船舶岸電的應(yīng)用與研究

山東理工大學(xué) 高月昊 賈明娜

1 船舶岸電國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 PQ控制原理分析

PQ控制又稱恒功率控制。其控制主要目的是使輸出的有功和無(wú)功功率跟蹤其參考值功率，岸電并網(wǎng)的頻率和電壓由大電網(wǎng)支撐。PQ控制可有效保證發(fā)電功率輸出的穩(wěn)定，使敏感負(fù)荷和重要負(fù)荷免于干擾，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

從圖1可看出，當(dāng)岸電電源的頻率在允許的范圍內(nèi)（fmin≤f≤fmax）變化時(shí)，逆變器輸出的有功功率維持在給定的參考值Pref；當(dāng)岸電電源的電壓幅值在允許的范圍內(nèi)（Vmin≤V≤Vmax）變化時(shí)，逆變器輸出的無(wú)功功率維持在給定的參考值Qref。岸電電源采用PQ控制的逆變器的主電路為三相全橋電路，逆變器輸出采用LC濾波器。控制部分包括功率控制模塊、電流控制模塊、鎖相環(huán)(PLL)、相位預(yù)同步模塊和PWM調(diào)制模塊。電流環(huán)PI控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定電流值的跟蹤，達(dá)到無(wú)靜差控制的效果，電流環(huán)的等效圖如圖2。

圖1 PQ控制原理圖

圖2 電流內(nèi)環(huán)控制框圖

1.2 PR和QPR控制原理分析

PR控制是由Garcia和Morari在二十世紀(jì)八十年代提出的內(nèi)模原理的應(yīng)用。內(nèi)模原理一個(gè)典型應(yīng)用就是工程上最常用的PI控制器中的積分環(huán)節(jié)。內(nèi)模原理是將某一頻率對(duì)應(yīng)的指令信號(hào)的模型加入到控制系統(tǒng)中，則加入后的控制系統(tǒng)對(duì)于這一頻率有無(wú)窮大的增益、能對(duì)此頻率實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤，而對(duì)于其它頻率增益很小，沒(méi)有跟蹤效果。PR控制器數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)雖然早在二十世紀(jì)就已提出，但在有源濾波器中使用的時(shí)間并不長(zhǎng)，近年P(guān)R控制器大量應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器入網(wǎng)電流控制當(dāng)中。

其傳遞函數(shù)為：GPR(s)=Kp+2Krs/(s+ω02)，這其中：Kp和Kr分別為比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的系數(shù)。當(dāng)給定交流信號(hào)的角頻率為ω0時(shí)，將s=jω0代入上式得到PR控制器在此頻率處的增益為：GPR(jω0)=Kp+2Krω0/((jω0)2+ω02)=∞。

雖然PR控制器性能優(yōu)異，但現(xiàn)實(shí)中電網(wǎng)的頻率會(huì)發(fā)生輕微偏移。PR控制器對(duì)于指定次頻率增益無(wú)限大，但對(duì)指定頻率附近其他頻率幾乎沒(méi)有増益。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生偏移PR控制器的控制效果大打折扣，因此準(zhǔn)比例諧振控制器（QPR）產(chǎn)生了，它能有效增加指定諧振頻率附近的頻率的増益，防止系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的控制。

在PR控制器的jω軸上加入兩個(gè)頻率固定不變的閉環(huán)極點(diǎn)，即構(gòu)成準(zhǔn)比例諧振控制器（QPR），傳遞函數(shù)為：GQPR(s)=Kp+2Krωcs/(s2+2ωcs+ω02)。其中：ω0為指定次諧波頻率，ωc為截止頻率。當(dāng)給定交流信號(hào)的角頻率為ω0時(shí)，將s=jω0代入上式得到QPR控制器在此頻率處的增益為：GQPR(jω0)=Kp+2Krωcjω0/((jω0)2+2ωcjω0+ω02)。

準(zhǔn)比例諧振控制器在指定次諧波處增益雖不是無(wú)窮大，但也能滿足指定次頻率的控制要求，通過(guò)調(diào)節(jié)Kr還能調(diào)節(jié)帶寬，適當(dāng)增加帶寬能抵消頻率波動(dòng)帶來(lái)的影響，其控制框圖如圖3。

圖3 QPR電流控制器的控制框圖

由QPR控制器傳遞函數(shù)GQPR(s)可看出，影響控制器性能的參數(shù)有Kp、Kr和ωc，因此可通過(guò)控制變量法選取幾組參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，確定各參數(shù)對(duì)各個(gè)控制器的影響。不同參數(shù)時(shí)PI、PR與QPR控制器控制參數(shù)Kp增大而其他參數(shù)不變時(shí)，QPR控制器低頻和高頻位置幅值均增大，相應(yīng)的相位裕度也變大；控制參數(shù)Kr增大而其他參數(shù)不變時(shí)，QPR控制器峰值增益變大；控制參數(shù)ωc增大則控制器帶寬明顯變大，ωc參數(shù)影響控制器帶寬大小。據(jù)此分析可知，根據(jù)系統(tǒng)峰值增益需求可選擇較大的Kr和ωc值，使系統(tǒng)獲得較大的峰值增益、減小基頻處的穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)系統(tǒng)獲得較大的帶寬可更好地適應(yīng)電網(wǎng)頻率變化，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 基于重復(fù)+QPR的船舶岸電并網(wǎng)控制

