基于參數(shù)靈活配置的虛擬同步發(fā)電機(jī)在船舶自主電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

龐 宇劉宏達(dá)戴 成

（1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱150001；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

基于參數(shù)靈活配置的虛擬同步發(fā)電機(jī)在船舶自主電力系統(tǒng)中的應(yīng)用

龐 宇1,2劉宏達(dá)1戴 成1

（1.哈爾濱工程大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院 哈爾濱150001；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的不斷加劇，綠色環(huán)保是船舶未來的發(fā)展方向，各國研究者都在積極探索新能源在船舶平臺(tái)上的應(yīng)用技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的目標(biāo)。文章針對(duì)具有船舶特質(zhì)的電力系統(tǒng)因新能源融入造成的脆性源增加和系統(tǒng)慣量減少所導(dǎo)致系統(tǒng)容易失穩(wěn)抗干擾能力差、多種分布式電源之間功率的協(xié)調(diào)分配等問題進(jìn)行研究，提出在船舶多模式電站中可采用一種基于虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的并網(wǎng)逆變器控制策略，因其具有類似同步發(fā)電機(jī)輸出阻抗大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大和功率按下垂特性分配的特點(diǎn)，適用于船舶電力系統(tǒng)這類自主電力系統(tǒng)；還設(shè)計(jì)了虛擬慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，充分利用VSG虛擬慣量和阻尼系數(shù)靈活可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，在不同工況下有效解決新能源設(shè)備和負(fù)荷突變引起的頻率和功率的波動(dòng)；通過仿真驗(yàn)證該控制策略在船舶新能源技術(shù)中的可行性。

綠色船舶；船舶新能源；虛擬同步發(fā)電機(jī)；自適應(yīng)調(diào)節(jié)；船舶自主電力系統(tǒng)

引 言

發(fā)展低碳技術(shù)、提高能源利用效率、開發(fā)并利用可再生能源（RE）現(xiàn)已成為人們的關(guān)注點(diǎn)。海運(yùn)因其運(yùn)輸成本和運(yùn)力的綜合優(yōu)勢(shì)，一直是世界貿(mào)易運(yùn)輸最重要的方式。船用燃料以重油為主，其燃燒生成物包括：CO2、NOX、SOX和碳粒［1-2］。載重量為20 000 t、航速為15 kn的船，每天的燃油消耗就高達(dá)65 t，對(duì)應(yīng)的CO2排放量會(huì)高達(dá)202 t。換言之，船舶在完成世界貿(mào)易運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，也成為移動(dòng)的污染源，港口、海峽和一些航線密集船舶流量大的海區(qū)更是如此［3-4］。

新能源因自身特點(diǎn)，要融入船舶電站，需要經(jīng)過電力電子變換裝置進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換，而目前電網(wǎng)和負(fù)載多使用交流電，該裝置即為并網(wǎng)逆變器型。隨著并網(wǎng)控制技術(shù)的發(fā)展，目前的并網(wǎng)控制策略有下垂控制、恒功率控制、恒壓頻控制等方法。在含有分布式電源的船舶微網(wǎng)中，并網(wǎng)逆變器是能量傳遞的核心，其性能直接影響發(fā)電設(shè)備向電網(wǎng)輸出的電能質(zhì)量，所以船舶并網(wǎng)逆變器控制策略是船舶多模式電站發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、輸出阻抗大和功率自分配等特點(diǎn)。使同步發(fā)電機(jī)很好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電能輸出、多機(jī)組并聯(lián)、負(fù)荷均勻分配，配備轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁控制器的同步發(fā)電機(jī)能夠完成電力的生產(chǎn)和分配，并且具有很好的電力參數(shù)調(diào)整能力。下面從船舶電力系統(tǒng)特點(diǎn)分析同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)特性（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、輸出阻抗大）和外特性（功率自分配）的作用和意義：

