中壓直流綜合電力系統發電機并聯控制策略

紀鋒， 劉少鵬， 劉魯鋒， 郭云珺

(海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033)

0 引 言

中壓直流綜合電力系統將傳統的機械推進與電力系統合二為一，代表了艦船動力的發展方向[1]。其中，供電系統為了提高靈活性和經濟性，一般采用大、小容量整流發電機并聯組網的方式進行供電[2-3]。為提高異構發電機組并聯運行的穩定性和可靠性，保證供電安全，需要重點解決整流發電機組全工況穩態功率均分問題。

目前，有大量的學者針對多源并網控制及功率均分問題進行了研究[4-12]。工程應用中多采用直流側電壓-功率下垂控制策略，文獻[13-15]利用該下垂控制策略對并聯機組重載運行、推進調速以及突加負載工況下的功率均分問題進行了驗證，但未針對輕載工況進行說明；在實驗室研究中也有提出主輔配合式控制策略，采用能量協調調度模型求得主電機與輔助電機之間的最優功率比，并反饋控制主電機與輔助電機，實現功率分配，但考慮到輕載工況下反饋信號和傳感器誤差會影響被測信號數據的正常獲取，導致能量調度出現偏差，使得發電機組并聯后控制存在誤差，難以實現功率均分。文獻[16-19]對柴油發電機與逆變器、光伏并聯以及逆變器并聯時的下垂控制策略進行了研究，對基于固定下垂系數的下垂控制策略進行改進，但這些方法模型相對復雜，對關鍵參數要求高，且多為解決電網功率擾動問題，無法直接應用于整流發電機組并聯運行控制。文獻[20]通過在閉環系統中加入串聯矯正環節，增大了系統的穩定區域以及提高了相角的穩定裕度，但該方法尚未考慮整流輸出側無電容的情況。文獻[21]通過對并聯發電機組工作原理的分析，基于PLC設計了勵磁控制器，在此基礎上，文獻[22-23]通過采用頻率偏差調節通道穩定電網頻率，同時，采用CAN總線作為通信方式，實時將各發電機帶載情況傳遞至調頻調載裝置，實現輸出功率的按比例分配，但該方案對通信的實時性要求較高，針對該問題，文獻[24]通過對傳統下垂控制策略的分析，加入了曲線截距的自動補償，但該方案未考慮誤差因素的影響。文獻[25-26]利用頻率的有差特性多次調頻，使頻率穩定于理論值，實現發電機組有功功率的按比例分配，但該方法未在試驗中驗證。文獻[27-28]基于模糊控制算法，將各電機有功功率占總功率的比例作為模糊控制的輸入，將各電機的轉速作為輸出，利用負荷的有功功率-頻率靜態特性實現功率均分，并保證了并聯機組的穩定性。文獻[29]將無功功率的標定值與實際無功功率的差值進行積分，替換傳統固定的下垂系數，實現了功率變化的自適應調節，但該方法在負荷切換時存在一定局限性，文獻[30]針對負載轉移設計了一種改進型下垂控制策略，依據負載功率轉移狀態自適應調節下垂系數，實現了可調速電機在負載突變時的精確調諧。文獻[31]分析了船舶機組勵磁控制器以及PI調節器的傳遞函數，得到了功率控制器在abc坐標系下的控制模型，通過將云計算技術應用到該模型控制中，實現了模型的簡化以及功率的分配。上述方法在整流發電機組重載并聯方面有一定的借鑒作用，但無法有效解決輕載并聯時控制精度與測量誤差等特殊原因引起的功率分配不均問題。

為此，本文對十二相整流發電機并聯運行控制展開研究。首先對十二相電機模型進行等效，以簡化分析對象，便于后續仿真驗證；然后分析了傳統下垂控制策略在輕載工況存在功率分配差度偏大的原因，并通過調整勵磁電壓控制對象，采用輕載交流側/重載直流側雙路選擇電壓反饋的控制策略，實現了輕載發電機正常電壓輸出；最后，設計并構建了雙機并聯短路仿真系統，仿真驗證了該策略的有效性，并在實驗室搭建了相應的試驗平臺，通過仿真與試驗結果對比，進一步驗證所采用策略的有效性。

