船舶并網逆變器無功補償的協調控制策略

侯星星， 高 嵐， 徐合力

(武漢理工大學 a.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室；b.能源與動力工程學院， 武漢 430063)

隨著化石能源的不斷消耗及其造成的環境污染不斷增大，船舶上已開始使用太陽能和風能等新能源為船舶提供所需電能。然而隨著新能源發電系統引入到船舶中，電力電子裝置也隨之增加，給易受干擾的船舶電網帶來更大的影響。[1-2]

在船舶用電設備中存在大量阻感性負載，如變壓器和異步電動機等，這些負載會使電網電壓波動增加[3]，如果無功功率不足，將會加速用電設備的損壞，嚴重時還會影響船舶電網的穩定性。無功功率平衡是保證電網電能質量的基本前提，本文從無功補償的角度來提高電網功率因數，保證電網穩定運行。由于船舶在運行中會出現電網三相不平衡的情況，因此本研究以三相不平衡電網為基礎。

傳統的船舶電網無功補償方式有同步調相機方法、晶閘管投切電容器和靜止無功發生器等方式，但這些裝置存在成本高、噪聲大和體積大等問題。[4-5]由于船舶并網逆變器是新能源并入電網的核心[6]，具有調節入網電能質量、控制有功和無功的特點，在電路結構上與靜止無功發生器具有很大相似性[7]，因此對并網逆變器控制策略進行研究，使其具有無功補償功能。

文獻[8]和文獻[9]初步研究單相的分布式發電系統中逆變器的諧波補償和無功補償控制，但在三相系統中沒有應用。文獻[10]根據瞬時無功功率理論設計一種具有無功補償功能的三相并網逆變器，但該設計方法是在電網三相平衡條件下推導的，不平衡電網沒有應用到。文獻[11]根據船舶電網的特性，設計一種適用于新能源船舶的多功能并網逆變器，但對不平衡電流的補償沒有詳細介紹。

本文以并網逆變器的瞬時功率特性為基礎，提出一種不斷改變負序基波分量比重的控制方法。該控制策略能實現功率與并網電流的協調控制，可以減少瞬時無功功率的波動，提高功率因數，在電網不平衡的情況下實現無功補償。

1 船舶并網逆變器無功補償原理

船舶并網逆變器是船舶新能源向船舶電網輸送電能的核心裝置。船舶新能源并網系統結構見圖1。新能源可以是太陽能電池板、風力發電機或蓄電池等，通過逆變器完成直流電到交流電的變換，利用濾波器去除逆變后電流的諧波成分，最終輸送給船舶電網。逆變器所需要的無功指令來自于無功檢測裝置，為方便分析，令有功指令值為一固定值，從而使并網逆變器在傳送有功功率的同時發出無功功率，達到電網無功補償的目的。

圖1 船舶新能源并網系統結構

船舶并網逆變器有電壓源型橋式逆變器和電流源型橋式逆變器2種[12]，這里采用電壓源型，用矢量圖對其輸出無功功率進行分析，為方便分析，以一相為例進行闡述。在無功補償模式下的逆變器并網等效電路見圖2，可寫為

(1)

圖2 逆變器并網等效電路 a) 電流超前b) 電流滯后圖3 逆變器電壓與電網電壓矢量關系

(2)

當δ<5°時，P和Q可近似寫為

(3)

(4)

由式(3)和式(4)可知:當δ>0時，P>0，即逆變器向電網提供有功功率；當δ<0時，逆變器需要從電網側吸收能量來維持母線電壓穩定。當Us0，逆變器向電網輸送無功功率；當Us>Ug時，逆變器需要從電網吸收無功功率。

由上述分析可知：當電網電壓與逆變器輸出電壓相位差很小時，逆變器主要發出無功功率，輸出無功大小由Us與Ug的幅值差決定，因此，可通過控制逆變器輸出電壓的幅值大小來控制逆變器輸出無功的大小，根據電網所需無功對其進行補償。

2 控制策略

逆變器作為新能源發電系統并入船舶電網的關鍵部件，其控制技術受到越來越多的關注。在逆變器控制中廣泛使用直接電流控制方法[13]，以對目標電流的瞬態跟蹤來實現，動態性能良好，控制精度高，本文也采用該方法對逆變器進行控制。利用逆變器對電網進行無功補償時，一方面以電網所需功率為基礎，輸出合適大小的無功功率，另一方面需要得到精準的并網電流指令，準確控制逆變器動作。