（1）電力系統(tǒng)是一個(gè)具有慣量的系統(tǒng)，因此在構(gòu)建船舶微網(wǎng)時(shí)也需要具有一定的慣量，如果船舶電力系統(tǒng)中沒有或只有很少慣量，船舶大型負(fù)荷的突增突減會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，影響系統(tǒng)穩(wěn)定。而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大能使頻率變化緩慢，特別適合負(fù)荷頻繁變化的工況，即頻率還沒有來得及響應(yīng)負(fù)荷的變化，負(fù)荷就已停止或朝相反方向變化，大大減小頻率的波動(dòng)范圍，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。而船舶電力系統(tǒng)正是一個(gè)小容量的自主電力系統(tǒng)，船舶工況復(fù)雜多變使波動(dòng)性負(fù)荷較多；另一方面，船舶新能源滲透率的提高會(huì)增加船舶電力系統(tǒng)的脆性，系統(tǒng)的可靠性和自愈性會(huì)因?yàn)槿狈T性機(jī)械元件作為能量緩沖而降低。因此系統(tǒng)中的輸出阻抗和慣量對(duì)于抑制短路電流、電能可靠性和電能質(zhì)量具有重大影響。

（2）船舶多模式電站中包含多種新能源，微網(wǎng)是解決分布式電源并網(wǎng)問題的最有效途徑之一［5］。若想讓各種分布式電源協(xié)調(diào)、高效、可靠地發(fā)電輸送到電網(wǎng)，則需要合適的微網(wǎng)控制方式。目前陸上微網(wǎng)主要控制結(jié)構(gòu)有主從控制、對(duì)等控制和分層控制。

主從控制結(jié)構(gòu)中的主控制器管理系統(tǒng)若發(fā)生故障，系統(tǒng)將無法工作，不具有冗余性；而且系統(tǒng)對(duì)通信依賴強(qiáng)，要求配備高速通訊網(wǎng)絡(luò)，通訊網(wǎng)絡(luò)受損會(huì)導(dǎo)致微網(wǎng)無法運(yùn)行，這顯然不符合構(gòu)建強(qiáng)壯的船舶電力系統(tǒng)的要求。

對(duì)等控制結(jié)構(gòu)在無通訊或弱通訊條件下，分布式電源能夠依靠自身信息實(shí)現(xiàn)即插即用；通常采用下垂控制策略來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的分配。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、工作高效、系統(tǒng)擴(kuò)展方便，但系統(tǒng)受到大擾動(dòng)時(shí)，微網(wǎng)電壓和頻率會(huì)受到很大沖擊，因此該結(jié)構(gòu)適合簡單的小型船舶微網(wǎng)。

分層控制中各部分的通訊屬于弱連接，其中主控制器不參與暫態(tài)控制，即使短時(shí)間通訊失敗，微網(wǎng)還可以正常運(yùn)行，兼具前兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，即能讓微源即插即用，又可以通過中央控制器完成系統(tǒng)級(jí)控制，提高系統(tǒng)的可靠性［6］。此結(jié)構(gòu)適合復(fù)雜的大型船舶微網(wǎng)。

所以，船舶微網(wǎng)的底層控制器（即逆變器）是否具有良好的調(diào)壓調(diào)頻和功率自我調(diào)節(jié)能力，對(duì)于船舶微網(wǎng)的構(gòu)建至關(guān)重要。以前的下垂控制策略模擬同步發(fā)電機(jī)的輸出外特性不具備類似的大輸出感抗、大輸出慣性的特點(diǎn)［7］，而這兩個(gè)特點(diǎn)對(duì)于船舶微網(wǎng)參數(shù)穩(wěn)定、多逆變器并聯(lián)運(yùn)行又具有重要作用。如果并網(wǎng)逆變器具有類似同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)外特性，那么這些新能源發(fā)電設(shè)備就可以如同步發(fā)電機(jī)一樣接入船舶電網(wǎng)。借鑒同步發(fā)電機(jī)的供電系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，就能使新能源更好地融入船舶電站，這就是虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）控制策略。

1 虛擬同步發(fā)電機(jī)的建模

1.1 VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過圖1和圖2分析可以看出并網(wǎng)逆變器與同步發(fā)電機(jī)相似：逆變器平均輸出電壓等效于同步發(fā)電機(jī)的內(nèi)電勢(shì)，逆變器輸出濾波電感等效于同步發(fā)電機(jī)的同步電感，濾波電感、濾波電感與開關(guān)管的等效電阻等效于同步發(fā)電機(jī)的電樞電阻［8］。對(duì)于不同階次的同步發(fā)電機(jī)模型所建立的虛擬同步發(fā)電機(jī)（VSG）模型也不同，其中經(jīng)典二階模型結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)，并且具備同步發(fā)電機(jī)的基本特性，本文即采用此種模型。

