馬佳睿 劉明昊

（1.91404部隊(duì) 秦皇島 066000）（2.明陽智慧能源集團(tuán)公司 中山 528437）

1 引言

在以電力變換裝置為基礎(chǔ)進(jìn)行電能變換和處理的船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)中，如何保證電力變換裝置互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是本文的研究核心。在容量有限的船舶獨(dú)立供電系統(tǒng)中，大量具有負(fù)阻抗特性的電力電子變換器的接入會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)直流側(cè)電壓出現(xiàn)不穩(wěn)定振蕩，由此而引發(fā)的電能質(zhì)量問題甚至是故障可能會(huì)波及全船。而電力推進(jìn)系統(tǒng)所占的功率等級(jí)使得它的動(dòng)態(tài)特性將會(huì)對(duì)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性有著決定性的影響。

文獻(xiàn)［1］提出了基于直流母線電壓前饋的變頻器控制策略，相當(dāng)于在直流側(cè)引入了一個(gè)虛擬電容，從而達(dá)到在不改變實(shí)際電容大小的情況下，維持直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。文獻(xiàn)［2］提出了一種應(yīng)用于光伏并網(wǎng)逆變器的電流擾動(dòng)觀測(cè)控制方法，可有效抑制電網(wǎng)電壓與直流側(cè)電壓變化對(duì)逆變器電流控制的干擾。本文提出的基于擾動(dòng)觀測(cè)（DOB）的電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器控制策略，在頻域內(nèi)可以改善推進(jìn)系統(tǒng)的負(fù)阻抗特性，在時(shí)域內(nèi)能有效抑制由于推進(jìn)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩驟變所引起的直流側(cè)電壓振蕩。

2 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)直流側(cè)電壓穩(wěn)定性分析

典型的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括三相交流源、整流器、LC濾波電路及變頻器、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳等幾個(gè)部分。圖中，Ula，Ulb，Ulc為三相電壓源的相電壓，Rl，Ll為交流側(cè)等效電阻和電感，Rdc為線路電阻，Ldc、Cdc為L(zhǎng)C濾波器的電感和電容，due為直流母線電壓。為了便于分析，對(duì)發(fā)電機(jī)及整流、濾波環(huán)節(jié)進(jìn)行等效變換，等效后的推進(jìn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)模型

圖2 推進(jìn)系統(tǒng)等效電路圖

圖2中，Rdcf與Ldcf分別為折算到直流側(cè)的等效電阻和等效電感；Cdc為濾波電容；Eg為等效直流源，由三相交流電源及整流器等效而來；Zin為變頻器-推進(jìn)電機(jī)的等效阻抗。其中：

式中，Vrms為發(fā)電機(jī)三相交流線電壓有效值，ωl為三相交流電壓角頻率。

等效模型直流側(cè)輸出阻抗為

要使直流母線-變頻器-推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)保持穩(wěn)定，需滿足條件：

式中，PL為負(fù)載功率，Pdcmax為直流母線所能帶的最大負(fù)載功率。由式（3）可知增大直流側(cè)等效電阻Rdcf和直流側(cè)濾波電容Cdc以及提高直流母線電壓udc或者減小直流側(cè)等效電感Ldcf均可增加直流母線-變頻器-推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是增大電阻會(huì)增加不必要的損耗，增大電容會(huì)增加設(shè)備體積以及成本，提高直流母線電壓會(huì)對(duì)設(shè)備的絕緣和防護(hù)提出更高的要求，而減小電感又會(huì)使電流諧波增加，不利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 基于擾動(dòng)觀測(cè)的直流側(cè)電壓波動(dòng)抑制策略

3.1 擾動(dòng)觀測(cè)器的基本原理和應(yīng)用方案

本文所采用的擾動(dòng)觀測(cè)器旨在實(shí)時(shí)觀測(cè)出擾動(dòng)變量idc的變化量，并作為電機(jī)定子電流q軸電流指令的修正量，通過調(diào)節(jié)變頻器-推進(jìn)電機(jī)負(fù)載功率的變化來抑制直流側(cè)母線電壓的波動(dòng)。擾動(dòng)觀測(cè)器如圖3所示。

