基于虛擬同步機技術的船舶岸電電源控制策略

繆新招，黎洪光，彭靈利，黃雅莉，劉 丹，李冠發，李美依，黃文燾

（1.廣州南沙供電局，廣東 廣州 5114400；2.上海交通大學 電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

引言

船舶在港口停靠時，船舶輔助發電機常燃燒重油發電，但是低效率的柴油發電機會排放出大量的空氣污染物，同時會對碼頭附近造成較為嚴重的噪聲污染。岸電技術作為一種電能替代技術，使船舶靠港時使用陸地電源供電，停止使用燃油輔機供電以降低其對港口及周邊環境的污染。

現今我國港口和船舶電網頻率皆為50 Hz，而國外船舶不像國內船舶電網采用50 Hz交流電，而是大多采用60 Hz交流電，為解決外國船舶停靠期間無法使用國內港口岸電電源的情況，就需要研究適合此種場景的岸電變頻技術。岸電電源作為雙頻岸電的核心器件，其優異的控制效果對岸電系統穩定運行至關重要。岸電電源在不同運行工況下控制策略也需要做相應的調整，這種調整主要體現在岸電電源逆變器的外環控制環節。下垂控制[1]通過有功功率-電壓相角、無功功率-電壓幅值控制，可以模仿同步發電機的靜態特性，降低船舶電網并入岸電電源時對船舶電網的沖擊，同時有效實現負荷轉移。下垂控制僅依靠檢測本地信息即可實現[2]，且可以在船舶并入及船舶退出模式間直接切換[3]，避免模式切換的暫態振蕩，易于實現船舶靈活接入岸電[4,5]。但是，下垂控制的岸電電源不能給岸電系統貢獻慣性，對系統故障較為敏感，在船舶上的電機負載、大型泵組啟停時，會對船舶電網造成沖擊，引起電網振蕩。穩定性不足。

虛擬同步發電機技術（Virtual Synchronous Generator Technology，VSG）[6]可以使岸電電源具有旋轉慣性和阻尼特性，這些特性在同步發電機中是存在的，該技術在提高系統穩定性上有較好的效果[7]。文獻[8]設計了一種新型整體控制策略，它基于VSG，使電源具有了調頻調壓和功率控制功能。

如果能夠根據運行工況自適應變化而自行調節阻尼系數而非將阻尼系數固定，就可以給控制系統更優秀的動態特性。因此，本文使用小信號分析模型研究阻尼控制系數對系統阻尼特性的影響，進而制定了岸電電源自適應阻尼控制策略。在PSCAD/EMTDC中建立仿真模型，對固定阻尼系數和自適應阻尼系數兩種控制策略進行了分析與比較。

1 虛擬同步電機技術控制方案

虛擬慣性頻率控制這一 VSG控制模型最早是由學者F Gao提出的[9]。該模型的優勢在于逆變器在外特性上均表現為電壓源，具有較強的穩定性。在傳統方案的基礎之上，本文對頻率控制、電壓控制以及內環控制三方面分別進行改進。

基于VSG技術的岸電電源拓撲結構如圖1所示。為了分析的方便，本文將岸電電源整流側等效為恒壓源Ud，著重分析采用虛擬同步電機技術的逆變側。有功功率及無功功率設定參考值Pref和Qref由中央控制器發出，通過計算，VSG模塊形成機端參考電壓幅值E以及相位角θ，進一步將指令發送給三相正弦發生器，實時調整岸電電源輸出功率。

圖1 基于VSG的岸電電源模型及其控制結構框架

2 基于VSG的頻率與電壓優化控制策略

2.1 頻率模塊優化控制

本質上虛擬同步發電機是逆變電源，但它又與實際的同步發電機不同，因為其控制結構中沒有測速器、調速器等，因此需要設計功率調節環節模擬這個功能。

轉子機械方程為：

式中：H為VSG的虛擬慣量常數；P為VSG控制下岸電電源端口輸出有功；Pm為輸入的機械功率。

為了使岸電電源能夠根據有功功率變化對系統頻率作調整，需引入下垂控制關系：

式中：D為有功下垂系數；Pref和ωref為輸出側的參考有功功率以及角速度。

另外，為更好地模擬同步發電機旋轉軸而增加阻尼項kk(ωr-ωgrid)，其中k為阻尼控制系數，傳遞函數為：

頻率控制部分如圖2所示。系統不斷檢測實時船舶電網頻率，結合中央控制器發出的有功參考值，根據計算偏差對輸出頻率做相應調整，給出岸電電源相位角指令。

圖2 頻率控制

2.2 電壓模塊優化控制結構

傳統虛擬慣性頻率控制中電壓電壓輸出指令包括ED和EQ兩個部分。ED為電壓無功下垂指令：

式中：Q為 VSG控制下岸電電源端口輸出的無功功率；DQ為無功下垂因子；Eset為機端電壓參考值。

EQ為無功功率誤差調節指令：

式中：kQ為積分參數；Qref為無功輸出參考值。

為了使船舶并網運行時，無功功率的調節更加精確，本文通過引入比例積分（PI）環節來減小因無功功率偏差所造成的輸出電壓波動。本文的優化控制方法下岸電電源的參考電壓形式為：