1.2 VSG本體數(shù)學(xué)模型

同步發(fā)電機(jī)的二階機(jī)電暫態(tài)模型， 其中E為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)；U為發(fā)電機(jī)電樞端電壓；Ra為電樞電阻；Xs同步電抗；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ω 為機(jī)械角速度；MT為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Me電磁轉(zhuǎn)矩。

式中：ωN為同步電角速度；θ為電角度；PT為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率；Pe為的電磁功率。

2 虛擬同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制

由上述數(shù)學(xué)模型，可得基于虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的并網(wǎng)逆變器的控制策略，如下頁圖3所示。

2.1 VSG的功頻控制器

同步發(fā)電機(jī)輸出有功功率與負(fù)荷有功相等，當(dāng)負(fù)荷功率變化使發(fā)電機(jī)輸出功率變化，會(huì)引起原動(dòng)機(jī)輸入功率與電磁功率不平衡，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速變化，從而使頻率偏移。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的進(jìn)汽（水）量，調(diào)整發(fā)電機(jī)出力，讓功率重新平衡，這就是電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻。參考同步發(fā)電機(jī)調(diào)速器原理，可設(shè)計(jì)出VSG的功頻控制器，它模擬了同步發(fā)電機(jī)有功——頻率的下垂特性，定義發(fā)電機(jī)靜態(tài)調(diào)差系數(shù)R，引入系數(shù) Kf=1/R來進(jìn)行一次調(diào)頻。

PN、fN分別為額定有功功率與頻率，R*為標(biāo)幺值。

僅靠一次調(diào)頻無法讓系統(tǒng)頻率恢復(fù)到額定值，此時(shí)就需要進(jìn)行二次調(diào)頻，圖中功頻控制器的開關(guān)便是由分層控制的中央控制器發(fā)出有功功率調(diào)度指令對(duì)頻率無差調(diào)節(jié)，它的原理是頻率差通過 PI 控制器獲得要調(diào)整的有功功率。

2.2 VSG的勵(lì)磁控制器

同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流來改變發(fā)電機(jī)無功功率，保持系統(tǒng)無功平衡，穩(wěn)定電壓。但在實(shí)際運(yùn)行中，與發(fā)電機(jī)連接的電網(wǎng)并非無窮大系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓將隨負(fù)荷的變化而變化。參考同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)節(jié)特性，可設(shè)計(jì)出VSG的勵(lì)磁控制器，模擬同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)功能，用電壓調(diào)整系數(shù)δ來表征VSG的電壓調(diào)節(jié)能力。無功之差經(jīng)過電壓調(diào)整系數(shù)得到電壓差，結(jié)合并網(wǎng)電壓與實(shí)際發(fā)電機(jī)端電壓之差，通過PI控制器便獲得VSG的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0。

QN、VN分別為額定無功功率與電壓，δ*為標(biāo)幺值

以并聯(lián)兩臺(tái)發(fā)電機(jī)觀點(diǎn)為例，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，這兩臺(tái)發(fā)電機(jī)承擔(dān)的無功波動(dòng)為他們的電壓變化一致，由式（7）可得。

2.3 虛擬慣量和阻尼系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響

與同步發(fā)電機(jī)相比，逆變器具有較快的動(dòng)態(tài)特性以及幾乎零慣性的特點(diǎn)，給微網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)。船舶電力系統(tǒng)是獨(dú)立的小系統(tǒng)，如果其慣性很小，那么少量的功率波動(dòng)就會(huì)引起系統(tǒng)顯著的頻率偏移，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)崩潰。

虛擬慣性時(shí)間常數(shù)J取值不同，在頻率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中逆變電源將表現(xiàn)出不同的慣性進(jìn)而決定其在系統(tǒng)中承擔(dān)隨機(jī)波動(dòng)有功功率的大小。 J 的取值太小，微網(wǎng)系統(tǒng)的慣性就小，此時(shí)微小的負(fù)荷波動(dòng)就可能引起頻率的快速變化；J的取值越大，對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的頻率支持作用越明顯，但這意味著系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)越慢，即頻率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間也就越長［9］。

