基于虛擬同步發電機的船舶光伏并網逆變控制策略

湯旭晶, 喻 航, 孫玉偉, 袁成清, 嚴新平, 邱爰超

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院;b.國家水運安全工程技術研究中心;c.交通運輸部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室, 武漢 430063)

基于虛擬同步發電機的船舶光伏并網逆變控制策略

湯旭晶a,b,c, 喻 航a, 孫玉偉a,b,c, 袁成清a,b,c, 嚴新平a,b,c, 邱爰超a

(武漢理工大學 a.能源與動力工程學院;b.國家水運安全工程技術研究中心;c.交通運輸部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室, 武漢 430063)

在船舶電力系統中集成并網型太陽能光伏系統，當傳統恒功率(PQ)控制策略光伏逆變器與船舶電站并聯運行時，存在慣性小、阻尼低且不易實現光伏能量合理調度等問題。針對PQ控制策略存在的缺陷，提出一種基于虛擬同步發電機(Virtual Synchronous Generator,VSG)的光伏并網逆變控制策略，在控制算法中引入功-頻下垂特性和虛擬轉動慣量，使并網逆變器具有與同步發電機相似的輸出下垂特性及慣性阻尼；利用PSCAD/EMTDC建立船舶光伏電-船電并網電力系統仿真模型，分別對PQ和VSG模式下的電網頻率/電壓波動、光伏并網逆變器和同步發電機組承擔的有功功率/無功功率進行分析，研究系統參數的暫態變化。結果表明：采用VSG控制策略能有效抑制系統頻率波動，實現光伏并網功率的自動調節，并顯著提高電網的穩定性。

船舶；光伏系統；并網；虛擬同步發電機；下垂控制

太陽能光伏發電作為當今世界上開發利用可再生能源的主要形式之一，具有無污染、無噪聲和維護簡單等優點，應用前景廣闊。近年來，隨著各國對綠色船舶越來越重視，以太陽能為輔助電力能源的新能源船舶逐漸增多，并得到廣泛關注和研究。[1]根據電能流向的不同，光伏發電在船舶上的應用可分為離網型、并網型和離并網混合型等3種模式[2]，其中離網型光伏系統因需配置大容量儲能裝置，投資成本較高，且光伏逆變功率由后級負載決定，無法實現光伏能源的即發即用，會降低光伏能源的利用效率。隨著光伏能源占全船電力能源的比例不斷增大，將光伏系統與船舶電站并聯運行是減少儲能裝置投資、提高全船能源利用效率的有效途徑。[3]逆變器(INVerter, INV)作為光伏并網應用的核心，其控制策略與逆變器的工作模式和調制效果息息相關。目前陸用光伏系統通常采用恒功率(PQ)控制逆變并網。然而，當光伏能源并入相對孤立、容量有限、強耦合和非線性的船舶電力系統時，若仍采用PQ控制逆變，則當船舶電網電能質量參數(電壓或頻率)大幅波動時，會因并網運行條件限制而突發逆變器脫網停機的現象，帶來同步發電機 (Synchronous Generator, SG)輸出功率陡增和暫態電流沖擊的問題，影響船舶電力系統的穩定運行。此外，PQ控制逆變電源的輸出特性與同步發電機組有顯著區別，難以由船舶能量管理系統(Power Management System, PMS)合理地為其分配輸出功率。[4]

這里針對PQ控制存在的上述問題，提出基于虛擬同步發電機算法(Virtual Synchronous Generator, VSG)的船舶光伏并網逆變控制策略。通過借鑒同步發電機組功-頻下垂特性基本原理，引入一次調頻功率指令，使逆變電源從外特性上模擬同步發電機的一次調頻特性，實現并網功率的自動調節[5]；通過構造虛擬轉動慣量，為逆變器提供一定的旋轉慣性和阻尼分量，使其具有與柴油發電機組相似的電氣和機械特性[6]，從而改善光伏系統的并網條件，提高電力系統的穩定性。利用PSCAD/EMTDC搭建光伏電-船電并網電力系統仿真模型，試驗結果驗證了VSG控制策略的合理性和有效性。