2.1 無功功率計算

對船舶負載進行無功補償時，以檢測負載無功功率的大小基礎。瞬時無功功率理論是檢測電網無功的有效方式[14]，但由于在三相不平衡情況下，該理論檢測出的無功功率包含正序無功與負序無功，為避免加劇電網不平衡程度，只對正序無功功率進行補償，計算式為

(5)

式(5)中：U1和I1分別為三相電網電壓和電流的正序分量幅值;γ為三相電網電壓與電流正序分量的相位夾角。

2.2 并網指令控制

在不平衡電網下，如果采用傳統控制方案，直接將負載所需無功電流傳給逆變器，將會使并網電流含有諧波和負序分量，也會引起逆變器輸出瞬時功率不平衡，影響并網逆變器的穩定運行，需要采用新的控制策略。

在dq同步旋轉坐標系下對逆變器控制，對于船舶的三相三線制電力系統，不存在零序電流，因而可以忽略零序電壓干擾[15]，假設三相不平衡電流中的正、負序基波分量分別和三相不平衡電網電壓中的正、負序基波分量同頻同相，則并網逆變器并入電網的復功率S為

(6)

對式(6)進行整理運算可得

(7)

式(7)中：P0、Q0分別為瞬時有功和無功功率平均值；Pc2、Ps2分別為瞬時有功功率的2次余弦、正弦幅值；Qc2、Qs2分別為瞬時無功功率的2次余弦、正弦幅值。其表達式為

(8)

根據逆變器瞬時功率特性可知：在不平衡條件下，逆變器可以采用正序電流控制,瞬時有功恒定控制和瞬時無功恒定控制等3種控制策略。

2.2.1正序電流控制

(9)

對式(9)進行整理可得并網控制指令電流

(10)

式(10)中：下標ref表示該變量的參考值。由于在進行正序電流控制時只考慮有功功率和無功功率的平均值，因而可以發現該控制方式存在瞬時有功與瞬時無功的2倍頻波動。若控制系統要求瞬時功率恒定，則這種控制策略就無法滿足控制要求。

2.2.2瞬時有功恒定控制

瞬時有功恒定控制即需要抑制瞬時有功功率的2倍頻波動，保證P(t)穩定在平均值P0附近，此時可令Pc2=Ps2=0，對式(8)進行運算整理可得

(11)

可得到該控制策略下的并網控制指令電流為

(12)

對式(12)進行分析，發現其中并網電流存在負序分量，即為抑制瞬時有功功率的波動，三相并網電流需保持不平衡。該控制策略雖然滿足系統有功功率恒定的要求，但是存在并網電流不平衡和無功功率2倍頻波動的問題。

2.2.3瞬時無功恒定控制

瞬時無功恒定控制就是要抑制瞬時無功功率的2倍頻波動，使Q(t)穩定在平均值Q0附近，與瞬時有功恒定控制類似，令Qc2=Qs2=0，則式(8)可改寫為

(13)

對式(13)進行整理可得并網控制指令電流

(14)

該控制策略消除了瞬時無功功率的2倍頻波動，但卻引起瞬時有功功率的波動，并且也無法保證三相并網電流的平衡性，仍然存在不足之處，需要加以改進。

通過對這3種控制策略進行分析，可發現無論哪一種控制方式都無法同時滿足并網電流、瞬時有功功率和瞬時無功功率的要求。同時，這3種控制策略是互相矛盾的，實現三相平衡正序電流控制，要以犧牲瞬時有功和無功功率波動為代價。同樣，若要實現瞬時有功或無功恒定，則要以三相并網電流幅值不平衡和另一功率波動為代價。

2.2.4協調控制

雖然前3種控制策略之間是相互矛盾的，但通過仔細對比3種情況下的指令電流可發現，3者的區別主要在于負序指令電流分量的不同，因此可以通過改變負序指令分量的比重來實現這3種控制策略間的協調控制。

以保證有功功率穩定為基礎進行協調控制的研究，在dq同步旋轉坐標系下，不能將正負序指令電流直接進行相加得到最終電流控制指令，可通過對q軸分量進行處理，使其變到d軸方向，二者再進行疊加即可。處理方式為

(15)

(16)

由式(16)可知：當λ=0時，實現并網電流的正序恒定控制；當λ=1時，實現并網的有功功率恒定控制；當λ=-1時，實現并網的有功功率恒定控制。改變λ的值便可實現不同的控制目標。