圖4為轉(zhuǎn)子部分的傳遞函數(shù)，其中包含虛擬慣量和阻尼兩個(gè)參數(shù)。

可求出VSG的功率閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

VSG的自然振蕩角頻率為：

VSG阻尼比為：

由式（11）和式（12）可知，虛擬慣量J影響的是系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的振蕩頻率，而系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)振蕩衰減的速率則受虛擬阻尼D的影響。

由特征根軌跡圖可知，阻尼系數(shù)D必不可少。其取0時(shí)，系統(tǒng)特征根位于虛軸，系統(tǒng)臨界穩(wěn)定，不具有抗擾動(dòng)能力。隨著D增大，系統(tǒng)阻尼比增大，振蕩衰減越快；但隨其繼續(xù)增大，則其中一個(gè)特征根將靠近虛軸，穩(wěn)定裕度降低。并且，D決定VSG一次調(diào)頻能力，需要根據(jù)負(fù)荷擾動(dòng)下允許頻率偏移最大值設(shè)定阻尼系數(shù)［10］。

當(dāng)系統(tǒng)有功負(fù)荷變化時(shí)，P- f下垂特性表達(dá)式為：

由式 （13） 可知，VSG 控制模塊中的阻尼系數(shù)D會(huì)減小VSG的 P-f下垂特性曲線斜率，降低源之間的有功功率分配精度。減小阻尼系數(shù)D，可以減小上述影響，卻可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)低頻功率振蕩等問題。

3 船舶自主電力系統(tǒng)建模

船舶電力系統(tǒng)是一個(gè)在船舶平臺(tái)上，由發(fā)電設(shè)備、配電設(shè)備、電網(wǎng)和船舶負(fù)荷組成的強(qiáng)耦合、非線性、高協(xié)同的系統(tǒng)整體。與陸上電力系統(tǒng)相比有很大不同：

（1）船舶電站容量較小，電力儲(chǔ)備能力有限且發(fā)電機(jī)單機(jī)容量較小，大型負(fù)荷啟停會(huì)對(duì)船舶電力系統(tǒng)造成很大沖擊，因而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能有較高要求。

（2）船舶負(fù)荷量差異巨大，且工況復(fù)雜多變，這會(huì)引起電網(wǎng)電壓及頻率的頻繁波動(dòng)，這對(duì)船舶電網(wǎng)的電壓和頻率支撐以及自動(dòng)調(diào)節(jié)能力有很高要求。

（3）船舶是一個(gè)局限、獨(dú)立、移動(dòng)的平臺(tái)，電氣設(shè)備集中、海洋環(huán)境復(fù)雜，這要求船舶電力系統(tǒng)具有較高的可靠性和安全性，船用電氣設(shè)備必須滿足“船用條件”。

隨著船舶新能源技術(shù)的發(fā)展，分布式能源（DG）的融入會(huì)給這樣的自主電力系統(tǒng)增加新的脆性源。圖5是目前常見的船舶微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)交直流混合供配電系統(tǒng)，包含直流和交流母線，能夠?qū)⒉煌愋偷姆植际诫娫?、?chǔ)能裝置、負(fù)荷有機(jī)地結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)交流和直流系統(tǒng)之間的能量流動(dòng)，分別滿足這兩個(gè)區(qū)域負(fù)荷需要，它們既能獨(dú)立控制也可協(xié)調(diào)控制，大大提高船舶電力系統(tǒng)的能量傳輸效率和系統(tǒng)的可靠性，船舶微網(wǎng)可根據(jù)實(shí)際需要工作在并網(wǎng)或孤島模式。分布式電源通過并網(wǎng)逆變器進(jìn)行能量傳遞，其性能直接影響供電質(zhì)量。所以，必須找到一種適合于船舶平臺(tái)的新能源規(guī)?；尤氲牟⒕W(wǎng)逆變器控制策略使新能源發(fā)電裝置安全可靠地融入船舶電力系統(tǒng)。

