非理想船舶電網下船用虛擬同步發電機并網預同步策略研究

郭 威，汪 恬，徐一鳴，李成亮

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.山東博奧斯能源科技有限公司，山東 濟南 250200)

近年來，隨著光伏發電技術不斷進步，光伏發電系統逐漸由小型船舶應用拓展到汽車滾裝船等大型船舶領域[1]。隨著現代船舶自動化設備和電力電子器件在船上的大規模應用，船舶電網的電能質量問題越來越被人們重視。由于電子電力變換器件響應速度非常快，傳統逆變控制策略存在一個共同的缺陷，即零慣性和零阻尼特性，因船舶電網容量較小，并網運行時當電網遇到較大擾動，傳統控制策略下的并網逆變器容易發生失穩和過載的問題[2]。隨著分布式光伏電源接入容量的增加，嚴重時將會無法并網，不但影響船舶電氣負荷的正常工作，甚至會引起設備故障，威脅船員及船舶安全。因此，構建含分布式光伏電源的船舶電力系統的同時必須要保證船舶電網的電能質量。

1 船用VSG并網逆變控制策略

同步發電機一個重要的特性是當電網有功負載增加時，同步發電機將會降低轉速，同時調速器根據系統反饋信號調節原動機轉速，使機械功率和電磁功率重新達到平衡狀態。同步發電機根據有功功率和頻率之間的變化關系，通過調節原動機轉速以調整發電機功率輸出，被稱為一次調頻特性[3]。根據同步發電機調頻調速特性，設計船用虛擬同步發電機(VSG)有功-頻率控制器原理示意圖如圖1所示。圖1中，J為轉動慣量，1/s為積分環節的傳遞函數，D為阻尼系數，ωref為系統角頻率參考量，ω為實際角頻率，Pref為VSG輸入功率參考量，Pm為虛擬機械功率，Pe為實際輸出功率，Kp定義為有功-下垂系數。

圖1 船用虛擬同步發電機(VSG)有功-頻率控制器原理示意圖

根據圖1，可得VSG有功-下垂控制方程為：

Pm=Pref+Kp(ωref-ω),

(1)

根據式(1)，結合轉子機械方程，可得VSG有功-頻率控制圖如圖2所示。

圖2 VSG 有功-頻率控制圖

當系統無功功率不足，引起同步發電機系統電壓降低，此時勵磁系統參與調節，增大磁通量，使系統無功功率重新達到平衡狀態。同步發電機可以根據電壓和無功功率關系自動調節勵磁系統的特性，稱為同步發電機無功-電壓特性。

根據同步發電機無功-電壓調節特性，VSG的無功-電壓下垂控制可表示為：

Vmag=Kq(Qn-Q0)+Vn，

(2)

式中，Vmag為系統輸出電壓幅值信號；Kq為無功功率下垂系數；Qn為VSG額定無功功率;Q0為VSG系統實際輸出的無功功率;Vn為額定電壓。

VSG無功-電壓控制框圖如圖3所示。船用VSG無功-下垂特性將無功功率與電壓聯系起來，當無功功率不足時，系統會增加機端輸出電壓，并網時提高電壓值以增加無功功率的輸出。

圖3 VSG 無功-電壓控制框圖

2 船用VSG光伏并網系統結構

船用VSG光伏并網系統結構如圖4所示。船用VSG光伏并網系統通過實時采集船舶電網電壓、頻率等運行參數，經功率計算，再轉換成VSG控制信號驅動逆變電路，將直流電轉化成交流電饋入船舶電網。

圖4 船用VSG光伏并網系統結構

3 改進型船用VSG并網預同步控制策略

非理想船舶電網中，由于電網電壓電能質量較差，會在逆變器直流側產生大量二次諧波，又經并網逆變器調制，引起輸出電流含有較多奇次諧波，在并網逆變器并網點產生過大電流[4]。在理想船舶電網中，提高鎖相環跟蹤電網電壓的速度，可以通過設置較高帶寬的方式。但對于非理想船舶電壓，提高鎖相環帶寬會放大鎖相環輸出信號誤差值，減小帶寬又會引起鎖相動態響應不足。因此，需要一種使逆變器系統在船舶電網諧波較大和電網電壓不對稱下仍能準確鎖相的技術。并網開關閉合前，通過檢測電網電壓信號，調節輸出電壓參數與船舶電網電壓一致，然后閉合并網開關，實現VSG平滑并網，抑制沖擊電流的產生，稱為預同步技術。

