基于擾動觀測的電力推進系統直流側電壓振蕩抑制技術研究*

馬佳睿 劉明昊

（1.91404部隊 秦皇島 066000）（2.明陽智慧能源集團公司 中山 528437）

1 引言

在以電力變換裝置為基礎進行電能變換和處理的船舶綜合電力推進系統中，如何保證電力變換裝置互聯系統的穩定運行是本文的研究核心。在容量有限的船舶獨立供電系統中，大量具有負阻抗特性的電力電子變換器的接入會導致推進系統直流側電壓出現不穩定振蕩，由此而引發的電能質量問題甚至是故障可能會波及全船。而電力推進系統所占的功率等級使得它的動態特性將會對直流側電壓的穩定性有著決定性的影響。

文獻［1］提出了基于直流母線電壓前饋的變頻器控制策略，相當于在直流側引入了一個虛擬電容，從而達到在不改變實際電容大小的情況下，維持直流側電壓的穩定。文獻［2］提出了一種應用于光伏并網逆變器的電流擾動觀測控制方法，可有效抑制電網電壓與直流側電壓變化對逆變器電流控制的干擾。本文提出的基于擾動觀測（DOB）的電力推進系統變頻器控制策略，在頻域內可以改善推進系統的負阻抗特性，在時域內能有效抑制由于推進系統負載轉矩驟變所引起的直流側電壓振蕩。

2 船舶電力推進系統直流側電壓穩定性分析

典型的船舶電力推進系統如圖1所示，主要包括三相交流源、整流器、LC濾波電路及變頻器、推進電機、螺旋槳等幾個部分。圖中，Ula，Ulb，Ulc為三相電壓源的相電壓，Rl，Ll為交流側等效電阻和電感，Rdc為線路電阻，Ldc、Cdc為LC濾波器的電感和電容，due為直流母線電壓。為了便于分析，對發電機及整流、濾波環節進行等效變換，等效后的推進系統如圖2所示。

圖1 船舶電力推進系統模型

圖2 推進系統等效電路圖

圖2中，Rdcf與Ldcf分別為折算到直流側的等效電阻和等效電感；Cdc為濾波電容；Eg為等效直流源，由三相交流電源及整流器等效而來；Zin為變頻器-推進電機的等效阻抗。其中：

式中，Vrms為發電機三相交流線電壓有效值，ωl為三相交流電壓角頻率。

等效模型直流側輸出阻抗為

要使直流母線-變頻器-推進電機系統保持穩定，需滿足條件：

式中，PL為負載功率，Pdcmax為直流母線所能帶的最大負載功率。由式（3）可知增大直流側等效電阻Rdcf和直流側濾波電容Cdc以及提高直流母線電壓udc或者減小直流側等效電感Ldcf均可增加直流母線-變頻器-推進電機系統的穩定性，但是增大電阻會增加不必要的損耗，增大電容會增加設備體積以及成本，提高直流母線電壓會對設備的絕緣和防護提出更高的要求，而減小電感又會使電流諧波增加，不利于設備的穩定運行。

3 基于擾動觀測的直流側電壓波動抑制策略

3.1 擾動觀測器的基本原理和應用方案

本文所采用的擾動觀測器旨在實時觀測出擾動變量idc的變化量，并作為電機定子電流q軸電流指令的修正量，通過調節變頻器-推進電機負載功率的變化來抑制直流側母線電壓的波動。擾動觀測器如圖3所示。

圖3 擾動觀測器原理圖

圖3中，P（s）與Pn（s）分別為實際系統與其標稱模型；didc為直流測電流idc的擾動量；C（s）為帶通濾波器，用于提取直流母線的波動量。為防止虛線框內引入積分誤差的累積，Q（s）選為增益略小于1的低通濾波器。

根據擾動觀測器原理圖，可知：

式中：

當控制信號頻率為濾波器Q（s）的低頻段時，，故擾動觀測器可有效觀測直流測電流idc的擾動。

3.2 基于擾動觀測控制策略的系統性能分析

船舶電力推進系統變頻裝置控制結構如圖4所示，在不改變推進系統硬件設施的條件下，對船舶電力推進變頻裝置采取恰當的控制策略，在維持直流母線電壓穩定的同時使推進系統具有良好的動態特性。

圖4 推進系統變頻裝置控制結構圖

分析可知，若由螺旋槳負載突變而引起負載功率增加，直流母線電流idc隨之增大，此時要使負載側功率朝著相反的趨勢變化以抵消由功率突變導致的系統不穩定。若能觀測到電流擾動di，并將與其變化趨勢相反的量作為電機定子電流q軸分量給定值的修正量，即將電機定子電流q軸分量的給定值減小，以減弱負載側功率增加的趨勢，從而達到穩定直流側電壓的目的。反之亦然。