1 多相整流發電機等效建模

目前，有大量的文獻對十二相整流發電機模型進行了研究[32-34]，但由于十二相同步發電機的階數高，計算量較大，系統計算時，速度明顯降低，尤其在進行開關保護等硬件在回路實時仿真測試時，仿真實時性與準確性的矛盾尤為突出，計算規模受到一定制約，需對十二相電機進行等效三相電機建模處理。

綜合考慮繞組耐壓、器件選型、電網諧波等因素，十二相同步整流發電機4套三相整流橋在直流側以“2并2串”方式連接時，若4套3相繞組完全對稱，十二相同步發電機可以被4個三相同步發電機代替，模型等效結果如圖1所示[2]。假設4套3相Y形繞組端電壓、線電流相同，為了維持功率不變，4個三相同步發電機定子端電壓、線電流額定值與原十二相同步發電機相應額定值相等，則等效三相同步發電機的數學模型為：

圖1 十二相同步發電機整流系統原理圖(左)及等效電路圖(右)Fig.1 Schematic(left) and equivalent(right) circuit diagrams of 12-phase synchronous generator-rectifier system

(1)

(2)

式中：參數下標d表示直軸；下標q表示交軸；下標k表示阻尼繞組；下標f表示勵磁繞組；e表示等效繞組。則等效后每臺三相同步發電機參數與原12相同步發電機參數關系如表1所示。

表1 等效三相同步發電機參數計算表達式

2 并聯控制策略

2.1 傳統下垂控制的局限性

整流發電機取消了系統頻率對發電機轉速的限制，可將發電機與高速轉動的原動機直接相連接，一方面，保留了通過調節原動機轉速來改善并網機組穩態功率均分的轉速下垂運行方式，另一方面，可通過勵磁系統彌補轉速調節動態響應方面的不足，改善機組動態功率均分。

整流發電機并聯運行時，輸出端為直流信號，取消了交流發電機并聯運行對頻率和相位的限制，只需滿足電壓幅值相等；同時由于采用二極管整流，整流發電機機端電流不能逆向流動，不存在能量的逆向流動問題，因此傳統整流發電機組并網運行時采用輸出直流側電壓—功率下垂特性方案，實現負載電流即輸出功率的按比例分配，傳統的整流發電機控制框圖如圖2所示。

圖2 傳統的整流發電機控制框圖Fig.2 Traditional control block diagram of rectifier generator

圖2中勵磁控制器采用輸出側直流電壓-功率下垂特性方案，通過調差系數Kdrop對勵磁電壓PI調節實現有功功率的精確分配，但該方案帶輕載運行時容易出現功率分配不均的情況，主要原因如下：

1)勵磁控制器的反饋電壓存在問題。整流發電機并網運行時，為了降低并網難度，一般采用一臺電機先穩定運行，另一臺電機后并車的方式，但由于兩臺電機均采用直流側電壓-功率下垂控制策略，導致了待并網電機并車時，其勵磁調節器的反饋信號是在網發電機穩定運行的直流側電壓，則待并網電機未建壓但反饋了正常電壓信號，使得發電機組并聯后控制存在誤差，無法實現功率均分。

2)誤差因素。采用電壓-功率下垂控制后，并聯發電機的輸出電壓給定值為U0-Kdrop·P，其中U0為空載給定電壓，P為發電機輸出功率。理論上，即使出現(1)中的反饋信號錯誤，由于待并網發電機空載，電壓給定值為U0，高于在網運行發電機的電壓給定值U0-Kdrop·P，仍能逐漸升壓以轉移部分負載功率，最終實現并聯發電機功率均分。然而，由于勵磁控制器通過電壓傳感器和電流傳感器測量直流側電壓、電流，且整流發電機帶輕載穩定運行時，直流側電流較小，則在被測信號的紋波和傳感器誤差足夠大的條件下，會干擾勵磁控制器的電壓給定值，造成輕載工況下整流發電機功率均分控制失敗。

以上2種因素的綜合作用可導致采用傳統下垂控制策略的發電機組在低工況運行時功率無法按比例分配，極端情況下，由于整流發電機單相輸出特性，可導致并網系統中一臺發電機承擔全部負荷，其余發電機空載運行。