船舶負(fù)荷種類多且工況復(fù)雜多變，分為靜態(tài)負(fù)荷和動(dòng)態(tài)負(fù)荷，前者包括各類儀器、照明等，后者主要是異步電動(dòng)機(jī)類負(fù)載和推進(jìn)裝置。其中動(dòng)態(tài)負(fù)荷對(duì)船舶電網(wǎng)影響最大，尤其是推進(jìn)電機(jī)類。船舶電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)會(huì)影響并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定運(yùn)行，若波動(dòng)太大會(huì)造成逆變器脫網(wǎng)；負(fù)荷的頻繁投切也會(huì)導(dǎo)致逆變器頻繁并網(wǎng)、離網(wǎng)，這些均會(huì)對(duì)船舶電網(wǎng)造成不良影響。因此，并網(wǎng)逆變器應(yīng)具備應(yīng)對(duì)船舶動(dòng)態(tài)負(fù)荷的能力。

為驗(yàn)證虛擬同步發(fā)電機(jī)所具有的慣量大、功率自分配等特性在新能源融入下的船舶自主電力系統(tǒng)中的作用，本文設(shè)計(jì)虛擬慣量和阻尼系數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略，以解決不同工況下有效解決新能源設(shè)備和負(fù)荷突變引起的頻率和功率的波動(dòng)。

3.1 船舶工況分類

船舶工況可分為：

3.1.1 正常航行狀態(tài)

電力負(fù)荷包括主機(jī)輔助設(shè)備、儀器儀表、導(dǎo)航設(shè)備、舵機(jī)等，負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定。

3.1.2 進(jìn)出港和備航狀態(tài)

主動(dòng)舵、錨機(jī)、側(cè)推器等大型電力負(fù)荷啟停，對(duì)電網(wǎng)影響很大。

3.1.3 停泊狀態(tài)

甲板機(jī)械、起貨設(shè)備和日常生活設(shè)備的電力需求較小。

3.1.4 應(yīng)急狀態(tài)

確保船舶重要負(fù)載供電。

通過分析不同船舶工況的特點(diǎn)，重點(diǎn)考慮分布式電源和負(fù)荷變化引起的功率波動(dòng)，本文將船舶運(yùn)行過程分為三類：進(jìn)出港口、正常航行（平穩(wěn)狀態(tài)）、工作狀態(tài)或者負(fù)荷頻繁波動(dòng)、停泊。

3.2 不同船舶運(yùn)行過程中的虛擬慣量和阻尼系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.2.1 進(jìn)出港口

此時(shí)發(fā)電設(shè)備和推進(jìn)電機(jī)等啟停，電力負(fù)荷較大且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性。參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)：以暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間最短為目，讓系統(tǒng)盡快穩(wěn)定下來。

3.2.2 正常航行（平穩(wěn)狀態(tài)）

巡航狀態(tài)下，負(fù)荷平穩(wěn)，可考慮提高新能源的供電率。參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)：保證新能源高滲透率下系統(tǒng)的抗干擾能力和分布式電源間的功率分配。

3.2.3 負(fù)荷頻繁波動(dòng)狀態(tài)

工作狀態(tài)，船舶上負(fù)荷頻繁波動(dòng)。參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)：提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，頻率及其變化率不超過設(shè)定值。

3.2.4 停泊狀態(tài)

此時(shí)主要為日常負(fù)荷供電，參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)：減少控制器的運(yùn)算量，可設(shè)置固定參數(shù)。

不同船舶工況的具體參數(shù)優(yōu)化如表1所示，通過對(duì)虛擬慣量和阻尼系數(shù)的優(yōu)化可使虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略能夠自適應(yīng)船舶的全部工況。

表1 不同工況下的參數(shù)優(yōu)化情況

3.2.4.1 模式1

當(dāng)負(fù)荷變化超出一定范圍，以轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)速度最快為目標(biāo)，需要同時(shí)考慮慣量J和阻尼系數(shù)D的取值。

檢測(cè) VSG 的輸入與輸出功率差額，當(dāng)ΔP＞C（這里調(diào)節(jié)閾值C的選取根據(jù)用戶需求及具體負(fù)荷波動(dòng)情況而定）時(shí)，自適應(yīng)控制進(jìn)入第 I 階段，此階段 J和 D 的設(shè)定值需滿足的條件為［11］：