2.3 正負序基波分量提取

在并網控制指令中需要用到電網電壓的正負序基波分量，先通過分析在αβ坐標系下的提取方法，再變換到dq同步旋轉坐標系下。在三線制船舶電力系統中不平衡電網電壓可寫為

(17)

將uα和uβ滯后90°，得到

(18)

對式(17)和式(18)進行合并整理，運算可得到電網電壓正負序基波分量

(19)

(20)

根據上述分析，可得到逆變器控制方法示意見圖4，通過檢測電網所需無功功率，根據控制要求選取合適的λ，控制逆變器輸出想要的功率和電流。

圖4 逆變器控制方法示意

3 仿真試驗

在MATLAB/SIMULINK仿真平臺上搭建模型，仿真模型參數見表1。

3.1 無功檢測性能仿真

為模擬三相不平衡條件，0.05 s時在380 V三相交流電壓上疊加8%的負序三相電壓，觀察試驗結果。電網電壓波形圖見圖5，在0.05 s時發生明顯的三相不平衡現象，A相電壓升高，B相和C相電壓降低。

表1 仿真模型參數

圖5 三相不平衡電網電壓波形圖

提取的電網電壓在坐標系下的正負序基波分量分別見圖6a和圖6b，在理想電網和非理想電網下經過兩個周期，d軸與q軸的正負序基波分量都達到穩定狀態，0.05 s之后，d軸負序分量為24.82 V，正序分量是311 V，負序分量是正序分量的8%，與設置的電網電壓正負序比例相同，說明正負序基波分量提取方法的正確性。

a) 三相電壓正序基波分量b) 三相電壓負序基波分量

圖6 電網電壓正負序基波分量

檢測出的正序無功功率見圖7，在0.05 s發生不平衡時，經過一個周期以后穩定在24 kVar，與仿真設定值相同，說明所使用的正序無功檢測方法是可行的，具有良好的動態性。

3.2 無功補償性能仿真

為實現對船舶感性負載的無功補償，并且保證并網電流的穩定，令λ從[-1，1]逐漸遞增，觀察逆變器輸出并網電流的波形。λ的變化波形圖見圖8；利用協調控制策略計算出的并網電流指令見圖9；三相并網電流和逆變器并入電網的瞬時有功功率和無功功率見圖10和圖11。

圖7 瞬時無功功率檢測值圖8 λ變化波形圖

a) d軸并網電流指令

b) q軸并網電流指令

圖10 三相并網電流

a) 瞬時有功功率

b) 瞬時無功功率

從仿真結果可知：隨著λ從-1接近于0，瞬時無功功率2倍頻波動越來越明顯，從穩定狀態轉變為不穩定，而三相并網電流從開始的不平衡狀態變到平衡；隨著λ從0接近于1，瞬時有功功率的2倍頻波動越來越小，逐漸達到穩定狀態，三相并網電流則從三相平衡過渡為不平衡狀態。

電網功率因數的變化曲線見圖12，在理想電網情況下(前0.05 s)，經過無功補償后電網功率因數為1，0.05 s疊加負序電壓后，隨著λ從[-1，1]內趨近于1，電網功率因數越來越偏離于1，在λ=-1時電網功率因數最高，說明逆變器此時補償的無功效果最好。

圖12 電網功率因數變化曲線

從上述分析可知：通過改變系數λ的值，可實現有功功率與無功功率的連續調節。在船舶逆變器進行無功補償時，將λ控制在[-1.0，-0.5]，此時逆變器發出瞬時無功功率波動小，且三相并網電流在額定電流范圍內，不會產生過電流，其諧波畸變率為2.57%，小于5%，符合電氣和電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)標準要求，驗證本文方法的有效性。

4 結束語

本文提出一種在電網不平衡情況下船舶并網逆變器實現無功補償的控制策略，檢測船舶負載所需無功功率作為無功功率的平均值，根據并網逆變器在坐標系下的瞬時功率特性，通過改變電流指令中的負序基波分量比例，使逆變器協調控制輸出功率與并網電流。仿真結果表明：本文提出的控制策略能有效抑制不平衡電網下的逆變器輸出功率波動和并網電流幅值不平衡，可以治理電網三相不平衡問題，提高船舶電網電能質量，實現對船舶負載的無功補償。