高壓岸電系統多路輸出功率均衡控制方法

潘雄文，陳輝，徐玉剛，姚瓊，宋先勇

（國網岳陽供電公司，湖南岳陽 414000）

由于內陸湖泊亟需從現在比較低效、粗放、污染的柴油機供電體系逐步轉變為潔凈、高效、節約、多元、安全的現代化錨地岸電供電體系，因此，錨地岸電電源系統建設已經成為了電力事業發展的核心研究方向。錨地岸電就是一種新型的系統供電技術，要求靠泊船必須依靠船舶自備發電機進行供電[1-2]。相比于常見的柴油發電方式，錨地岸電系統不但能夠充分緩解內陸湖泊的污染問題，也可以抑制氮硫化物的排放，在節能減排方面具有較強的促進性作用。

傳統的柴油發電方式以電動機作為主要供電設備，為適應高壓電能變頻傳輸的需求，主柴油發電機往往具備極強的電子輸出能力，然而隨著電力供應時間的延長，穩定電壓的變更能力開始逐漸下降，這也在一定程度上導致岸電電網供電制度陷入了相對混亂的執行狀態。為解決此問題，設計新型的高壓岸電系統多路輸出功率均衡控制方法，在主電路參數條件下，分別從電流內環、電壓外環兩方面入手，計算輸出功率的均衡量數值，再按照直流母線電壓的實際波動形式，得到準確的慣性控制系數結果。

1 高壓岸電系統的多路輸出環境

高壓岸電系統的多路輸出條件由主電路參數、電流內環、電壓外環三部分共同組成，具體研究分析方法如下。

1.1 主電路參數

錨地岸電電源系統的主電路參數包含直流側電容值、主電源容量等多種類型。其中，交流側電感能夠影響高壓岸電系統的動態與靜態電量輸出性能，在直流電壓取值方面具有較強的促進作用。在面對頻繁的電量輸出功率調制任務時，由于傳輸電子的大量累積，變流器網側的電流波形會不斷向著正弦波靠近，且在此過程中，直流側電容能夠濾除高頻電壓諧波的影響，從而避免高壓岸電系統緩沖整流能力下降，這也是導致高壓岸電系統緩沖整流能力不斷下降的主要原因[3-4]。針對此問題，在實際應用過程中，應將直流側電容C作為定值參考條件，在電感應時間T1、岸電系統功率定頻時長T2兩項物理量的作用下，可將錨地岸電系統的主電路參數計算結果表示為：

其中，Emax代表主電源的最大輸出值，ΔU代表單位時間內的輸出功率變化量。

1.2 電流內環

在錨地岸電系統中，電流內環對電量輸出功率起到非線性調制作用，一般來說，在交變電流保持正向耦合關系的情況下，閉環內的輸出功率數值會產生急速下降的變化形式[5-6]。在此過程中，錨地岸電電源系統始終處于相對穩定的充電形態之中，且由于電子前饋感知行為的存在，任何一個明顯的直流量靜態調節差都有可能造成連續的電流偏轉形態。因此，為使錨地岸電電源系統電流內環保持連續穩定狀態，應設置電量輸出功率的極限數值，并要求所有電流感知量都不得超過該項指標的預設數值水平[7-8]。設代表錨地岸電系統中的連接電阻均值，聯立式（1），可將電流內環的輸出功率穩定形態表示為：

式中，uer代表r輸出點與e輸出點之間的電壓差數值，ω代表高壓電量的多路輸出系數。

1.3 電壓外環

電壓外環則能夠對電量輸出功率起到反向約束作用，在錨地岸電系統中，傳輸電量的單次輸出功率值越大，外環環境中的理想電壓數值水平也就越高，高壓主機所具備的均衡性電感能力也就越差。若將電子量的多路輸出看作一個相對穩定的電壓傳輸環境，則可認為隨著岸電系統外部傳輸電壓數值的升高，其內部傳輸電子量之間的感應能力也會不斷增強，直至將錨地岸電系統高壓輸入端與低壓輸出端之間的壓差數值水平縮小至0[9-10]。規定ω1、ω2分別代表兩個不同的錨地岸電系統電壓表轉動數值，在電壓量多路輸出的情況下，ω1≠ω2≠0 的不等式條件恒成立。在上述物理量的作用下，聯立式（2），可將電壓外環的輸出功率穩定形態表示為：