在該階段的控制策略中，為加快虛擬轉(zhuǎn)子的調(diào)節(jié)速度，阻尼系數(shù)可設(shè)計(jì)為 0（筆者注：參考文獻(xiàn)［11］所述D取零是為縮短暫態(tài)過程，此說法有誤，事實(shí)上D越大暫態(tài)過程越短，可見參考文獻(xiàn)［7，9，10］，而一開始D之所以取0或較小值是為減少轉(zhuǎn)子上的阻尼加快其調(diào)節(jié)速度），此時(shí) J的取值為

由上式，令分子等于0，可求出阻尼系數(shù)D：

若輸入功率大于輸出功率，為使系統(tǒng)減速，虛擬慣量取負(fù)，為加快轉(zhuǎn)子調(diào)節(jié)速度，阻尼系數(shù)仍設(shè)為0。

3.2.4.2 模式2

當(dāng)ΔP≤C，虛擬同步發(fā)電機(jī)的功角變化是一個(gè)衰減振蕩的過程，包含4個(gè)區(qū)間，這個(gè)振蕩周期可分為這4個(gè)區(qū)間，如圖6所示。

在區(qū)間1中，虛擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子角速度ω大于電網(wǎng)角速度ωg，可用較大的慣量來阻止角速度的繼續(xù)增大。在區(qū)間2中，雖然ω＞ωg，但ω已開始減速，此時(shí)即可用較小的虛擬慣量，使功率的震蕩達(dá)到c點(diǎn)。區(qū)間3和區(qū)間4內(nèi)的分析同理。由分析可知，虛擬慣量的取值由VSG的虛擬角頻率與電網(wǎng)頻率偏差以及虛擬角頻率變化量的符號(hào)來決定，如表2所示可總結(jié)為同號(hào)大慣性和異號(hào)小慣性［12-13］。

表2 不同情況下的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

每個(gè)階段的虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由式（19）來表示：

需要指出的是，在工程上J0和k的選取要對(duì)暫態(tài)響應(yīng)超調(diào)和系統(tǒng)阻尼綜合考慮，用戶設(shè)置閾值C2用來跟蹤頻率的變化過程。綜上演繹，可以編寫出VSG的虛擬轉(zhuǎn)子慣量和阻尼這兩個(gè)參數(shù)的優(yōu)化程序，如圖7所示，以滿足不同船舶運(yùn)行過程中虛擬慣量和阻尼系數(shù)的優(yōu)化，使VSG在船舶電站中更好地發(fā)揮作用。

4 仿真分析

在Matlab/Simulink下搭建仿真模型，VSG的具體參數(shù)：定子電樞電阻和電感分別為0.01 Ω和0.2 mH，LC濾波器的電感為18.4 mH，電容為10 μF，直流側(cè)電壓為800 V，額定頻率fn為50 Hz，額定有功Pn為10 kW，電壓調(diào)差系數(shù)K為 0.000 1，頻率調(diào)差系數(shù)R為 0.000 1，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J0= 0.5 kg / m，阻尼系數(shù)D0=20。VSG運(yùn)行在孤島模式，帶阻感性負(fù)荷，有功功率為10 kW，無功功率為 10 kVar。下頁圖8中（a）～（d）顯示逆變器的輸出情況。

可見，峰值為311 V，頻率為 50 Hz的正弦交流電，電流峰值為30 A，說明基于虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的并網(wǎng)逆變器能夠提供穩(wěn)定的電壓和電流，控制性能良好。

船舶工況復(fù)雜，負(fù)荷多變，為檢驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，針對(duì)負(fù)荷變化進(jìn)行仿真，來驗(yàn)證該控制策略應(yīng)對(duì)船舶負(fù)荷變化的控制性能。系統(tǒng)在0.5 s時(shí)刻增加2 kW的負(fù)荷，1 s時(shí)刻減少4 kW的負(fù)荷，1.2時(shí)刻系統(tǒng)負(fù)荷恢復(fù)原來的10 kW。下頁圖9（a）和圖9（b）分別為系統(tǒng)的電壓和電流波形圖。