為實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流的無(wú)靜差控制，引入重復(fù)控制策略、并與QPR控制相配合，以期提高LCL型并網(wǎng)逆變器的輸出控制性能[1-2]。

2.1 重復(fù)控制原理分析

基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制器，可有效地消除控制系統(tǒng)內(nèi)周期性的擾動(dòng)和誤差，主要應(yīng)用于輸入為周期性信號(hào)的系統(tǒng)，這與并網(wǎng)逆變器的給定和擾動(dòng)量皆為正弦信號(hào)的特性相契合。因此，選擇重復(fù)控制作為并網(wǎng)逆變器輸出電流的跟蹤策略。

圖4 重復(fù)控制器內(nèi)模結(jié)構(gòu)圖

在離散域下傳遞函數(shù)為：G(s)=1/(1-Q(s)Z-N)，式中：N為一個(gè)基波周期的采樣次數(shù)，Q為內(nèi)模系數(shù)。為提高重復(fù)控制器自身的穩(wěn)定性，Q通常取值為略小于1的常數(shù)，或者為增益小于1的低通濾波器。但Q并不是越小越好，不同的Q對(duì)系統(tǒng)的影響不同。重復(fù)控制在基波頻率和基波倍數(shù)頻率處具有高增益和零相移特性，Q越大幅值處增益越大，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度越高，但穩(wěn)定性越差；Q越小幅值處增益越小，控制精度較差，但穩(wěn)定性較強(qiáng)。

根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)和重復(fù)控制的頻率特性可知，G(s)本身不存在穩(wěn)定性問(wèn)題。但如直接將其應(yīng)用于逆變器的電流控制，則由于LCL濾波器的原因?qū)?dǎo)致系統(tǒng)的相頻特性曲線穿越負(fù)180°，帶來(lái)穩(wěn)定性問(wèn)題。因此在實(shí)際的應(yīng)用中，除內(nèi)模環(huán)節(jié)，重復(fù)控制器還包括延遲環(huán)節(jié)Z-N和補(bǔ)償器M(s)。從圖5可見(jiàn)，重復(fù)控制屬延時(shí)控制，其中包含的延時(shí)環(huán)節(jié)使其輸出的動(dòng)態(tài)性能較差，因此將重復(fù)控制與其他控制方法進(jìn)行組合互補(bǔ)，效果最佳。

圖5 重復(fù)控制器結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于重復(fù)+QPR的并網(wǎng)逆變器控制

在控制原理的基礎(chǔ)上引入重復(fù)控制策略；同時(shí)為提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，將指令電流前饋至QPR控制器。基于重復(fù)+QPR控制的LCL型并網(wǎng)逆變器控制原理如圖6所示,其中Grep為重復(fù)控制器的傳遞函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，可設(shè)計(jì)基于重復(fù)+QPR控制的PQ控制器（圖7），據(jù)此繪制出重復(fù)+QPR控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖6 重復(fù)+QPR控制原理圖

圖7 基于重復(fù)+QPR控制的PQ控制器結(jié)構(gòu)圖

圖8展現(xiàn)了內(nèi)外環(huán)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系：QPR控制作為內(nèi)環(huán)，結(jié)合并網(wǎng)電流反饋，增加系統(tǒng)阻尼；重復(fù)控制作為外環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流Ig的無(wú)靜差跟蹤。同時(shí)，將重復(fù)控制器的輸出信號(hào)與指令電流信號(hào)Igref疊加作為QPR控制器的輸入信號(hào)，以期在指令電流改變時(shí)瞬時(shí)值反饋內(nèi)環(huán)能快速響應(yīng)前饋電流指令，消除重復(fù)控制的固有一周期延時(shí)，提高整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。

圖8 重復(fù)+QPR控制系統(tǒng)框圖

3 仿真分析

重復(fù)+QPR控制策略用于并網(wǎng)系統(tǒng)中，根據(jù)對(duì)重復(fù)+QPR控制策略的分析，在Matlab／Simu_link環(huán)境下建立PQ控制下基于重復(fù)+QPR的電流內(nèi)環(huán)仿真模型圖。設(shè)定總仿真時(shí)間為0.5s，仿真中0到0.25s之間發(fā)電輸出有功功率為Pref=10kW，無(wú)功功率為Qref=0kVar；0.25s至0.5s之間發(fā)電輸出有功功率為Pref=15kW，無(wú)功功率為Qref=6.5kVar。為提高仿真速度，岸電電源用650V直流電壓源代替，負(fù)荷容量為500kW恒功率負(fù)荷，微電網(wǎng)三相交流電壓相電壓值為380V。電流PI調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定為Kp=800、Kr=800、Wc=100，濾波器參數(shù)設(shè)定為R=0.01Ω、L=0.009H、C=110μF， 采 用SPWM調(diào)制。

圖9中，上方為有功功率輸出、下方為無(wú)功功率輸出。可看出，PQ控制下采用重復(fù)+QPR控制不僅能有效控制發(fā)電的有功和無(wú)功輸出，還可使得有功和無(wú)功功率都能更好地跟蹤給定參考值，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，響應(yīng)速度更快，控制性能更好。

圖9 PQ控制下基于重復(fù)+QPR的仿真波形圖