1 船舶光伏并網電力系統結構

船舶光伏并網電力系統結構原理見圖1。光伏陣列發出的直流電經光伏控制器降壓及最大功率追蹤之后，由逆變器將直流電轉換為交流電并入船舶電網。[7]船舶PMS對整個電力系統的運行過程實施監測、控制、保護和能量調度。

圖1 船舶光伏并網電力系統結構原理

2 虛擬同步發電機控制策略

2.1 等效虛擬轉動慣量控制

根據同步發電機的基本原理，忽略其定子電氣特性以避免復雜的電磁暫態計算過程，建立虛擬同步發電機二階暫態模型，其中轉子機械方程為

(1)

式(1)中：J為轉動慣量；Ω為機械角速度；MT為機械轉矩；Me為電磁轉矩。

由虛擬同步發電機電角速度ω與機械角速度Ω之間的關系ω=PΩ，取極對數P=1，式(1)可表示為

(2)

式(2)中：PT為機械功率；Pe為電磁功率。

(3)

由式(3)可知,當電網負荷變化時，VSG逆變器等效虛擬慣量功率指令與電網頻率及頻率變化率之積成正比[8],即:在電網頻率暫態變化過程中，當頻率低于額定值時，VSG逆變器增加有功功率輸出；當頻率高于額定值時，VSG逆變器減少有功功率輸出。由于電力電子設備開關動作響應時間遠少于同步發電機調速器執行機構響應時間，因此當負載變化造成頻率突變時，VSG逆變器可迅速增/減并網輸出功率，實現對電網頻率波動的抑制。當電網頻率由暫態過程過渡到穩態過程之后，虛擬慣量功率輸出為零。為保證穩態時逆變器輸出有效的功率，可在逆變算法中引入下垂控制，實現對船舶電網負載功率的合理分配。

2.2 基于有差調節特性的下垂控制

并聯運行船舶同步發電機間有功功率的分配與發電機組的功-頻(P-f)特性有關，為使并網機組在任意負載下都能按容量比例自動分配有功功率，原動機調速器一般采用下垂有差特性控制柴油機轉速(見圖2)。[9]若具有功-頻有差特性的并網逆變器與同步發電機并聯運行，根據上述原理，也可實現因負荷變化造成系統頻率波動時，逆變器并網有功功率的自動調節。[10]

圖2 同步發電機功頻有差特性

圖2中,發電機組初始時刻運行于額定工作點N，隨著系統負荷的增加，發電機組工作點逐漸下移，最后在A點穩定運行。電網負荷變化導致的頻率變化量為Δf，相應的功率變化量為ΔP，下垂控制傾斜度用調差系數K表示，即

(4)

以光伏逆變器與柴油同步發電機組并聯運行為例，當船舶電力負荷發生波動時，逆變器和同步發電機組的有功功率變化量分別設為ΔP1及ΔP2，由于并聯運行時二者的頻率變化量相等，因此功率變化量與其調差系數K1及K2滿足

(5)

可見，光伏逆變器和柴油發電機承擔的電力負荷與其調差系數成反比[11]，PMS在對儲能裝置容量、逆變器當前輸出功率及全船電力負荷等重要信息進行實時采集的基礎上，根據一定的能量管理策略設定相應的逆變器額定功率PN和調差系統K1，可實現對逆變器輸出有功功率的動態控制。圖3為引入等效虛擬慣量功率并基于有差調節的下垂控制算法原理，其中：fN為設定的電網額定頻率；f為實際運行頻率；1/K為比例控制系數；Pinertia為等效虛擬慣量功率；Pdroop為下垂控制輸出功率指令值；Pref為解算并網逆變器輸出功率指令值。

圖3 虛擬同步發電機下垂控制算法原理

2.3 有功功率與無功功率的解耦控制

無論是虛擬慣量控制還是下垂控制，在本質上都需對功率進行實時調節，實現對有功功率和無功功率的有效跟蹤。根據瞬時功率理論，將逆變器有功功率P和無功功率Q輸出的控制解耦成有功電流及無功電流的控制[12]，在靜止dq直角坐標系下可表示為

(6)

假設電網三相電壓為理想的正弦波，則有

(7)

式(7)中:Um為電網電壓峰值;ω1為基波角頻率。將三相電壓先后經Clarke變換和Park變換，由三相坐標系轉換到靜止直角坐標系[13]中，可得

(8)