其中，λ代表電壓差約束參量，|H|代表錨地岸電系統高壓輸入端與低壓輸出端之間的實際壓差數值。

2 多路輸出功率均衡控制方法

在高壓岸電系統多路輸出環境的支持下，按照直流母線電壓波動分析、輸出功率均衡量計算、慣性控制系數確定的處理流程，完成新型輸出功率均衡控制方法的設計與應用。

2.1 直流母線電壓波動分析

若錨地岸電電源負載出現突發性行為，由于高壓輸出電機并不能立刻感受到傳輸電子的實際變化情況，因此很難長久維持原有的控制量水平，這也是造成高壓岸電系統實際多路輸出功率始終不能達到理想數值水平的主要原因。一般情況下，直接由該項物理差值引起的電量補償行為，就被稱為直流母線的電壓波動[11-12]。忽略高壓錨地岸電系統的其他開關損耗情況，則可認為直流母線的電壓波動行為越明顯，電量輸出功率的均衡性水平越強。聯立式（2）、式（3），可將直流母線電壓的波動分析結果表示為：式中，Ps表示高壓電信號的輸入功率，Pt表示穩態電信號的輸出功率，ΔAst表示直流電壓的變化量，表示高壓岸電系統中的均衡性電阻量。

2.2 輸出功率均衡量計算

在已知直流母線電壓波動分析結果的情況下，可將輸出功率均衡量看作一種平衡性負載狀態，由于高壓岸電系統一貫具有較強的自適應調節能力，因此在功率均衡量與電源輸出負載之間總是存在一種固定的數值影響關系[13-14]。多路輸出功率的均衡負載原理如圖1 所示。

圖1 多路輸出功率的均衡負載原理

設k代表高壓岸電系統中的多路輸出功率波動基向量，l1、l2代表兩個不同的電功率調節系數，f代表電信號功率的輸出給定值，則多路輸出功率均衡量計算公式為：

2.3 慣性控制系數

慣性控制系數也叫慣性均衡負載量，在錨地岸電系統中，該項物理指標的數值水平越高，多路輸出功率的平均數量值也就越大[15-16]。一般來說，一個穩定的高壓岸電系統中能夠同時接入n個不同的電信號控制器，且其實際功率輸出水平并不受外界干擾條件的影響。設x1,x2,…,xn分別代表n個電信號控制器設備的實時功率輸出量，在最小均衡系數等于c0、最大均衡系數等于cn的情況下，聯立式（5），可將慣性控制系數計算結果表示為：

其中，Ms表示高壓電信號的輸出功率反饋系數，Mt表示穩態電信號的輸出功率反饋系數。至此，完成各項系數指標的計算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，實現高壓岸電系統多路輸出功率均衡控制方法的順利應用。

3 實例分析

將圖2 所示電源負載主機接入錨地岸電系統中，在相同頻率條件下，截取等長的高壓輸出波與低壓輸出波，并將其分別輸入實驗組、對照組電源處理主機中，其中實驗組電源主機配置多路輸出功率均衡控制方法，對照組電源主機配置傳統的柴油發電方式。錨地岸電電源負載主機如圖2 所示。

圖2 錨地岸電電源負載主機

為保證電壓波的傳輸穩定性，在電源負載主機外部還應增設圖3 所示的壓電轉換裝置，一方面平衡由功率差降帶來的電信號振蕩行為，另一方面也可以對錨地岸電系統進行有效的保護。壓電轉換裝置如圖3 所示。

圖3 壓電轉換裝置

圖4 為0～200 Hz 階段，實驗用高壓輸出波與低壓輸出波的具體波頻變化情況。

圖4 電壓信號分布情況

穩定電壓指的是高壓波、低壓波之間的電壓差值，能夠反映岸電系統變頻信號的穩定性能力，一般情況下，穩定電壓數值的變化速率越快、極值壓差越小，則代表變頻信號的穩定性越強，系統主機對于輸出功率的均衡調控能力也就越強。表1記錄了實驗組、對照組穩定電壓的實際數值變化情況。

表1 穩定電壓數值

分析表1 可知，隨著電壓波輸出頻率的增大，高電壓數值、低電壓數值均呈現不斷上升的變化趨勢。從極限值角度來看，對照組低壓輸出波所對應的電壓數值更低，而高壓輸出波所對應的電壓數值則更高，穩定壓差達到了380 V/200 Hz，遠高于實驗組的穩定壓差60 V。

綜上可知，應用多路輸出功率均衡控制方法后，高壓岸電系統的穩定壓差數值水平得到了有效控制，不但增強了岸電電源系統變頻信號的穩定性能力，也可促進高壓系統主機對于電信號輸出功率的均衡性調控。

4 結束語

在傳統柴油發電策略的基礎上，多路輸出功率均衡控制方法針對岸電電源系統電能變頻能力較差的問題進行改進，在電流內環、電壓外環等多個電量感應條件的作用下，通過直流母線電壓波動分析法，計算輸出功率均衡量、慣性控制系數的具體數值。與傳統方法相比，這種新型控制方法能夠更好地適應岸電電網的均衡供電制度，在維護電能變頻能力方面具有較強的實際應用價值。