舶電力系統(tǒng)與孤島微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及控制方式相似，船舶電站加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，可提高其電能質(zhì)量?？紤]電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度與與價(jià)格等因素，在船舶電站中，以柴油發(fā)電機(jī)為主，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為輔的雙電源供電模式最為可靠適宜。柴油發(fā)電機(jī)在低負(fù)荷時(shí)，能源利用率低[1]，而電池儲(chǔ)能系統(tǒng)恰在低負(fù)荷下效率高、工況穩(wěn)定。因此，在負(fù)荷較低時(shí)船舶電網(wǎng)由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)供電，負(fù)荷較高時(shí)切換為柴油發(fā)電機(jī)供電，可提高船舶電網(wǎng)的能源利用率。

儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)供電時(shí)，儲(chǔ)能逆變器工作在V/f模式；柴油發(fā)電機(jī)供電時(shí)，儲(chǔ)能逆變器工作在P/Q電流源模式。逆變器在兩種模式切換的時(shí)候，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的功率需要慢慢下降，即實(shí)現(xiàn)功率的平滑切換，否則將造成柴油發(fā)電機(jī)突加轉(zhuǎn)矩過(guò)大，損害其軸承。

同時(shí)，由于船舶上存在部分單相設(shè)備如單相液壓泵、大功率發(fā)熱管、照明設(shè)備等，這些單相設(shè)備的使用，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載不平衡。在船舶中的柴油發(fā)電機(jī)相比于理想電源，其電源阻抗較大，所以當(dāng)每相電流幅值不一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的電壓不平衡，從而影響其它三相用電設(shè)備的正常使用。為保證供電質(zhì)量，電壓不平衡度的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求控制在2%，短時(shí)需控制在4%[2]。所以在船舶電站中，負(fù)載不平衡問(wèn)題亟須解決，而儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入，為船舶電站中不平衡分量的控制提供了很好的思路。

文獻(xiàn)[3]提出當(dāng)微電網(wǎng)中的負(fù)荷高于儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定值時(shí)，儲(chǔ)能變流器無(wú)沖擊并網(wǎng)，儲(chǔ)能逆變器功率輸出功率下降，由柴油發(fā)電機(jī)提供能量；文獻(xiàn)[4]提出利用儲(chǔ)能逆變器，在船舶用電負(fù)載突變的情況下，平滑柴油發(fā)電機(jī)輸出功率，提高船舶電站系統(tǒng)穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[5]提出微電網(wǎng)中多臺(tái)逆變器并聯(lián)時(shí)抑制不平衡分量的控制方法；文獻(xiàn)[6]提出用三相四橋臂逆變器抑制三相四線系統(tǒng)的微電網(wǎng)電壓不平衡分量。針對(duì)三相三線船舶電力系統(tǒng)帶不平衡負(fù)載時(shí)的電源切換技術(shù)，現(xiàn)有的研究成果較少。

本文主要分析在三相負(fù)載不平衡時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)兩種電源切換的控制策略。提出切換前后不同的電壓正序分量控制方法以及相應(yīng)的電壓負(fù)序分量控制方法，最后利用Matlab/Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶電站拓?fù)?/h2>

帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶電站主要由發(fā)電機(jī)、蓄電池組、逆變器、配電網(wǎng)絡(luò)、三相用電設(shè)備及單相設(shè)備組成，其拓?fù)淙鐖D1。原動(dòng)機(jī)一般使用柴油機(jī)，用以帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)選擇永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)輸出端接在配電網(wǎng)絡(luò)的三相交流端。蓄電池組、逆變器及濾波電感構(gòu)成船舶的儲(chǔ)能系統(tǒng)，逆變器的直流側(cè)連接蓄電池組，交流側(cè)經(jīng)過(guò)濾波電感后連接到配電網(wǎng)絡(luò)的三相交流端。配電網(wǎng)絡(luò)采用交流電壓，配電網(wǎng)絡(luò)上有三相用電設(shè)備及部分單相用電設(shè)備。船舶電站一般采用三相三線絕緣系統(tǒng)，沒(méi)有中性線，依靠變壓器使380 V的線電壓轉(zhuǎn)換為220 V的線電壓，為單相用電設(shè)備供電。

圖1 帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的船舶電站拓?fù)鋱D

2 負(fù)載平衡下儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法

由于電壓與電流的不平衡量都可以分解為正序分量及負(fù)序分量，而對(duì)正序分量的控制方式與系統(tǒng)負(fù)載平衡時(shí)的控制方式一致，所以研究負(fù)載平衡時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制方式十分重要。

2.1儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)供電

當(dāng)負(fù)荷較低時(shí)，采用儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)供電的工作模式，避免發(fā)電機(jī)工作在低負(fù)載情況。此時(shí)儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行在V/f模式，保證輸出電壓跟頻率成正比。V/f模式為針對(duì)三相對(duì)稱系統(tǒng)的控制模式，對(duì)三相不平衡的系統(tǒng)進(jìn)行控制，可先將不平衡量分為正序分量及負(fù)序分量，然后使正序分量運(yùn)行在V/f模式。對(duì)正序分量進(jìn)行分析時(shí)，儲(chǔ)能逆變器及濾波電感可以用一個(gè)等效的三相電路描述，如圖2。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)正序分量三相等效電路圖