圖3為優化控制策略。PI控制器下無功響應速度很快，當岸電系統受到擾動時，控制結構可以快速響應調節，經一定時間后系統可穩定至新的工作點。

圖3 優化控制策略

3 基于VSG岸電電源內環優化控制策略

基于 VSG的岸電電源頻率以及有功功率、無功功率是最重要的輸出電量，控制策略必須要保證這三個電量輸出的穩定性以及較高的控制精度。本文在控制結構上，采用電壓電流環控制結構，通過岸電電源輸出端實時采樣反饋控制效果，以反饋偏差更新控制指令，使輸出變量趨于穩定。傳統逆變器電壓電流內環控制的主要目的是及時準確地跟隨上層控制器的控制指令，并能根據系統實際電壓電流進行更細致的調節。在基于 VSG的岸電電源優化控制中，電壓電流內環控制需要跟隨上層VSG算法給出的電壓、相位指令，并根據反饋進一步調節。

圖4為基于dq0坐標系的控制結構。這里電壓電流控制器采用整體控制特性較好的比例積分控制。比例控制能迅速反應變量所產生的誤差，積分控制則可以彌補比例控制無法消除的靜態誤差。合理的控制系數可以提升系統整體的動態性能，并且使得穩態誤差為零。

圖4 dq0坐標系中岸電電源電壓電流控制器結構

4 自適應阻尼系數控制

結合岸電電源與同步發電機之間的等效關系和式（4），得到岸電電源有功輸出輸入的傳遞函數如式（8）所示：

二階模型的自然振蕩角頻率ωn和阻尼系數ζ也可以得出。

觀察阻尼系數表達式可得出結論，阻尼控制系數可以直接影響系統的時域特性。具體表現為，阻尼控制系數數值較小時系統階躍響應呈現出振蕩衰減態勢。當阻尼控制系數數值變大時系統階躍響應呈現出無超調單調上升態勢。阻尼控制系數數值繼續變大時，系統階躍響應雖然與前一種狀態相似同為無超調單調上升，但后者響應更慢。

前文給出了阻尼控制系數如何影響系統的阻尼特性，可以得到采用本文提出的自適應阻尼系數控制后阻尼控制系數k與岸電電源有功功率輸出P關系如圖5，該關系滿足式（11）。有功輸出小于設定值越嚴重，阻尼控制系數越小，系統響應速度變快；有功輸出大于設定值越嚴重，阻尼控制系數k越大，系統超調減小，這樣才能使有功偏移保持較低水平。而當有功輸出與設定值的偏差足夠大，即大于某一設定值時，阻尼控制系數將不再隨著偏差增大而增大。

圖5 k-P關系曲線

5 仿真驗證

5.1 系統參數

PSCAD/EMTDC仿真平臺中VSG逆變型岸電電源控制結構（圖1）仿真中，岸電電源整流側等效的恒壓源1.6kV，儲能電容 150 μF，濾波電感1 mH，電容400μF。微網線路電壓等級為380V。自適應阻尼系數控制中k1=0.02，k2=0.04，α=0.05，β=0.015。

本文將自適應阻尼系數控制結構與固定應阻尼系數控制進行對比仿真。仿真設定船舶接入岸電系統運行0 s時岸電電源功率突增，有功從由0增加至0.3 MW，無功從0增加至0.1 MVar。5 s后船舶負荷突增，船舶負荷有功從0.3 MW增加0.9 MW到達1.2 MW，無功從0.1 MVar增加0.3 MVar到達0.4 MVar，但岸電電源輸出指令不變，始終為有功0.3 MW，無功0.1 MVar。

5.2 算法對比

圖6 岸電電源有功功率響應曲線

圖7 岸電電源無功功率響應曲線

圖8 岸電電源頻率響應曲線

固定阻尼系數控制下，當阻尼系數較小時，岸電電源有功輸出響應較快，但波動較大，輸出有功在經歷了幾次超調后浮動于參考值附近，最終趨于穩定；當阻尼控制系數數值較大時，輸出有功幾次超調后顯著減低，但岸電電源輸出響應較慢，穩定時間較長。

而采用自適應阻尼系數控制后，輸出有功小于有功設定值時，阻尼控制系數k較小，系統能以更快的速度響應，而當有功大于有功設定值時，阻尼控制系數較大，系統超調減弱。采用自適應阻尼系數控制后，岸電系統輸出有功動特性明顯增強，無功和頻率特性兩種性能對比于固定阻尼系數也得到了增強。

綜上，采用自適應阻尼系數控制的岸電電源輸出特性更為優良，能夠更好的應對系統出現的干擾，保持輸出穩定，且具有更強的動態特性。

6 結語

本文提出了一種基于 VSG的船舶岸電電源自適應阻尼系數控制策略。該控制基于虛擬慣性頻率控制方案，對岸電電源有功頻率控制、無功電壓控制以及電壓電流環控制分別進行優化改進。阻尼控制系數的數值大小對系統輸出具有重大影響，本文通過小信號模型對其進行分析獲得其具體影響，以自適應阻尼系數應對系統功率波動。自適應阻尼系數控制方案增加了控制的靈活性，加強了岸電系統動態特性。最后，在 PSCAD/EMTDC建模仿真，證明了本文所提方法的有效性。