劉慧文，邢宏偉，房鑫炎，李亦凡，金力

(1.國(guó)網(wǎng)電動(dòng)汽車服務(wù)有限公司，北京 100031; 2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

0 引言

岸電系統(tǒng)的雙側(cè)，岸側(cè)變頻電源以及船側(cè)電力系統(tǒng)，處于異頻運(yùn)行狀態(tài)。船舶設(shè)備運(yùn)行頻率為60 Hz，而我國(guó)港口岸電設(shè)施運(yùn)行于工頻50 Hz。由于頻率不同，并網(wǎng)過(guò)程往往伴隨著較大的功率沖擊，出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象，降低岸電系統(tǒng)給船舶負(fù)荷的供電質(zhì)量，導(dǎo)致岸船兩側(cè)電氣設(shè)備損壞及并網(wǎng)失敗。

現(xiàn)有的對(duì)于逆變器保護(hù)的研究，一般集中在不同新能源接入的場(chǎng)景中，如大容量分布式接入對(duì)于電流保護(hù)的影響［1］以及通過(guò)相位控制對(duì)電流保護(hù)的改進(jìn)方案［2］，含分布式電源的電網(wǎng)快速適應(yīng)型自愈技術(shù)［3］。也有的研究認(rèn)為分布式電源接入后，電流保護(hù)受到逆變器的影響較大，因此應(yīng)該配置距離保護(hù)，與電流保護(hù)相配合對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)［4］，或者應(yīng)該采用縱聯(lián)保護(hù)作為多點(diǎn)新能源接入的主保護(hù)［5］。同時(shí)，也有一部分研究分析分布式電源接入后故障時(shí)，電網(wǎng)的故障模型以及模型中電氣量的故障特性，如針對(duì)小電阻接地方式的配電網(wǎng)單向接地故障［6］，針對(duì)MMC-HVDC 直流側(cè)極間短路故障［7］以及換流器橋臂短路故障［8］的故障建模與特性分析，考慮了PQ 控制模式特性的逆變型分布式電源故障模型［9］。為了防止發(fā)生故障時(shí)新能源脫網(wǎng)造成較大的功率、頻率波動(dòng)，逆變器要具有一定的電壓支撐能力，有一部分研究在逆變器故障模型中計(jì)及逆變器故障后的電壓恢復(fù)能力［10-11］，給出更為貼合實(shí)際的故障模型。

但是岸電系統(tǒng)跟新能源有一定區(qū)別，新能源并網(wǎng)的研究核心一般在于從孤島模式向并網(wǎng)模式切換，但這些切換方式在岸電系統(tǒng)中并不適用，岸電系統(tǒng)涉及到船舶的并網(wǎng)、離網(wǎng)以及負(fù)荷轉(zhuǎn)供過(guò)程，船舶的柴油發(fā)電機(jī)組與岸側(cè)的變頻電源并不是單一的對(duì)等或者主從關(guān)系，因此對(duì)新能源并網(wǎng)場(chǎng)景的保護(hù)研究不能直接遷移到岸電系統(tǒng)保護(hù)的研究上。同時(shí)對(duì)于專門(mén)岸電系統(tǒng)保護(hù)的研究比較少，且集中在針對(duì)船側(cè)保護(hù)的改進(jìn)中［12］，岸電系統(tǒng)保護(hù)的信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上［13］，或者是岸電系統(tǒng)故障診斷的數(shù)學(xué)模型［14］，沒(méi)有根據(jù)岸電系統(tǒng)的特性，提出專門(mén)適應(yīng)于岸電系統(tǒng)的保護(hù)方法。