則式(6)可進一步簡化為

(9)

引入比例積分控制環節，可得

(10)

(11)

為提高光伏能源的利用效率，需盡可能地完全轉換，以利用其有功功率部分。設定光伏逆變器運行于單位功率因數狀態，即僅向電網輸送有功功率，系統無功功率均由柴油發電機承擔[14]，上述采用功率外環及電流內環的有功功率和無功功率雙環解耦控制算法見圖4。

圖4 有功功率和無功功率雙環解耦控制算法

3 仿真與試驗分析

在PSCAD/EMTDC仿真平臺上建立某汽車滾裝船的光伏并網電力系統簡化仿真模型(見圖5)。柴油同步發電機組的容量為1 200 kV·A，額定功率為960 kW；光伏并網逆變器的額定容量為150 kW。考慮到實船光伏系統集成有較大容量的鋰電池儲能系統(700 kW·h)，可起到穩定光伏逆變器直流輸入端電壓和平衡供/耗功率的作用，在仿真模型中采用直流恒壓源替代光伏電池陣列予以簡化。從驗證所提逆變并網控制策略的有效性的角度出發，不考慮多臺同步發電機組并聯運行過程中自動調頻調載裝置對電網電壓和頻率的控制作用，仿真模型中僅設定光伏系統與單臺同步發電機組并聯組網的算例，相關參數設置見表1。

圖5 船舶光伏并網電力系統簡化仿真模型

算例設置：在初始狀態下，連續性負荷有功功率為598.6 kW；通過PMS調控，光伏系統承擔有功功率30 kW，柴油發電機組承擔有功功率568.6 kW；10 s時刻間斷性負荷156 kW全部接入船舶電網；20 s時刻切離間斷性負荷78 kW。為防止電網頻率小范圍頻繁波動造成光伏并網逆變器因過度響應而引發電網振蕩，在控制算法中設定調節死區范圍為±0.3 Hz(當頻率變化量在死區內時，Pinertia輸出為零)；為防止光伏并網逆變器輸出過載，在算例中設定并網逆變器最大輸出功率為150 kW；逆變器并網功率因數為1，為純有功輸出。

3.1 對頻率和電壓波動的抑制作用分析

對比采用PQ控制策略和VSG控制策略的光伏并網逆變器與同步發電機組并聯運行之后發生電網負荷大幅突變時的電網頻率及電壓波動，結果見圖6～圖9。

從圖6～圖9中可看出:

1)在第10 s突增156 kW負載之后的波動狀況:在PQ模式下,電網頻率的波動范圍為58.8～60.3 Hz，靜態穩定值為59.6 Hz(降幅為0.6%)，瞬態電壓突降至432 V(降幅為4%);在VSG模式下,電網頻率的波動范圍為59.3～60.1 Hz，靜態穩定值為59.75 Hz(降幅為0.4%)，瞬態電壓突降至428 V(降幅為4.9%);在2種模式下,電壓恢復時間(電網電壓恢復到與額定值相差3%以內所需時間)均<0.1 s。

圖6 在PQ模式下電網頻率波動

圖7 在VSG模式下電網頻率波動

圖8 在PQ模式下并網系統電壓波動

圖9 在VSG模式下并網系統電壓波動

2)在第20 s突減78 kW負載之后的波動狀況:在PQ模式下,電網頻率的波動范圍為59.5～60.2 Hz，靜態穩定值為59.7 Hz(降幅為0.5%);在VSG模式下,電網頻率的波動范圍為59.7～60.2 Hz，靜態穩定值為59.8 Hz(降幅為0.3%)；在2種模式下,電壓波動幅值均為457 V(增幅為1.5%)，電壓恢復時間均<0.1 s。

3.2 有功/無功功率輸出特性差異分析

在分別采用PQ控制策略和VSG控制策略的條件下，光伏并網逆變器和同步發電機組有功功率輸出變化情況見圖10及圖11，相應的無功功率輸出變化情況見圖12及圖13。

圖10 在PQ & VSG模式下INV有功功率輸出

圖11 在PQ & VSG模式下SG有功功率輸出

圖12 在PQ模式下INV和SG無功功率輸出

圖13 在VSG模式下INV和SG無功功率輸出

從圖10～圖13中可看出:

1)采用PQ控制策略，在電力負荷大幅突變的時刻，船舶電網電力負荷的變化完全由柴油發電機承擔，光伏并網逆變器輸出功率始終保持在30 kW左右，無法實現并網功率的動態自動調節。

2)采用VSG控制策略，逆變器并網功率在第10 s時突增至140 kW，之后在1.5 s內逐步降低并穩定在104 kW(負荷率69.33%，承擔變動負荷部分48.05%);同步發電機組輸出功率在該暫態過程中先陡增至630 kW左右，之后在3 s內逐步提高并穩定在650 kW(負荷率67.71%，承擔變動負荷部分51.95%)。在第20 s時，逆變器并網功率驟減至50 kW，隨后逐漸提升并穩定在68 kW(負荷率45.33%，承擔變動負荷部分46.15%);同步發電機組輸出功率在該暫態過程中先陡降至628 kW，隨后在2 s內逐步降低并穩定在608 kW左右(負荷率63.33%，承擔變動負荷部分53.85%)。

3)在2種控制策略下，并網逆變器無功功率輸出始終為零，系統無功功率變化均由同步發電機組承擔。

4 結束語

本文針對采用PQ控制策略的并網逆變器無法實現并網功率自動調節、慣性小和阻尼低的特性，提出一種基于虛擬同步發電機的逆變并網控制策略，通過在控制環節中引入虛擬慣量功率模擬同步發電機組的負荷調節特性，通過采用基于功-頻有差特性的下垂控制算法實現系統負荷變化時光伏并網功率的自動調節。研究結果表明：

1)在電網有功負荷突變過程中，光伏并網逆變器采用VSG控制策略對電網頻率波動和靜態偏差的抑制作用要優于采用PQ控制策略，對電網電壓波動和穩定時間的控制效果與PQ控制策略相當。

2)當電網頻率由暫態過程過渡到穩態過程之后，基于P-f下垂特性的VSG逆變器能通過靜態有差調節實現按比例分擔電網變動負荷，與采用PQ控制策略的并網逆變器相比動態調節特性更好。

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Grid-ConnectedPhotovoltaicshipInverterControlStrategyBasedonVirtualSynchronousGenerator

TANGXujinga,b,c,YUHanga,SUNYuweia,b，c,YUANChengqinga,b,c,YANXinpinga,b,c,QIUYuanchaoa

(a. School of Energy and Power Engineering; b. National Engineering Research Center for Water Transport Safety; c. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

With the integrated application of grid-connected photovoltaic(PV) system in traditional marine electric power systems, the solar PV inverter which adopts the conventional constant power (PQ) control strategy having some inevitable problems when in parallel operation with ship power station, such as low damping, low system inertia and difficulty in achieving rational energy management. Aiming at the shortcomings of PQ control strategy, a kind of innovative control strategy of Virtual Synchronous Generator (VSG) is proposed for PV grid-connected inverter. The virtual rotational inertia and power-frequency droop characteristics are introduced into the control algorithm, so that the output droop characteristics and inertial damping of the inverter are changed as if it were a real synchronous generator. The integrated simulation model of photovoltaic ship power system is established under the environment of PSCAD/EMTDC. In order to study the transient stability of this integrated power system, the grid frequency/voltage fluctuation of the inverter and synchronous generator, the grid frequency/voltage fluctuation and active/reactive power output, are analyzed with PQ and VSG control strategy respectively. The results show that the VSG control strategy can effectively suppress system frequency fluctuation, achieve automatic adjustment of the PV grid power, and improve stability of the grid.

ship; photovoltaic system; grid-connected; VSG; droop control

2017-11-14

國家自然科學基金(51422507)；湖北省高端人才引領培養計劃資助項目(鄂科技通[2012] 86號)

湯旭晶(1973—)，男，浙江金華人，副教授，研究方向為船舶新能源技術和微機控制技術在輪機系統中應用。E-mail:txj73@whut.edu.cn

孫玉偉(1985—)，男，湖北十堰人，副教授,博士，研究方向為船舶電力系統及自動化控制、綠色船舶應用技術。E-mail:ywsun@whtu.edu.cn

1000-4653(2018)01-0028-06

U665.1

A