電流通過(guò)PI控制器后輸出的量定義為：

把式子（2）代入（3）可求得補(bǔ)償量為：

2.2 儲(chǔ)能逆變器平滑切換

圖3 電壓外環(huán)切換為功率外環(huán)的控制框圖

圖4 儲(chǔ)能逆變器電流源模式的控制框圖

3 不平衡負(fù)載下儲(chǔ)能系統(tǒng)控制方法

圖5 船舶單相負(fù)載及三相負(fù)載拓?fù)鋱D

其中，igd-為電流d軸負(fù)序分量，igq-為電流q軸負(fù)序分量，電流內(nèi)環(huán)前饋補(bǔ)償項(xiàng)的設(shè)計(jì)同上一節(jié)正序分量的一致。負(fù)序電壓外環(huán)指令值為0，從而抑制儲(chǔ)能輸出端三相電壓不平衡，其控制框圖如圖6。

4 算例仿真

4.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)平滑切換

隨著負(fù)載的增加，柴油發(fā)電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。此時(shí)的電源切換前負(fù)載大小、發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)如表2：

表2 切換前負(fù)載大小、發(fā)電機(jī)及儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)

圖7為平衡切換控制算法效果圖，由圖可得，發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行至額定轉(zhuǎn)速后，輸出的線電壓幅值穩(wěn)定在600 V，頻率穩(wěn)定在50 Hz。同時(shí)，儲(chǔ)能逆變器輸出電壓的相角和幅值逐漸跟隨發(fā)電機(jī)輸出側(cè)電壓。在2 s時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)閉合，儲(chǔ)能逆變器輸出電壓與發(fā)電機(jī)輸出電壓一致，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊切換。在2 s以后，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率從0開(kāi)始平穩(wěn)上升至680 kw，提供全部負(fù)載所需的功率，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能逆變器與柴油發(fā)電機(jī)功率平滑切換。發(fā)電機(jī)電流在靜態(tài)開(kāi)關(guān)閉合后逐漸增加，在電流幅值增加過(guò)程中，出現(xiàn)少部分不對(duì)稱電流。在4 s后發(fā)電機(jī)穩(wěn)定，不對(duì)稱電流基本消除。

圖7 平衡切換控制算法效果圖

4.2 不平衡負(fù)載下的控制效果

圖8為不平衡負(fù)載下控制算法效果圖，靜態(tài)開(kāi)關(guān)閉合后，未加入不平衡電壓抑制算法下，發(fā)電機(jī)處線電壓的波形。可看出此時(shí)線電壓不平衡，線電壓峰值分別為585 V、500 V以及520 V，不平衡度達(dá)到9.8%。加入不平衡電壓抑制算法后，發(fā)電機(jī)輸出的線電壓波形圖。該時(shí)候線電壓基本對(duì)稱，線電壓峰值分別為520 V、524 V以及513 V，不平衡度被抑制為1%，符合國(guó)標(biāo)不超過(guò)2%的要求。加入不平衡電壓抑制算法前后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩振蕩對(duì)比如圖，可看出沒(méi)加入算法時(shí)，轉(zhuǎn)矩振蕩較大，在7700 N-11800 N之間，是兩倍基頻的交流量。加入算法后，振蕩明顯減小，轉(zhuǎn)矩在9200-10000之間波動(dòng)。此時(shí)，功率的振蕩轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能系統(tǒng)處，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率變?yōu)榉凳?00 kw的兩倍基頻的交流量。

圖8 不平衡負(fù)載下控制算法效果圖

[1] 楊榮峰, 于燕南, 俞萬(wàn)能, 等. 新能源船舶并網(wǎng)逆變器電網(wǎng)支撐協(xié)調(diào)控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(10): 2141-2154.

[2] Savaghebi M, Jalilian A, Vasquez J C, et al. Autonomous voltage unbalance compensation in an islanded droop-controlled microgrid[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60; 60(4; 4): 1390-1402.

[3] 郭力, 富曉鵬, 李霞林, 等. 獨(dú)立交流微電網(wǎng)中電池儲(chǔ)能與柴油發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)控制[J]. 電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(25): 70-78.

[4] 張樹(shù)陽(yáng). 柴油同步發(fā)電機(jī)與船舶微源逆變器并聯(lián)運(yùn)行研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2016.

[5] 劉芳, 張興, 徐海珍, 等. 微網(wǎng)儲(chǔ)能多逆變器并聯(lián)負(fù)載不平衡下的均衡控制[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2016, 37(12): 3037-3044.

[6] 李霄霄. 基于四橋臂逆變器的微電網(wǎng)不平衡負(fù)載補(bǔ)償策略研究[D]. 西安: 西安理工大學(xué), 2017.

[7] 張興, 張崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012: 309-310.

[8] Marco Cupelli, Ferdinanda Ponci, Giorgio Sulligoi, et al. Power flow control and network stability in an all-electric ship[J]. Proceedings of the IEEE, 2015, 103(12): 2355-2380.

[9] 韋徵, 茹心芹, 石偉, 等. 適用于不平衡負(fù)載工況下的微網(wǎng)逆變器控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2016, 40(20): 76-82.

[10] 施永, 楊向真, 蘇建徽, 等. 微網(wǎng)系統(tǒng)不平衡電壓補(bǔ)償控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2017, 41(23): 96-102.

Smooth Mode Transfer of Ship Energy Storage Converter under Unbalanced Loads Conditions

Yuan Weixuan1, Wang Zhenhao2

(1. International Cruise and Yacht College, Guangzhou Maritime University, Guangzhou 510725, China; 2. Guangdong Yuedean Jinghai Power Generation Co., Ltd, Jieyang 515223, Guangdong, China)

TM464

A

1003-4862（2021）08-0043-05

2021-03-03

袁偉軒（1994-），男，助教。研究方向：新能源發(fā)電、船舶綜合電力系統(tǒng)。E-mail: 342497774@qq.com