圖3 擾動(dòng)觀測(cè)器原理圖

圖3中，P（s）與Pn（s）分別為實(shí)際系統(tǒng)與其標(biāo)稱模型；didc為直流測(cè)電流idc的擾動(dòng)量；C（s）為帶通濾波器，用于提取直流母線的波動(dòng)量。為防止虛線框內(nèi)引入積分誤差的累積，Q（s）選為增益略小于1的低通濾波器。

根據(jù)擾動(dòng)觀測(cè)器原理圖，可知：

式中：

當(dāng)控制信號(hào)頻率為濾波器Q（s）的低頻段時(shí)，，故擾動(dòng)觀測(cè)器可有效觀測(cè)直流測(cè)電流idc的擾動(dòng)。

3.2 基于擾動(dòng)觀測(cè)控制策略的系統(tǒng)性能分析

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻裝置控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，在不改變推進(jìn)系統(tǒng)硬件設(shè)施的條件下，對(duì)船舶電力推進(jìn)變頻裝置采取恰當(dāng)?shù)目刂撇呗?，在維持直流母線電壓穩(wěn)定的同時(shí)使推進(jìn)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)變頻裝置控制結(jié)構(gòu)圖

分析可知，若由螺旋槳負(fù)載突變而引起負(fù)載功率增加，直流母線電流idc隨之增大，此時(shí)要使負(fù)載側(cè)功率朝著相反的趨勢(shì)變化以抵消由功率突變導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定。若能觀測(cè)到電流擾動(dòng)di，并將與其變化趨勢(shì)相反的量作為電機(jī)定子電流q軸分量給定值的修正量，即將電機(jī)定子電流q軸分量的給定值減小，以減弱負(fù)載側(cè)功率增加的趨勢(shì)，從而達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的。反之亦然。

在基于擾動(dòng)觀測(cè)的變頻器控制策略中，變頻器前饋控制器

式中，KCDOB為前饋控制器增益，具體數(shù)值可根據(jù)控制系統(tǒng)仿真確定，GCDOB為擾動(dòng)觀測(cè)器傳遞函數(shù)。

圖5是船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1200r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為500Nm的條件下，直流側(cè)輸出阻抗Zo及變頻器-推進(jìn)電機(jī)的輸入阻抗Zin的波特圖。由圖可知，在不加任何額外的變頻器控制策略時(shí)，變頻器-推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的輸入阻抗Zin在低頻部分表現(xiàn)出恒功率的負(fù)阻抗特性，并在諧振頻率處與直流側(cè)輸出阻抗Zo存在交互區(qū)域，這是引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要原因。

圖5 推進(jìn)系統(tǒng)輸出及輸入阻抗波特圖

Zin_HPF與Zin_CDOB分別為采用直流母線電壓前饋和擾動(dòng)觀測(cè)的變頻器控制策略時(shí)變頻器-推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的輸入阻抗。由圖5可知，在加入變頻器控制策略后，Zo與Zin的交互區(qū)域增大，但是在諧振頻率處，Zin的相位裕度有了大幅增加，Zin_CDOB的相位裕度較Zin_HPF提升更為明顯，遠(yuǎn)離-180°，有效改善了變頻器-推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的恒功率特性。

為了判定加入變頻器控制策略后的推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性是否提升，可引用PBSC（the Passivity-Based Stability Criterion）穩(wěn)定性判據(jù)：

即當(dāng)母線端口等效阻抗Zbus（s）滿足以下無源性條件時(shí)，可認(rèn)為由所有源子系統(tǒng)的輸入阻抗和負(fù)載子系統(tǒng)的輸出阻抗組成的互聯(lián)系統(tǒng)是穩(wěn)定的［4］：