可見，在負(fù)荷突變的時(shí)候，電壓出現(xiàn)很小的波動(dòng)，隨即便恢復(fù)至額定值，電流能隨負(fù)荷變化而快速變化，并且很快穩(wěn)定下來，說明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制性能良好。

如圖9（c）和圖9（d）所示，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，有功功率會(huì)隨負(fù)荷變化而變化，機(jī)械功率則隨電磁功率變化而變化；但由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的存在，機(jī)械功率不能突變，功頻控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)一次調(diào)頻，在給定功率不變的條件下，機(jī)械功率小于電磁功率，使逆變器輸出頻率下降，呈現(xiàn)與同步發(fā)電機(jī)相似的特性。

在VSG控制器中引入虛擬轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，用以抑制負(fù)荷變化造成頻率變化以及減少機(jī)組振蕩，穩(wěn)定電站運(yùn)行參數(shù)的關(guān)鍵，控制器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和阻尼系數(shù)D與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切聯(lián)系。

圖10和圖11為并網(wǎng)條件下VSG中J和D不同這兩種情況下，逆變器輸出的頻率?？梢?，若增加轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可有效減小因負(fù)荷快速變化而導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的頻繁變化，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。阻尼系數(shù)D主要影響系統(tǒng)的阻尼比，D越大暫態(tài)過程越短，越能快速達(dá)到穩(wěn)定。由于轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼系數(shù)是虛擬存在的，不像同步電機(jī)會(huì)受實(shí)際制造工藝的限制，可以根據(jù)具體情況靈活選取，這也是VSG的重要優(yōu)點(diǎn)。

圖12為采用本文控制方法時(shí)，VSG輸出頻率平穩(wěn)過渡至新的穩(wěn)態(tài)，且?guī)缀鯖]有超調(diào)，說明了VSG 的虛擬慣量和阻尼系數(shù)能夠根據(jù)外界擾動(dòng)情況而自適應(yīng)調(diào)節(jié)，從而使響應(yīng)過程明顯改善。

5 結(jié) 論

本文主要研究具有船舶特質(zhì)的電力系統(tǒng)因新能源融入而造成脆性源增加和系統(tǒng)慣量減少所導(dǎo)致系統(tǒng)容易失穩(wěn)、抗干擾能力差、多種分布式電源之間功率的協(xié)調(diào)分配等問題。提出在船舶多模式電站中可采用基于靈活配置參數(shù)的虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的并網(wǎng)逆變器控制策略，因其具有類似同步發(fā)電機(jī)輸出阻抗大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、功率按下垂特性分配的特點(diǎn)，適用于船舶電力系統(tǒng)這類自主電力系統(tǒng)。最后，通過搭建系統(tǒng)模型對(duì)控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，為基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)逆變器控制策略在船舶新能源技術(shù)發(fā)展中的作用提供依據(jù)。

［1］Fernández Soto J L， Garay Seijo R， Fraguela Formoso J A，et al. Alternative sources of energy in shipping［J］. Journal of Navigation， 2010（3）：435-448.

［2］Hidy G M， Chow J C， England G C，et al. Energy supplies and future engines for land， sea， and air［J］. J Air Waste Manag Assoc， 2012（11）：1233-1248.

［3］Cristea O， Popescu M O， Calinciuc A S. A correlation between simulated and real PV system in naval conditions［C］//International Symposium on Fundamentals of Electrical Engineering（ISFEE），2015：1-6.

［4］Cogliolo A. Sustainable shipping green innovation for the marine industry［J］. Rendiconti Lincei， 2015（1）：65-72.

［5］李威武. 微網(wǎng)技術(shù)在解決分布式電源并網(wǎng)問題中的應(yīng)用分析［J］. 通訊世界，2014（9）： 114-115.

［6］杜燕. 微網(wǎng)逆變器的控制策略及組網(wǎng)特性研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)， 2013.

［7］呂志鵬，盛萬興，鐘慶昌，等.虛擬同步發(fā)電機(jī)及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014（16）：2591-2603.

［8］曾正，邵偉華，冉立，等.虛擬同步發(fā)電機(jī)的模型及儲(chǔ)能單元優(yōu)化配置［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015（13）：22-31.