文中基于上述諸多針對(duì)新能源接入場(chǎng)景的逆變器控制策略以及保護(hù)方法研究，結(jié)合岸電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出針對(duì)岸電系統(tǒng)的逆功率現(xiàn)象以及故障后岸側(cè)無(wú)法快速恢復(fù)負(fù)荷供給現(xiàn)象的控制策略。通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電流互感器中的電流流向以判斷逆功率現(xiàn)象是否發(fā)生，根據(jù)逆功率不同種類采用不同的電壓幅值、頻率控制策略調(diào)整變頻電源的輸出電壓，以消除逆功率現(xiàn)象;通過(guò)故障時(shí)調(diào)整變頻電源電流內(nèi)環(huán)控制的參考值，提高變頻電源輸出的無(wú)功功率，對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓進(jìn)行支撐，完成故障后的快速電壓恢復(fù)，防止脫網(wǎng)現(xiàn)象發(fā)生。該策略的創(chuàng)新性在于合閘時(shí)可以快速抑制逆功率現(xiàn)象，完成負(fù)荷平穩(wěn)轉(zhuǎn)供;在故障后改變對(duì)變頻電源的控制策略，快速恢復(fù)對(duì)船側(cè)負(fù)荷的供電。避免了故障時(shí)直接切斷船岸雙側(cè)系統(tǒng)連接引起的巨大波動(dòng)，保護(hù)兩側(cè)電力設(shè)備不受到損壞，實(shí)現(xiàn)岸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

首先對(duì)岸電系統(tǒng)的預(yù)同步控制結(jié)構(gòu)以及變頻電源控制模式進(jìn)行分析，其次分析岸電系統(tǒng)的逆功率發(fā)生原因與電氣量特征，以及并網(wǎng)點(diǎn)故障后電氣量特征。根據(jù)并網(wǎng)環(huán)節(jié)的故障特性以及荷轉(zhuǎn)供過(guò)程中的故障特性，提出逆功率檢測(cè)模塊的邏輯實(shí)現(xiàn)及控制手段與變頻電源的故障控制方案。并搭建Simulink 仿真模型對(duì)兩種策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1 岸電系統(tǒng)模型

船舶并網(wǎng)主要涉及到岸電系統(tǒng)的兩個(gè)核心部分:預(yù)同步控制模塊以及岸側(cè)變頻電源模塊。預(yù)同步控制模塊負(fù)責(zé)并網(wǎng)前對(duì)岸側(cè)以及船側(cè)的電壓幅值、頻率進(jìn)行跟蹤，并將修正值傳至變頻電源模塊，幫助變頻電源模塊調(diào)整輸出，完成雙側(cè)系統(tǒng)的順利并網(wǎng)以及穩(wěn)定的負(fù)荷轉(zhuǎn)供。

1.1 預(yù)同步控制模式

在船舶并網(wǎng)前，岸船兩側(cè)的電壓、相位以及頻率應(yīng)該接近相等，為了增加岸電的可連接船舶種類，通過(guò)調(diào)節(jié)岸側(cè)變頻電源的電壓幅值與相位，使得岸側(cè)變頻電源對(duì)船側(cè)柴油發(fā)電機(jī)進(jìn)行“跟蹤”，當(dāng)電壓的幅值與相位達(dá)到一致時(shí)完成并網(wǎng)動(dòng)作。

岸電系統(tǒng)的預(yù)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 預(yù)同步控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pre-synchronous control system

預(yù)同步控制系統(tǒng)共有兩個(gè)部分組成，幅值控制器與相位控制器。

幅值控制器獲取岸側(cè)變頻電源的三相電壓U2a，U2b，U2c幅值以及船側(cè)的三相電壓U1a，U1b，U1c幅值，通過(guò)PI 控制器不斷縮小兩者差值，并將差值計(jì)入?yún)⒖茧妷篣*中，將該幅值誤差的修正參考電壓V*d，作為后續(xù)電壓電流雙閉環(huán)控制的輸入整定值，從而不斷修正變頻電源輸出電壓幅值。