2.2 雙路選擇電壓源反饋控制策略

針對勵磁電壓調節對象錯誤、被測信號的傳感器誤差足夠大會干擾勵磁控制器的電壓給定值，造成輕載工況下整流發電機功率均分控制失敗的問題，本文通過對在網發電機、待并網發電機的控制策略加以區分來進行解決。在網發電機利用輸出側直流電壓-功率下垂特性曲線，即采用傳統的下垂控制策略，其框圖如圖2所示；待并網發電機采用輕載交流側/重載直流側雙路選擇電壓源反饋的控制策略，該下垂控制策略的控制框圖如圖3所示。

圖3 基于雙路選擇電壓源反饋的控制策略流程圖Fig.3 Flow chart of control strategy based on double-channel selective voltage source feedback

圖3為改進后的勵磁控制原理框圖，其主要步驟如下：

1)輕/重載判斷。設置輸出電流閾值為Idcth，將負載電流Idc與閾值Idcth比較，若Idc≤Idcth，則判定整流發電機組帶輕載運行；若Idc>Idcth，則判定整流發電機組帶重載運行。

2)確定反饋電壓源。若整流發電機組帶輕載運行，則反饋電壓源為發電機交流側電壓有效值Uacrms，k1為折算系數，即Uc=k1Uacrms；若整流發電機組帶重載運行，則反饋電壓源為發電機輸出電壓，即Uc=Udc。

3)勵磁調節。將輸出側的直流電壓標定值Udcref與反饋電壓Uc進行作差，形成誤差信號Err，在該誤差信號的基礎上，疊加電流傳感器所測的電流Idc，即Err=Udcref-Uc-Kdrop·P，再通過PI控制器生成勵磁電壓信號，實現正常建壓和穩壓輸出后的功率按比例分配。

3 仿真驗證

為驗證所提策略有效性，首先將十二相整流發電機等效為4臺三相電機，之后在PSCAD中，按照圖4雙機并聯結構搭建仿真模型。由于輕載時發電機輸出電流過小，且受測量精度等因素影響，無法有效區分并網無輸出電流和未并網兩種工況，因此在仿真和試驗驗證所提策略時，利用短路電流間接分析發電機建壓情況，故待兩臺電機穩定運行后進行短路仿真，其中，發電機1和發電機2的額定頻率分別為50、100 Hz，容量配置比為1∶5，短路后的電流分別表示為idc1、idc2，電流基值分別設置為各整流發電機的額定輸出電流。

圖4 雙機并聯結構示意圖Fig.4 Diagram of two rectifier generators in parallel

1)采用直流側電壓-功率下垂控制策略

兩發電機并車并運行至穩態，4 s發生短路。仿真結果如圖5。

圖5 傳統的下垂控制策略仿真Fig.5 Simulation with traditional droop control strategy

由圖5可知，發電機1在短路后9.6 ms電流達到峰值，峰值標幺值為9.104；發電機2在短路后5.0 ms電流達到峰值，峰值標幺值為2.040，與預期短路電流不符。為此，理論分析如下：

十二相同步整流發電機4套三相整流橋在直流側以“2并2串”方式連接時，交流側相電流峰值的表達式iφmax以及直流側短路電流峰值idcp的表達式[35-36]為：

(3)

(4)

十二相同步發電機等效為4個結構、參數完全相同的三相同步發電機，由等效前后功率相等原則知，每個三相同步整流發電機交流側相電流峰值i3φmax=iφmax，所以多相整流發電機直流側短路電流峰值為

(5)

將式(3)代入式(5)，得

(6)

2)采用輕載交流側/重載直流側雙路選擇電壓源反饋的控制策略。

同樣設置兩發電機并車并運行至穩態，4s發生短路，仿真結果如圖6。

圖6 雙路選擇電壓源反饋的控制策略仿真Fig.6 Simulation with control strategy with double-channel selective voltage source feedback

由圖6可知，發電機1在短路后9.0 ms電流達到峰值，峰值標幺值為8.604；發電機2在短路后4.9 ms電流達到峰值，峰值標幺值為8.733，兩臺電機均正常建壓，仿真驗證了雙路選擇電壓反饋控制策略的有效性。