［9］張亞楠，朱淼，張建文，等. 基于自適應(yīng)調(diào)節(jié)的微源逆變器虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略［J］. 電源學(xué)報(bào)，2016（3）： 11-19.

［10］鄭光輝. 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)功率控制策略的光伏發(fā)電系統(tǒng)研究［D］. 重慶：重慶大學(xué)， 2014.

［11］陳來軍，王任，鄭天文，等.基于參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的虛擬同步發(fā)電機(jī)暫態(tài)響應(yīng)優(yōu)化控制［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016（21）：5724-5731.

［12］程沖，楊歡，曾正，等.虛擬同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量自適應(yīng)控制方法［J］. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2015（19）：82-89.

［13］Alipoor J， Miura Y， Ise T. Distributed generation grid integration using virtual synchronous generator with adoptive virtual inertia［J］. Energy Conversion Congress & Exposition， 2013，8237：4546-4552.

9 400 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船系列首制船成功交付

5月22日，由中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院（MARIC）設(shè)計(jì)，中海工業(yè)（江蘇）有限公司建造的9 400標(biāo)準(zhǔn)箱系列集裝箱船之首制船“CMA CGM RODOLPHE”號(hào)在上海長興島舉行了命名交船儀式。MARIC的副院長沈偉平以及該船總設(shè)計(jì)師劉巍等受邀出席交船儀式。

該船型是MARIC自主研發(fā)設(shè)計(jì)的第三型9 000箱級(jí)系列集裝箱船型，航速、油耗與裝箱量等重要指標(biāo)通過試航驗(yàn)證，均達(dá)到甚至超過了合同指標(biāo)要求。通過進(jìn)一步的線型綜合優(yōu)化，該船型在實(shí)際營運(yùn)范圍內(nèi)能耗得到大幅降低；通過設(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化，結(jié)合最新的綁扎技術(shù)，提高了載貨能力和載貨靈活性。該船艙蓋上裝箱數(shù)由9層提高至11層，總裝箱數(shù)由9 400箱提高至10 926箱；冷箱箱數(shù)由1 000箱增加至1 440箱；對(duì)上層建筑采用特殊設(shè)計(jì)，節(jié)省了建造成本。

“CMA CGM RODOLPHE”號(hào)的成功交付進(jìn)一步鞏固了MARIC在大型和超大型集裝箱船設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

Application of virtual synchronous generator based on fl exible parameters adjustment in ship independent electrical power system

PANG Yu1,2LIU Hong-da1DAI Cheng1
(1. School of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China)

Along with the global energy crisis and increasing environmental pollution, green/environmental protection has become the future direction of the ship development. The application of the new energy on the ship platform has been investigated by the worldwide researchers to achieve energy saving and emission reduction. Owing to the introduction of the new energy into the marine electric power system, problems caused by the increase of brittle sources and the decrease of system inertia are investigated in this paper, such as more unstable system, poor anti-interference ability and coordination allocation of the power among a variety of distributed generators. A control strategy of the gridconnected inverter based on the principle of the virtual synchronous generator is proposed to the be applied in the multimode ship power station. It is similar as the synchronous generator, and can be characterized of large output impedance, great inertia and power distribution according to the droop characteristics, which are suitable for such independent electrical power system as the marine electrical power system, and the adaptive adjustment strategy of virtual inertia and damping coeff i cient is designed to make full use of the fl exible adjustability of the virtual inertia and the damped coeff i cient of VSG. The fl uctuations of frequency and power induced by the new energy generation equipment and the sudden load change can be effectively solved under the different operation conditions, and the simulation results verify the correctness and effectiveness of the proposed control strategy in new marine energy technology.

green ship; new marine energy; virtual synchronous generator; adaptive adjustment; marine independent electrical power system

U665.1

A

1001-9855（2017）03-0061-11

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.061

2016-11-08；

2017-01-04

龐 宇（1990-），男，碩士。研究方向：新能源發(fā)電、船舶電力系統(tǒng)、虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。

劉宏達(dá)（1976-），男，博士，副教授。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。

戴 成（1993-），女，碩士。研究方向：新能源發(fā)電、虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)。