船舶與岸電并網控制策略分析*

張 成高 鍵蘇 貞

（1.江蘇科技大學電子信息學院 鎮江 212003）（2.江蘇科技大學海洋裝備研究院 鎮江 212003）

1 引言

岸電技術是利用陸上電源代替船舶電站為靠港停泊的船舶提供所有的工作和生活用電的技術，從而控制對港口的生態環境的污染和降低噪聲污染。隨著港口排放要求日趨嚴格，為了減少廢氣排放及降低環境污染等，岸電技術迎來了快速發展。從資源節約和經濟角度考慮，船舶岸電系統是最好的選擇。船舶技術的關鍵之一是并網技術，在國內大部分民用船舶未使用岸電或者沒有進行設備改進，這不符合國家對港口發展的要求和生態保護，因為岸電并網穩定性差，在并網的過程中可能存在極大的沖擊電流、電壓振蕩和頻率不穩定的問題，可能導致船岸正常運行的設備的損壞以及并網失敗，造成嚴重的損失。

在目前的岸電系統的研究現狀中，文獻［1～3］提出了岸電系統研究和應用中存在的實際問題，為未來的研究說明了主要的方向；文獻［4～6］提出了岸電系統岸上電源如何實現無縫并網的方法，分別從設備選擇、電源構成方式、電源類型作出了說明。在上述的文獻中，主要的是對岸電技術中存在的問題和方案選擇提出的設想，沒有通過理論和實際應用進行驗證。文獻［7～8］提出了分別在下垂控制中加入一階慣性環節和虛擬慣性環節，通過此方法解決功率在并網時刻的穩定性的問題，但是由于穩態靜差的存在，無法在保證并網及發電機組退出后電能質量電壓和頻率的穩定。文獻［9］提出一種岸電功率優化方法，其結合岸電綜合管理系統，采用預同步和分階段控制解決并網時沖擊功率的問題。文獻［10～14］提出滑模變結構控制在光伏等并網中的應用，分析研究了并網中功率以及功率因數低的問題。在上述文獻中，研究對象主要是并網功率從功率因數、大沖擊功率等研究并網中功率問題，沒有研究并網過程中電能質量電壓和頻率的問題，同時造成并網失敗的原因還有大沖擊電流的問題。

為了研究如何控制岸電并網中的電壓和頻率的穩定性，以及如何避免產生大沖擊電流，換言之也是沖擊功率。在上述研究基礎上從電能質量角度出發，本文提出一種基于RBF自適應控制及改進滑?？刂频目刂品椒ǎㄟ^此方法檢測優化船側和岸側的電壓、頻率，提高并網過程中電壓、頻率的穩定性，避免極大沖擊電流的產生，保證船舶與岸電并網的可靠性。

2 船舶岸電系統并網逆變器建模

船舶岸電系統由岸基供電系統、船岸連接系統以及船載受電系統等組成，其結構簡圖如圖1所示。其中，岸基供電系統主要是岸基變頻電源，結構包括整流和逆變等；船岸連接系統分不同電壓等級、

圖1 岸電系統結構簡圖

不同船舶類型上船方式不同，大型遠洋貨輪采用高壓上船、其他散貨船主要以低壓上船為主；船載受電系統主要是實現與岸電的并網，采用不斷電并網的方式連接，如何控制岸基電源與船舶并網運行是岸電系統研究核心技術之一。

2.1 岸電并網控制的基本結構

岸基電源結構包括整流、逆變、濾波等結構，其中逆變器是控制的核心部分，控制逆變器調整其輸出電壓、頻率、相位的同步。通過對逆變器輸出電壓、電流、電容電壓以及船側電壓和電流的檢測，經過旋轉變換，通過算法對旋轉分量控制得到驅動信號控制逆變器的輸出。船舶岸電系統岸基電源拓撲結構及并網控制策略結構簡圖如圖2所示。

圖2 船舶岸電系統岸基電源拓撲結構及并網控制策略結構簡圖

在圖2中結構主要分為三個部分。首先，整流裝置將大電網三相交流電整流變成直流電壓；其次，經過逆變裝置得到期望的三相電壓；最后，通過變壓器輸出期望電壓實現并網。將岸電變壓為6kV高壓，經過整流之后，通過逆變器得到440V/60Hz期望的低壓。但是逆變過程中存在誤差，以及系統本身的耦合和諧波的干擾，實際結果可能無法滿足要求。另外，目前岸電使用情況一般采用高壓上船或者低壓上船的模式，變壓裝置安裝在船上，通過船舶控制系統控制并網。在LCL濾波結構中，電容采用較為常用的星型接法，對逆變器輸出電壓、電流、電容電壓作為變量利用基爾霍夫定律構成系統的數學模型。