4 試驗驗證

在本次試驗中，受試驗條件制約，難以配備真實燃氣輪機和柴油機作為原動機，故利用變頻調速拖動電機擬合原動機調速特性，與相應整流發電機成套，構成模擬燃發機組與模擬柴發機組，如圖7所示。其中，模擬柴發機組利用變壓器為自帶整流橋的拖動變頻器1供電，驅動拖動電機1直接帶動整流發電機1至額定轉速，擬合柴發機組輸出特性；模擬燃發機組利用變壓整流裝置從10 kV市網取電，為拖動變頻器2提供直流電源，拖動電機2經升速齒輪箱帶動整流發電機2運行在燃發額定轉速，擬合燃發機組輸出特性，對前述理論分析和仿真結果進行試驗驗證。主要參試設備包括1套模擬柴油機發電機組(簡稱“柴發”)、1套模擬燃氣輪機發電機組(簡稱“燃發”)、1套直流配電板(內含直流斷路器)以及電阻負載，在直流配電板負載屏的正負極母排之間利用直流斷路器設置短路點，待系統穩定運行后，將短路點斷路器閉合，模擬發生短路故障，其中，試驗中用到的變頻器、拖動電機以及整流發電機的功率，電壓參數如表2所示。

表2 試驗設備參數

1)采用直流側電壓-功率下垂控制策略。

柴發單獨帶輕載至穩定狀態，燃發并入，穩定運行后發生短路，試驗結果如圖8所示，其中電流基值分別設置為各整流發電機的額定輸出電流。

圖8 傳統的下垂控制策略試驗Fig.8 Experiment with traditional droop control strategy

由圖8知，試驗結果與圖5所示的仿真結果相吻合，柴發在短路后9.2 ms電流達到峰值，峰值標幺值為9.000；燃發在短路后4.9ms電流達到峰值，峰值標幺值為1.960，存在與仿真工況同樣的現象，短路電流實測值與理論值相差較大。

2)采用輕載交流側/重載直流側雙路選擇電壓源反饋控制策略。

柴發單獨帶輕載至穩定狀態，燃發并入，待柴發、燃發至穩定狀態短路，試驗結果如圖9所示，其中電流基值與1)相同。

圖9 雙路選擇電壓源反饋的控制策略試驗Fig.9 Experiment with control strategy with double-channel selective voltage source feedback

由圖9可知，試驗結果與圖6所示的仿真結果相吻合，柴發在短路后9.6ms電流達到峰值，峰值標幺值為8.440；燃發在短路后4.8ms電流達到峰值，峰值標幺值為8.240，柴發與燃發端口電壓均能正常輸出，通過該試驗，驗證了雙路電壓反饋控制策略的有效性。

兩種工況下已在網發電機、待并網發電機電流峰值的仿真與試驗結果對比如表3所示，短路后電流峰值時間的仿真與試驗結果對比如表4所示。由表3、表4知，短路電流峰值誤差不超過6%，短路后電流峰值時間誤差不超過6.5%，試驗與仿真結果相吻合，再次驗證了仿真和試驗結果的正確性。

表4 兩種工況下電流峰值時間的仿真與試驗結果對比

5 結 論

針對十二相整流發電機組并聯輕載運行功率均分問題，本文首先將十二相整流發電機等效為4臺三相整流發電機，在PSCAD中建立了機組并聯仿真模型，并對基于輕載交流側/重載直流側電壓信號源雙路選擇電壓源反饋的控制策略進行了仿真和試驗對比驗證，研究表明：采用直流側電壓-功率下垂控制策略時，待并網電機勵磁控制器的反饋電壓受電網電壓影響，當被測信號紋波與傳感器誤差足夠大時，下垂控制失效，待并網電機無法正常建壓；但采用交流側電壓-功率下垂控制策略時，待并網電機勵磁調節器的反饋信號是其交流側電壓，不受電網電壓影響，可確保待并網電機正常建壓，進而有效改善輕載并網時的功率分配差度，可對未來工程化應用提供有效支撐。