相位控制器在并網(wǎng)前，利用鎖相環(huán)獲取岸側(cè)變頻電源電壓Uc和船舶電網(wǎng)側(cè)運(yùn)行電壓相角θg，以θg為輸入角對(duì)Uc作旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，目標(biāo)是盡量減小并網(wǎng)時(shí)岸船兩側(cè)電壓相位差，即θg與Uc的相位θc之間的差值應(yīng)該盡量小，如圖2 所示。

圖2 相位控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of phase control

即控制旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的Uc在q 軸上的分量Ucq為零。角頻率是相位的微分，因此相位間的差值可以視為圖中角頻率ωc與角頻率ωg之間的差值，同樣的，將該差值計(jì)入角頻率參考值ω*中，將修正參考角頻率ω作為后續(xù)電壓電流雙閉環(huán)控制的輸入整定值，從而不斷修正變頻電源輸出電壓相位。

1.2 岸電變頻電源控制模式

在船舶并網(wǎng)后，岸側(cè)的變頻電源系統(tǒng)一般采用下垂控制策略對(duì)變頻電源的有功、無(wú)功功率輸出進(jìn)行控制。在船舶并網(wǎng)后，岸電系統(tǒng)的等效電路圖如圖3 所示。

圖3 并網(wǎng)后岸電系統(tǒng)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of shore power system after grid connection

圖3中，Uc與θc表示岸側(cè)變頻電源系統(tǒng)電壓的幅值與相角，Ug與θg表示船側(cè)電力系統(tǒng)電壓幅值與相角，Zg與θz表示岸電系統(tǒng)連接線的阻抗值與相角，ZL與θL表示船側(cè)負(fù)荷的阻抗值與相角。

則并網(wǎng)后變頻電源的有功、無(wú)功功率可由式( 1)計(jì)算:

由于岸電系統(tǒng)中，連接線主要呈感性，且預(yù)同步模塊使得合閘后兩側(cè)電壓相位差較小，故可以做出如下近似處理:

從而得到化簡(jiǎn)后的岸側(cè)變頻電源輸出的有功、無(wú)功功率如下:

由上式可知，變頻電源輸出的有功功率主要受到輸出的電壓相角控制，輸出的無(wú)功功率主要受到輸出的電壓幅值控制。類似地，角頻率是輸出電壓相角對(duì)時(shí)間的微分，因此可以通過(guò)控制角頻率從而達(dá)到對(duì)輸出電壓相角的控制。由此形成下垂特性如式(4) 所示:

式中ωn、En、Pn、Qn分為額定的角頻率、電壓、有功功率和無(wú)功功率; ω、E、P、Q分為實(shí)際的角頻率、電壓、有功功率和無(wú)功功率;m、n分別表示有功-頻率下垂系數(shù)與無(wú)功-電壓下垂系數(shù)。

由此，可以得到如圖4 所示的岸側(cè)變頻電源下垂控制系統(tǒng)。

圖4 變頻電源下垂控制結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of variable frequency power supply droop control

2 逆功率以及故障控制策略

2.1 逆功率控制策略

岸電系統(tǒng)中逆功率現(xiàn)象主要出現(xiàn)在岸船并網(wǎng)以及解列的過(guò)程中，由岸側(cè)變頻電源的輸出電壓與船側(cè)柴油發(fā)電機(jī)的輸出電壓的幅值、頻率不匹配所引起。逆功率現(xiàn)象及其性質(zhì)如表1 所示。

表1 逆功率現(xiàn)象及其產(chǎn)生原因Tab.1 Reverse power phenomenon and causes

現(xiàn)實(shí)工況中，當(dāng)電壓幅值差值小于5%，相位角差值小于10°，即符合并網(wǎng)條件。因此在合閘時(shí)岸側(cè)與船側(cè)的電壓幅值、頻率、相位并非完全相同，從而導(dǎo)致并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生逆功率現(xiàn)象。