2.2 并網逆變器的建模

如圖2所示具有LCL濾波結構的岸電并網逆變器結構簡圖中，假設模型中元件都是理想型器件。其中，ua、ub、uc為逆變器輸出的三相電電壓，ia、ib、ic為逆變器輸出的三相電電流，uCa、uCb、uCc為電容的電壓，iga、igb、igc為流過電感L2的電流，uga、ugb、ugc為船側電壓。

根據圖2中并網逆變器的拓撲結構，依據基爾霍夫定理推導出三相靜坐標中并網逆變器模型的狀態方程如下。

式（1）經過Park變換可以得到在旋轉坐標下的狀態方程。

式中，ud和uq、id和iq、uCd和uCq、igd和igq，分別為ug、ub、uc和ia、ib、ic和uCa、uCb、uCc和iga、igb、igc經Park變換后在d軸和q軸上的分量。其中，L1和L2、C分別為結構中的電感和電容，ω為期望輸出的三相電壓的角頻率ω=2πf。通過整理可以將式（2）的狀態方程寫為

其中，x、u為變量，A、B為狀態方程的系數矩陣，

逆變器輸出的結果經過LCL濾波之后輸出的結果，通過模型結構推導得出的結果如式（4）所示。根據理論推導系統的輸出方程，依據系統選取的控制對象，通過反向表示需要得到的期望結果作為控制器的輸出結果，通過式（2）推導得出公共連接點船側電壓和逆變器輸出電壓關系如式（4）：

3 滑?？刂破髟O計

通過對系統逆變器和船側的電壓及電流的控制得到逆變器經過LCL濾波最終輸出的結果為ugd、ugq，以此結果為檢測和控制的目標，通過對電壓誤差跟蹤實現并網逆變器閉環控制，提高系統的穩定性和可靠性，控制目標誤差e：

其中，e為共連接點處并網電壓誤差；ug是逆變器輸出的實際并網電壓；ug

*是船側的電壓。

3.1 RBF結構及理論

本文采用的是RBF神經網絡自適應滑?？刂疲刂葡到y簡要過程如圖3所示。利用RBF網絡的萬能逼近特性，逼近滑?？刂普`差f（x），進行誤差反饋及補償，為達到系統的穩定。其中，自適應律和滑模h趨近律共同保證系統的穩定。網絡算法為

圖3 神經網絡控制結構簡圖

其中，h為網絡的高斯基函數輸出，W*為網絡的理想權值，?為網絡的逼近誤差，?≤?N。

網絡輸入取x=［e e'］T，則網絡輸出為

根據式（6）、（7）可得，

3.2 滑模面及趨近律的設計

改進傳統滑模面切換函數s=ce+e′，選取PI形式滑模面切換函數：

其中：k1、k2分別為滑模面切換函數的比列系數和積分系數。

對函數s求導，得

根據滑?？刂评碚?，當系統工作在滑面時，s′=0。結合式（4），得

其中，slaw表示趨近律，通過改進等速趨近律，采用分數階滑模趨近律［15］，本質未變，通過逼近的方法增加了可調系數。

其中，0＜α＜1，ζ＞0。

變換得

證明：

則設計控制律為

根據式（15）和式（8），可得

根據式（17），當D1-αζ＞|?N|時，則V'＜0。可見控制律中的趨近律具有克服神經網絡逼近誤差的作用，以保證系統能夠達到穩定的狀態。根據李亞普若夫穩定性判據，可以判斷控制系統在平衡點處是漸近穩定的，系統可以在有限的時間內到達滑模面，并能夠在滑模面上運動。

4 仿真分析

為驗證本文采用的基于RBF自適應改進滑?？刂撇呗缘挠行?，通過Matlab/Simulink仿真平臺設計440V/50Hz和440V/60Hz的低壓岸電與船舶并網的模型，參考船側期望的電壓和頻率控制逆變器輸出的電壓和頻率，實現逆變器對電壓和頻率的控制。通過對逆變器的輸出電壓和電流以及船側電流作為控制狀態量，判斷和確定逆變器需要輸出的電壓及頻率的變化量。與常用的PID進行對比，仿真時長設置為5s，在3s時刻并離網切換，部分圖形取仿真2.95s～3.05s的仿真圖。系統仿真的主要參數如表1所示。