在基于擾動觀測的變頻器控制策略中，變頻器前饋控制器

式中，KCDOB為前饋控制器增益，具體數值可根據控制系統仿真確定，GCDOB為擾動觀測器傳遞函數。

圖5是船舶電力推進系統在電機轉速為1200r/min，負載轉矩為500Nm的條件下，直流側輸出阻抗Zo及變頻器-推進電機的輸入阻抗Zin的波特圖。由圖可知，在不加任何額外的變頻器控制策略時，變頻器-推進電機系統的輸入阻抗Zin在低頻部分表現出恒功率的負阻抗特性，并在諧振頻率處與直流側輸出阻抗Zo存在交互區域，這是引起系統不穩定的主要原因。

圖5 推進系統輸出及輸入阻抗波特圖

Zin_HPF與Zin_CDOB分別為采用直流母線電壓前饋和擾動觀測的變頻器控制策略時變頻器-推進電機系統的輸入阻抗。由圖5可知，在加入變頻器控制策略后，Zo與Zin的交互區域增大，但是在諧振頻率處，Zin的相位裕度有了大幅增加，Zin_CDOB的相位裕度較Zin_HPF提升更為明顯，遠離-180°，有效改善了變頻器-推進電機系統的恒功率特性。

為了判定加入變頻器控制策略后的推進系統穩定性是否提升，可引用PBSC（the Passivity-Based Stability Criterion）穩定性判據：

即當母線端口等效阻抗Zbus（s）滿足以下無源性條件時，可認為由所有源子系統的輸入阻抗和負載子系統的輸出阻抗組成的互聯系統是穩定的［4］：

1）Zbus（s）沒有在復平面右半平面內的極點；

2）Re｛Zbus（jω）｝≥0，ω。

Zbus（s）為母線端口等效阻抗，可以表示為所有源變換器的輸入阻抗和負載變換器的輸出阻抗的并聯形式。源子系統等效阻抗ZS（s）為前級等效LC濾波電路的輸出阻抗Zo（s），負載子系統的等效阻抗ZL（s）為后級變頻器-推進電機系統的輸入阻抗Zin（s）。

如圖6所示，加入基于擾動觀測的變頻器控制策略后，推進系統母線端總阻抗Zbus的Nyquist曲線越過虛軸從復平面的左半平面進入右半平面，圖6（b）為圖6（a）虛線框中部分的放大圖。可以證明文章中所提出的基于擾動觀的變頻器控制策略可以有效增強系統的無源性，從而增強系統的穩定性。

圖6 推進系統母線端總阻抗Zbus奈奎斯特圖

4 仿真結果與分析

根據電機控制參數，運用Matlab/Simulink軟件，搭建船舶電力推進系統仿真模型，驗證本文所提出的變頻器控制策略的有效性。為了縮短仿真時間，提高仿真效率，對螺旋槳負載進行合理簡化，只需表現出螺旋槳負載區別于其他負載的特性。

本文所述推進電機采用功率為120kW的三相鼠籠型異步感應電機，逆變器開關頻率為5KHz，電機具體參數如表1所示。

表1 推進電機仿真參數

船舶在海上航行時，受風浪影響，產生縱搖及垂蕩運動，螺旋槳軸沉深會隨波浪的起伏而產生變化。螺旋槳在出水、入水瞬間，由于螺旋槳沉深變化而導致負載轉矩急劇變化。由圖7、圖8可知，在0.8s時受波浪影響，螺旋槳沉深由小增大，從而導致負載轉矩由100Nm突變至500Nm，引起直流母線電壓振蕩，電機轉速會隨之減小，產生波動。此時若只靠電機本身的矢量控制，無法使母線電壓恢復穩定。在1.6s時，螺旋槳沉深由大變小，負載轉矩由500Nm減小至100Nm，直流母線電壓恢復穩定，電機轉速也隨之恢復。

圖7 直流母線電壓波形圖

圖8 電機轉速波形圖

圖9、圖10是在同種工況下采用基于擾動觀測的變頻器控制策略時，推進系統各參數變化的波形圖。

圖9 直流母線電壓波形圖

圖10 電機轉速波形圖

由圖可知，采用基于擾動觀測的變頻器控制策略，在0.8s時負載轉矩由100Nm突加至500Nm時，直流母線電壓瞬間減小至770V，電機轉速有小幅減小，在加載的時間段內一直穩定在1198r/min。在1.6s時，負載轉矩由500Nm減小至100Nm，電磁轉矩隨之減小，直流母線電壓逐漸增加至820V，電機轉速隨之恢復。

由以上分析結果可知，基于擾動觀測的變頻器控制策略對直流側電壓振蕩的抑制效果十分顯著。

5 結語

本文分析了引起電力系統互聯裝置不穩定的原因，以及通常采用的提高電力推進系統穩定性所采用的直流母線電壓前饋控制策略。提出了一種基于擾動觀測的電力推進系統變頻器的控制策略，并應用船舶電力推進系統的阻抗模型在頻域內驗證了本章提出的控制策略的有效性，同時根據建立的電機控制模型在時域內對控制策略進行仿真驗證，證明基于擾動觀測的控制策略對直流側電壓的振蕩具有顯著的抑制效果。