在出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象的情況下，系統(tǒng)沒(méi)有運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)，若直接切斷船側(cè)與岸側(cè)的連接，容易導(dǎo)致更為劇烈的功率波動(dòng)。因此需要在岸電系統(tǒng)中設(shè)置逆功率保護(hù)裝置，實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓、電流波形，進(jìn)行潮流計(jì)算以及判斷功率流向，當(dāng)出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象且達(dá)到閾值的情況下，根據(jù)不同逆功率的種類，采取不同的控制手段。適用于岸電系統(tǒng)的逆功率保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 逆功率保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of reverse power protection device

因此，對(duì)于逆功率現(xiàn)象，可以通過(guò)調(diào)整變頻電源的運(yùn)行參數(shù)以改變輸出電壓的幅值、頻率從而消除逆功率現(xiàn)象。

如圖5 所示，在負(fù)荷轉(zhuǎn)供過(guò)程中，電流互感器TA1檢測(cè)到圖中電流I1的方向?yàn)閺拇瑐?cè)到岸側(cè)( 圖中虛線箭頭方向) ，此時(shí)信號(hào)采集與處理模塊會(huì)向變頻電源控制模塊發(fā)出控制信號(hào)，直至電流互感器TA1檢測(cè)到電流I1流向變?yōu)閺陌秱?cè)流向船側(cè)( 圖中實(shí)線箭頭方向) 。

對(duì)于從岸側(cè)流向船側(cè)的逆功率現(xiàn)象，即電流互感器TA2檢測(cè)到圖中電流I2的方向?yàn)樘摼€箭頭方向，可以通過(guò)電流互感器TA2檢測(cè)到的電流I2以及電壓互感器TV3檢測(cè)到的電壓U2計(jì)算逆功率大小。同樣的，調(diào)整變頻電源的輸出電壓直至電流互感器TA2檢測(cè)到電流I2流向變?yōu)閺陌秱?cè)流向船側(cè)( 圖中實(shí)線箭頭方向) 。

具體的控制策略為一時(shí)間線性函數(shù)，如式(5) 所示:

式中T表示參數(shù); 下標(biāo)shore、ship 分別表示岸側(cè)、船側(cè);tstart表示控制開(kāi)始的時(shí)刻;t表示當(dāng)前時(shí)刻;k為調(diào)節(jié)變化率大小。

由分析可以得出逆功率保護(hù)控制策略，如圖6 所示。

圖6 逆功率保護(hù)控制策略Fig.6 Reverse power protection control strategy

2.2 故障控制策略

當(dāng)兩側(cè)并網(wǎng)線路故障時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)的電壓發(fā)生跌落，需要通過(guò)調(diào)整電流內(nèi)環(huán)控制的參考值，使岸側(cè)變頻電源持續(xù)輸出無(wú)功功率支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓，保持船舶與岸電系統(tǒng)的連接與岸電系統(tǒng)對(duì)于船側(cè)負(fù)荷的供電能力。德國(guó)的E.ON 標(biāo)準(zhǔn)制定了低電壓穿越期間電壓跌落深度與變頻電源輸出無(wú)功電流之間的關(guān)系［15］，而在岸電系統(tǒng)中，可以借鑒低電壓穿越的要求，變頻電源需要供給船側(cè)負(fù)荷的無(wú)功部分，因此將上述條件修改成當(dāng)電壓跌落深度小于10%，逆變側(cè)輸出正常工作狀態(tài)下的無(wú)功電流。

岸側(cè)變頻電源中，整流側(cè)采用三相不可控整流，逆變側(cè)為可控部分。正常運(yùn)行模式下，逆變側(cè)采用前文所述的電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制，將ABC 三相靜止坐標(biāo)系中的電氣量向d、q 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行投影，將電壓外環(huán)控制的輸出作為解耦后電流內(nèi)環(huán)控制的id，iq參考值。

當(dāng)出現(xiàn)故障使得并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，故障切除后，電壓仍然處于跌落狀態(tài)，控制模式應(yīng)該迅速切換至岸側(cè)變頻電源優(yōu)先對(duì)無(wú)功電流進(jìn)行控制，即id，iq的參考值從電壓外環(huán)控制的輸出變?yōu)榻o定的電流值i*d，i*q ，并根據(jù)電壓跌落深度的不同進(jìn)行不同的控制，具體控制函數(shù)如下:

式中UN，IN為變頻電源額定電壓和額定電流;iqN與idN分別為正常工作狀態(tài)下電流內(nèi)環(huán)控制的參考值。

由式(6) 得到的i*d，i*q可以在發(fā)生故障時(shí)作為電流內(nèi)環(huán)控制的d、q 軸電流給定值，使得逆變器在故障期間向并網(wǎng)點(diǎn)注入無(wú)功功率，抬高并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，實(shí)現(xiàn)了變頻電源逆變側(cè)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的支撐，幫助快速恢復(fù)岸側(cè)變頻電源對(duì)船側(cè)負(fù)荷的供電。

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中提出的逆功率控制策略以及故障控制策略的有效性，在MATLAB/Simulink 平臺(tái)上搭建岸電系統(tǒng)模型，并結(jié)合華東某遠(yuǎn)洋港口電力設(shè)備實(shí)際情況以及船舶的實(shí)際參數(shù)，進(jìn)行兩種策略的仿真，并分析得出結(jié)論。具體仿真模型參數(shù)如表2 所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

3.1 逆功率控制策略仿真驗(yàn)證

逆功率保護(hù)控制仿真時(shí)長(zhǎng)共2.5 s，0 －0.2 s 為岸側(cè)變頻電源與船側(cè)電力系統(tǒng)單獨(dú)運(yùn)行; 0.2 s －0.6 s為并網(wǎng)前的預(yù)同步過(guò)程，預(yù)同步控制系統(tǒng)工作;岸側(cè)與船側(cè)于0.6 s 合閘，同時(shí)逆功率控制模塊檢測(cè)到由岸側(cè)流向船側(cè)的逆功率，動(dòng)作，對(duì)逆功率進(jìn)行抑制，于2 s 時(shí)完成岸側(cè)變頻電源對(duì)船側(cè)負(fù)荷的供電。

岸側(cè)變頻電源的輸出功率波形如圖7 所示。

圖7 變頻電源輸出功率Fig.7 Output power of frequency conversion power

如圖7 所示，于0.6 s 合閘后，岸側(cè)變頻電源瞬時(shí)輸出功率達(dá)到4 MW，當(dāng)檢測(cè)到逆功率出現(xiàn)時(shí)，逆功率控制模塊動(dòng)作，對(duì)變頻電源輸出的電壓、電流進(jìn)行抑制，變頻電源的輸出電壓、輸出電流波形如圖8、圖9所示。

圖8 變頻電源輸出電壓Fig.8 Output voltage of frequency conversion power

圖9 變頻電源輸出電流Fig.9 Output current of frequency conversion power

由圖8、圖9 可見(jiàn)，當(dāng)出現(xiàn)逆功率時(shí)，逆功率保護(hù)控制動(dòng)作，調(diào)整變頻電源的輸出電壓幅值以及輸出電流幅值，于圖中0.61 s 處可見(jiàn)較為明顯的調(diào)整動(dòng)作，以快速適應(yīng)船側(cè)額定負(fù)荷值3 MW，且整體逆功率控制策略于0.1 s 內(nèi)完成對(duì)變頻電源輸出功率的調(diào)整，完成了對(duì)于逆功率現(xiàn)象的快速且有效的消除。

3.2 故障控制策略仿真驗(yàn)證

故障控制策略仿真于船側(cè)負(fù)荷全部由岸側(cè)變頻電源供電后繼續(xù)，于2.5 s 時(shí)合閘點(diǎn)發(fā)生三相短路，故障于2.53 s 切除，后采用上文所述的低電壓控制策略進(jìn)行合閘點(diǎn)的電壓支撐以及對(duì)船側(cè)負(fù)荷供電的恢復(fù)。