1）Zbus（s）沒有在復(fù)平面右半平面內(nèi)的極點(diǎn)；

2）Re｛Zbus（jω）｝≥0，ω。

Zbus（s）為母線端口等效阻抗，可以表示為所有源變換器的輸入阻抗和負(fù)載變換器的輸出阻抗的并聯(lián)形式。源子系統(tǒng)等效阻抗ZS（s）為前級(jí)等效LC濾波電路的輸出阻抗Zo（s），負(fù)載子系統(tǒng)的等效阻抗ZL（s）為后級(jí)變頻器-推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的輸入阻抗Zin（s）。

如圖6所示，加入基于擾動(dòng)觀測(cè)的變頻器控制策略后，推進(jìn)系統(tǒng)母線端總阻抗Zbus的Nyquist曲線越過虛軸從復(fù)平面的左半平面進(jìn)入右半平面，圖6（b）為圖6（a）虛線框中部分的放大圖。可以證明文章中所提出的基于擾動(dòng)觀的變頻器控制策略可以有效增強(qiáng)系統(tǒng)的無源性，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 推進(jìn)系統(tǒng)母線端總阻抗Zbus奈奎斯特圖

4 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)電機(jī)控制參數(shù)，運(yùn)用Matlab/Simulink軟件，搭建船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證本文所提出的變頻器控制策略的有效性。為了縮短仿真時(shí)間，提高仿真效率，對(duì)螺旋槳負(fù)載進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，只需表現(xiàn)出螺旋槳負(fù)載區(qū)別于其他負(fù)載的特性。

本文所述推進(jìn)電機(jī)采用功率為120kW的三相鼠籠型異步感應(yīng)電機(jī)，逆變器開關(guān)頻率為5KHz，電機(jī)具體參數(shù)如表1所示。

表1 推進(jìn)電機(jī)仿真參數(shù)

船舶在海上航行時(shí)，受風(fēng)浪影響，產(chǎn)生縱搖及垂蕩運(yùn)動(dòng)，螺旋槳軸沉深會(huì)隨波浪的起伏而產(chǎn)生變化。螺旋槳在出水、入水瞬間，由于螺旋槳沉深變化而導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩急劇變化。由圖7、圖8可知，在0.8s時(shí)受波浪影響，螺旋槳沉深由小增大，從而導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩由100Nm突變至500Nm，引起直流母線電壓振蕩，電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨之減小，產(chǎn)生波動(dòng)。此時(shí)若只靠電機(jī)本身的矢量控制，無法使母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定。在1.6s時(shí)，螺旋槳沉深由大變小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由500Nm減小至100Nm，直流母線電壓恢復(fù)穩(wěn)定，電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之恢復(fù)。

圖7 直流母線電壓波形圖

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

圖9、圖10是在同種工況下采用基于擾動(dòng)觀測(cè)的變頻器控制策略時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)各參數(shù)變化的波形圖。

圖9 直流母線電壓波形圖

圖10 電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖

由圖可知，采用基于擾動(dòng)觀測(cè)的變頻器控制策略，在0.8s時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由100Nm突加至500Nm時(shí)，直流母線電壓瞬間減小至770V，電機(jī)轉(zhuǎn)速有小幅減小，在加載的時(shí)間段內(nèi)一直穩(wěn)定在1198r/min。在1.6s時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由500Nm減小至100Nm，電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小，直流母線電壓逐漸增加至820V，電機(jī)轉(zhuǎn)速隨之恢復(fù)。

由以上分析結(jié)果可知，基于擾動(dòng)觀測(cè)的變頻器控制策略對(duì)直流側(cè)電壓振蕩的抑制效果十分顯著。

5 結(jié)語

本文分析了引起電力系統(tǒng)互聯(lián)裝置不穩(wěn)定的原因，以及通常采用的提高電力推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定性所采用的直流母線電壓前饋控制策略。提出了一種基于擾動(dòng)觀測(cè)的電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻器的控制策略，并應(yīng)用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的阻抗模型在頻域內(nèi)驗(yàn)證了本章提出的控制策略的有效性，同時(shí)根據(jù)建立的電機(jī)控制模型在時(shí)域內(nèi)對(duì)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，證明基于擾動(dòng)觀測(cè)的控制策略對(duì)直流側(cè)電壓的振蕩具有顯著的抑制效果。