傳統雙鎖相環(PLL)并網預同步策略對VSG技術改進，引入預同步控制算法，在并網前調節VSG輸出電壓與電網電壓同頻、同幅、同相，從而實現平滑并網[5]。通過對逆變器輸出電壓和電網電壓分別進行鎖相控制，然后經PI控制器分別對電壓幅值差值、頻率差值和相位差值進行調節，雖然能夠有效實現VSG并網預同步，但控制相對繁瑣，計算量較大，引入控制參數較多，同時由于使用2個鎖相環，在非理想電網條件下預同步效果容易受到鎖相精度的影響。

針對船用VSG光伏并網系統，本文提出改進型船用VSG并網預同步控制策略。圖5為VSG輸出電壓和船舶電網電壓示意圖，其中Vgα為船舶電網電壓Vg在α軸的分量、Vgβ為β軸分量，同樣Viα為VSG輸出電壓Vi在α軸的分量、Viβ為β軸分量，φg為船舶電網電壓相位角，φi為VSG輸出電壓相位角，相位差Δφ=φg-φi。

圖5 VSG輸出電壓和船舶電網電壓示意圖

根據數學模型，當VSG輸出電壓與船舶電網電壓相位差極小時，可得:

sinΔφ≈Δφ，

(3)

結合式(3)和圖5，可求得sinΔφ:

sinΔφ=sin(φg-φi)=

(4)

對于電壓幅值差ΔV的調節，滿足:

(5)

綜合上述計算，可得船用VSG光伏并網預同步方法計算公式，如式(6)所示。

(6)

改進型預同步控制技術實現步驟為：由VSG輸出電壓和船舶電網電壓克拉克變換后的分量，帶入式(6)，得出ΔV和sinΔφ，分別輸入PI控制器，計算出幅值干擾量ΔV0和頻率擾動量Δω0，將ΔV0和Δω0分別代入船用VSG無功-電壓控制器和功頻控制器中，經控制器計算，調節VSG輸出電壓，完成預同步控制[6]。改進型船用VSG光伏并網預同步控制原理如圖6所示。

圖6 改進型船用VSG光伏并網預同步控制原理圖

改進型船用VSG預同步技術以2個PI控制器代替鎖相環，在非理想船舶電網電能質量差、干擾較大的條件下，由于傳統預同步控制策略引入雙鎖相環，容易造成鎖相精度降低，從而使預同步控制響應速度變慢。而改進型并網預同步策略結構簡單，抗干擾能力較強，在非理想電網條件下同樣具備較快的響應特性，能達到良好的控制效果。

4 仿真分析

在船舶運行中，由于非線性負載接入、投切等復雜工況會引入諧波，惡化船舶電網電能質量[7]，結合前文分析，本文以船舶電網含一定諧波污染狀態作為非理想船舶電網條件，開展仿真分析。

某大型遠洋汽車滾裝船光伏并網系統未接入時，電網穩態某時刻實測電壓和電流主要諧波含量表見表1。由表1可知，5次、7次諧波幅值較大，結合實際船舶電網中常見諧波次數和各船級社對諧波的規定，在三相電網電壓注入10% 的5次諧波、10% 的7次諧波進行非理想電網并網仿真實驗。仿真系統參數見表2。

表1 實測電壓和電流主要諧波含量表 %

為了將其與不含預同步技術的VSG和傳統VSG的并網效果進行比較，驗證船用VSG預同步技術的優越性，設置VSG輸出有功功率為10 kW，0.1 s開啟預同步控制， 0.3 s閉合開關，VSG并入船舶電網。非理想船舶電網并網輸出功率和并網電流波形如圖7所示。