仿真期間合閘點(diǎn)三相電壓波形如圖10 所示。

圖10 故障后合閘點(diǎn)三相電壓Fig.10 Three-phase voltage at the closing point after the fault

由圖10 可見(jiàn)，故障切除后，三相電壓發(fā)生振蕩，同時(shí)進(jìn)行故障控制，合閘點(diǎn)三相電壓快速恢復(fù)，于2.57 s時(shí)合閘點(diǎn)三相電壓已經(jīng)恢復(fù)到額定電壓的90%; 于2.6 s時(shí)已經(jīng)基本到達(dá)穩(wěn)態(tài)，此時(shí)伴有較小的電壓波動(dòng);于2.7 s 已完全恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

仿真期間變頻電源支撐合閘點(diǎn)電壓恢復(fù)而輸出的無(wú)功功率以及有功功率如圖11、圖12 所示。

圖11 故障后變頻電源輸出無(wú)功功率Fig.11 Frequency conversion power output reactive power after the fault

圖12 故障后變頻電源輸出有功功率Fig.12 Frequency conversion power output active power after the fault

如圖11、圖12 所示，變頻電源的輸出無(wú)功功率同樣在故障切除后發(fā)生振蕩，隨后增加輸出的無(wú)功功率，開(kāi)始對(duì)合閘點(diǎn)電壓進(jìn)行支撐。當(dāng)電壓恢復(fù)到額定電壓的90%后，變頻電源輸出的無(wú)功功率開(kāi)始下降，重新回到適應(yīng)船側(cè)負(fù)荷的0.2 Mvar。變頻電源輸出的有功功率同樣在2.65 s 時(shí)恢復(fù)到了3 MW，重新恢復(fù)對(duì)船側(cè)負(fù)荷的供電。

作為對(duì)比，在不采用故障控制策略的情況下，故障切除后合閘點(diǎn)三相電壓以及變頻電源輸出有功功率如圖13、圖14 所示。

圖13 故障后無(wú)控制策略合閘點(diǎn)三相電壓Fig.13 Three-phase voltage at the closing point after the fault without control strategy

圖14 故障后無(wú)控制策略變頻電源輸出有功功率Fig.14 Frequency conversion power output active power after the fault without control strategy

通過(guò)圖13、圖14 與圖10、圖12 的對(duì)比可見(jiàn)，在沒(méi)有使用故障控制策略時(shí)，電壓抬升到一定程度便開(kāi)始發(fā)散，岸側(cè)變頻電源輸出有功功率同樣發(fā)散，會(huì)觸發(fā)斷路器斷開(kāi)兩側(cè)連接。

而使用故障控制策略，則可以有效地在故障后供給無(wú)功功率幫助合閘點(diǎn)的電壓抬升到額定工作值，也迅速恢復(fù)岸側(cè)對(duì)于船側(cè)負(fù)荷的功率供給。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中結(jié)合岸電系統(tǒng)特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有的岸電系統(tǒng)故障控制策略研究的缺失，提出適用于岸電系統(tǒng)的逆功率控制策略以及故障控制策略，通過(guò)仿真驗(yàn)證，得出如下結(jié)論:

(1) 文中提出適用于岸電系統(tǒng)的逆功率控制策略以及逆功率保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)，根據(jù)該策略對(duì)岸側(cè)變頻電源的電壓與電流進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)時(shí)船舶并網(wǎng)時(shí)對(duì)逆功率現(xiàn)象的快速抑制，提高對(duì)于船側(cè)負(fù)荷的供電質(zhì)量;

(2) 故障控制策略在發(fā)生電壓跌落時(shí)，提高岸側(cè)變頻電源輸出的無(wú)功功率，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)合閘點(diǎn)的電壓支撐，并使岸側(cè)變頻電源快速恢復(fù)對(duì)船側(cè)負(fù)荷的供電，重新運(yùn)行于穩(wěn)態(tài)。