表1 仿真模型主要參數

根據表1進行仿真參數設置，其中LCL參數設計應該滿足濾波參數的原則10f＜fres＜f開關/2。

4.1 并網電壓仿真分析

PID控制、RBF自適應滑?？刂葡履孀兤鬏敵鲭妷翰ㄐ稳鐖D4所示。從圖4（a）中，可直觀地觀測到三相都有很大的相位差，并網時強制同相；在圖4（b）中，并網時只有兩相有微小的錯位，因為在RBF自適應滑?？刂扑惴☉弥?，存在相位預同步的過程，波形圖如5所示。在圖5中可以看到在并網時，相位存在相位差，由頻率的波動而引起的頻率差，將導致相位差的存在。從而導致并網時電壓存在微小的畸變錯位，電壓幅值沒有躍變，符合并網要求，也符合實際工況要求。

圖4 逆變器經過LCL濾波輸出電壓波形

圖5 并網相位波形

通過對比，RBF自適應滑?？刂瓶梢愿玫乜刂撇⒕W電壓，相序也是并網中重要的因素，通過相位預同步的過程無需強制同相，提高并網電壓的可靠性，一定程度可保證加在負載上的電流的穩定，降低并網過程設備損壞率。通過并網電壓和相位波形可知，相位誤差使并網沒有達到理想狀態的同期并網，并網存在誤差。

4.2 并網頻率仿真分析

頻率對比響應圖如圖6所示，從圖6（a）和（b）中，可見在RBF自適應滑模控制下，初始時刻頻率超調更快；在并網未構成閉環之前，系統頻率波動更?。煌瑫r，并網時刻頻率突變變小、恢復穩定響應時間更快。其中數據的變化情況如表2所示。

圖6 頻率響應對比波形圖

表2 兩種控制方式各階段頻率情況

由表2數據分析對比RBF自適應滑?？刂坪蚉ID控制可知，第一，縮小了頻率正常波動范圍，在60Hz頻率下比50Hz時縮小的更大；第二，并網時刻，50Hz、60Hz頻率突變更小都縮小了0.7Hz左右，分別相當于縮小了1.4%和1.2%的誤差；第三，并網時刻50Hz、60Hz頻率響應時間分別提高了0.5s和0.2s。說明RBF自適應滑?？刂凭哂懈玫聂敯粜院涂煽啃?。

通過此方法提高了并網頻率穩定性，在恒頻控制下功率的控制、穩定具有一定參考作用；頻率穩定同時可以側面反映功率的穩定，提高并網的可靠性。對于并網之前的頻率波動能否更小甚至消除達到理想狀態以及存在的原因需要進一步探索，同時在理想狀態下頻率波動是上述相位差存在的主要原因。

4.3 負載功率仿真分析

并網前后輸出功率變化如圖7所示，由圖7可見并網前頻率也存在波動，相對比較穩定；并網時PID控制功率變化相比于RBF自適應滑?？刂谱兓扛?，后者并網時頻率變化較為平緩逐漸趨于穩定，而前者存在超調的過程。通過RBF自適應控制加在負載上功率波動變化△P最大不超過100W，誤差不超過0.01%。另外，并網合閘時加在負載側沒有產生大沖擊功率，具有更高的并網可靠性。

圖7 負載功率變化圖

根據功率變化分析可知，對并網電能質量電壓和頻率的控制，可以有效地控制并網的功率，抑制大沖擊電流以及保證負載過濾平滑過渡。但是，并網中設定額定變頻電源輸出功率，有直接躍升的狀態，會產生較大的功率波動，已有學者通過逐級增加功率解決此問題。另外，將進一步驗證是否可以通過功率補償機制實現功率平滑轉換。

5 結語

通過港口調研，岸電可以達到并網要求，并且具有很高的成功率，但多數采用間斷供電并網。使用不間斷供電并網可能會不穩定，造成船舶與岸電并網失敗，損壞船岸并網設備。結合目前對并網功率波動的研究，提出對船舶岸電并網電能質量電壓和頻率的控制策略，研究并網的基本條件以及并網中電壓、頻率、功率、相位之間的關系，如何相互影響。對未來岸電并網研究具有一定的現實意義和參考價值。

依據本文研究內容，有以下發現及結論。

1）船舶與岸電并網時，電壓同序時產生的電壓畸變是由并網相位差造成的；

2）誤差范圍內頻率穩定在50Hz/60Hz，但頻率波動一直存在，這會導致相位產生誤差，也會造成功率產生波動；

3）本文所采用方法中，基本實現了并網電壓的無縫對接，因為算法中存在相位預同步的過程，解決了PID控制電壓強制同相的問題；同時，電壓、頻率及功率波動都符合實際工況運行的要求。