表2 仿真系統參數

對比圖7 (a)、(b)、(c)，非理想船舶電網條件下，采用預同步技術VSG并網功率輸出平滑，無振蕩。對比圖7 (b)、(c)，相比于傳統預同步技術，改進并網預同步響應迅速，系統更快達到穩定。對比圖7 (d)、(e)、(f)，非理想船舶電網條件下無預同步控制并網有明顯的電流沖擊，大小約二倍額定值，且電流振蕩，0.50 s左右系統穩定。采用預同步技術并網沖擊電流現象得到明顯改善，不會對分布式電源逆變器和電網造成不利影響。對比圖7 (e)、(f)，采用傳統預同步控制的VSG并網系統并網輸出電流緩慢增加，約0.45 s系統達到穩態。改進型預同步技術并網系統在0.33 s到達穩定，暫態過程更短，動態響應更好。

圖7 非理想船舶電網并網輸出功率和并網電流波形

圖8為非理想船舶電網改進型船用VSG預同步技術輸出電壓跟蹤波形圖。由圖8可知，在船舶電網含大量諧波的非理想條件下，0.1 s開啟預同步控制后，改進型預同步技術可以迅速實現對船舶電網電壓幅值跟蹤，并網瞬間電壓無波動。由上述仿真結果可知，在船舶電網電壓含有大量諧波的非理想條件下，預同步并網可消除并網沖擊電流，實現平滑并網。相比于傳統預同步技術，改進型船用VSG預同步技術結構簡單、精度較高、動態響應特性更好，驗證了控制策略的可行性和優越性。

圖8 非理想電網改進型船用VSG預同步技術輸出電壓跟蹤波形圖

5 船用VSG預同步試驗驗證

本節對前文所提的船用虛擬同步發電機控制策略和預同步控制策略進行試驗平臺搭建和試驗驗證。并網逆變器硬件系統主要分為直流電源、三相逆變電路、負載/電網3部分。由于實驗室設備不足和條件所限，直流部分是利用三相調壓器整流、濾波得到較為理想的直流電壓源，代替光伏組件；交流負載和電網采用三相四線制接線方式，并網逆變器同樣為三相四線制。

主電路模塊將直流源輸出的直流電，基于所設計船用VSG控制算法逆變成交流電，再經濾波電路濾除諧波后連接到輸出端。并網輸出端接入大電網或可編程交流電源，用于模擬理想電網和非理想電網并網工況。平臺參數設計與表2相同。

本節根據前述VSG控制策略的仿真結果，在硬件試驗平臺上設計多種工況進行試驗驗證。

試驗一：理想電網條件下船用VSG預同步并網試驗。首先對理想電網條件下船用VSG預同步并網進行試驗驗證。試驗結果表明：并網開關閉合瞬間無沖擊，VSG平滑入網，且具有快速的動態響應性能，與理論分析和仿真試驗結果相符。

試驗二：非理想電網條件下船用VSG預同步并網試驗。為驗證所提改進型船用VSG預同步控制策略的有效性，使用可編程交流電源來模擬實際船舶電網，在三相電網電壓中同時注入5次諧波和7次諧波各10%。使用電能質量分析儀測得電網電壓總諧波為14.2%，分別進行非理想電網條件下，未采用預同步和采用改進型預同步技術并網試驗。

試驗結果表明：未采用預同步控制，非理想電網條件下由于并網鎖相誤差，產生沖擊電流，引起控制模塊保護電路動作，產生自鎖，導致并網失敗，且產生較大沖擊電流。過大的沖擊電流會超出逆變元器件的承載能力，導致并網失敗，甚至永久性損毀，顯然不能滿足規范對于船用光伏并網系統電能質量的要求。

在非理想電網條件下，采用改進型船用VSG并網預同步控制技術， VSG輸出電流緩慢增加平滑并網，對電網無沖擊，且響應時間較短，具有良好的動態性能。

結合試驗結果可知，在電網電壓含大量諧波的非理想情況下，本文在VSG并網控制策略進行的改進能有效抑制并網沖擊電流產生，從硬件試驗驗證的角度證明了該改進工作的可行性。

6 結束語

在綠色船舶節能減排的背景下，本文針對非理想船舶電網條件下傳統并網沖擊問題，提出了船用VSG并網預同步技術，并利用仿真和試驗平臺進行了驗證。仿真和試驗結果表明所提理論對分布式光伏電源逆變并網電能質量具有明顯改善效果，為船用VSG光伏并網發電系統在實船上的應用提供了一定的理論和數據依據。