基于雙下垂控制的船舶直流組網(wǎng)儲能變流器控制方法

徐 戎，王 躍，潘高峰，洪學(xué)武，鄧建華，趙海斌

（1.招商局郵輪制造有限公司，江蘇 南通 226116；2.中車株洲所電氣技術(shù)與材料工程研究院，湖南 株洲 412001；3.上海中車漢格船舶與海洋工程有限公司，上海 200082）

0 引言

隨著電力電子功率器件技術(shù)、新能源發(fā)電以及儲能技術(shù)的日趨成熟，直流綜合電網(wǎng)（系統(tǒng)）的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)，船舶、海上平臺等直流組網(wǎng)已成為新一代船舶配電系統(tǒng)領(lǐng)域研究的熱點[1-2]。與交流組網(wǎng)系統(tǒng)相比，直流組網(wǎng)系統(tǒng)在節(jié)能、體積、重量和系統(tǒng)復(fù)雜性方面有明顯優(yōu)勢[3-4]。直流組網(wǎng)系統(tǒng)儲能雙向DC-DC變流器完成直流母線電壓匹配、蓄電池充放電管理以及電網(wǎng)能量調(diào)節(jié)等功能，其控制性能優(yōu)劣直接關(guān)系到船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)中多類型電源并聯(lián)運行優(yōu)化控制、動態(tài)能量協(xié)調(diào)控制以及多運行模式穩(wěn)定切換的成敗[5-8]。然而目前已有的控制方法，如主從控制、分布式控制等難以實現(xiàn)不同類型變流器聯(lián)合運行下能量分配/轉(zhuǎn)移的快速和精確控制，且不同變流器之間需要通信，這樣既增加了系統(tǒng)成本，又降低了系統(tǒng)可靠性。

本文首先介紹船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理以及儲能雙向DC-DC變流器基本功能；接著提出一種基于P-V和SOC-I的雙下垂控制策略，以實現(xiàn)DC-DC變流器模塊間及其與船載柴油發(fā)電機變流器間功率分配/轉(zhuǎn)移的精確控制；在DC-DC變流器對儲能電池組的充放電雙向運行控制中，通過采用多重化載波移相調(diào)制以減小輸出紋波；最后搭建仿真模型，驗證了該控制策略的正確性以及可行性。

1 船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 直流組網(wǎng)系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

某型號船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓撲如圖1所示，分為左舷直流組網(wǎng)和右舷直流組網(wǎng)2個子系統(tǒng)；每個直流組網(wǎng)子系統(tǒng)包括發(fā)電機整流器①、蓄電池儲能或太陽能板雙向DC-DC變流器②、日用負荷供電變流器③、主推進電機逆變器④及側(cè)推進電機逆變器⑤。

圖1 船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓撲Fig. 1 Main circuit topology of the onboard DC-grid system

子系統(tǒng)直流側(cè)以直流母線（左、右舷直流母線分別記為直流母線1和直流母線2）作為公共連接點，左、右舷直流母線可通過直流斷路器進行分、合，從而實現(xiàn)組網(wǎng)運行或單網(wǎng)獨立運行。日用負荷三相供電變流器將直流母線電壓轉(zhuǎn)換成幅值、頻率可控的交流電壓，通過變壓器連接三相380 V工頻交流母線給船舶日用負荷供電，左、右舷交流母線（分別記為交流母線1、交流母線2）通過交流斷路器進行分合，同樣可實現(xiàn)組網(wǎng)運行或獨立運行。此外，船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)可通過右舷直流母線與直流岸電并網(wǎng)或通過交流母線與交流岸電并網(wǎng)，從而實現(xiàn)船舶靠岸期間的電力不間斷供應(yīng)。

1.2 儲能雙向DC-DC變流器

為實現(xiàn)能量雙向流動以及儲能單元的合理充放電，儲能蓄電池通過雙向DC-DC變流器接入直流母線，該雙向DC-DC變流器主電路拓撲如圖2所示。圖中，Ubat和Udc分別為變流器低壓側(cè)和高壓側(cè)電壓，對應(yīng)儲能蓄電池端電壓和直流母線電壓；L為濾波電感；T1～T6為開關(guān)器件，D1～D6為反并聯(lián)續(xù)流二極管；ia,ib,ic分別為三相橋臂電流，以從儲能電池組流出方向為電流正方向。

圖2 船舶直流組網(wǎng)儲能雙向DC-DC變流器電路拓撲Fig. 2 Topology of energy storage bi-directional DC-DC converter in the onboard DC-grid system

雙向DC-DC變流器根據(jù)直流組網(wǎng)系統(tǒng)對儲能電池組充放電的需要，分別以Boost（放電）和Buck（充電）兩種工況控制能量按不同方向流動。當(dāng)變流器處于Boost工況時，T2, T4和T6作為主控開關(guān)，T1, T3和T5保持關(guān)斷狀態(tài)，能量由儲能電池流向直流母線，電池組處于放電狀態(tài)；當(dāng)變流器處于Buck工況時，T1, T3和T5作為主控開關(guān)，T2, T4和T6保持關(guān)斷狀態(tài)，能量由直流母線流向儲能電池，電池組處于充電狀態(tài)。

2 基于雙下垂控制的儲能雙向DC-DC變流器能量調(diào)度控制

2.1 充電控制

雙向DC-DC變流器充電工況采用如圖3所示電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制策略。為避免蓄電池過充或過流，采用分段式充電模式：充電前期采用恒流充電，電流參考指令設(shè)為恒定值iL*，電壓外環(huán)不工作；當(dāng)電池端電壓上升達到特定閾值，再采用恒壓充電，電壓控制外環(huán)投入工作，電壓參考指令設(shè)為恒定值u*bat，反饋蓄電池組端電壓進行閉環(huán)控制，電流參考指令由恒定值切換為電壓環(huán)輸出值（其中電壓外環(huán)輸出初始值定為iL*，以保證恒流充電與恒壓充電的平滑切換）。三相DC-DC模塊采用移相PWM調(diào)制降低輸出紋波。

圖3 DC-DC變流器分段式充電控制原理框圖Fig. 3 Block diagram of segmented charge control for DC-DC converter

在電流控制環(huán)中加入SOC-I下垂控制，以保證充電過程中各在線運行DC-DC變流器對應(yīng)儲能電池組SOC狀態(tài)的均衡。

2.2 放電控制

放電工況，協(xié)調(diào)控制DC-DC變流器與其他分布式電源的功率輸出，以穩(wěn)定直流母線電壓，保證直流組網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。根據(jù)分布式電源不同組合方式以及是否與岸上直流電源并網(wǎng)等，DC-DC變流器放電工況存在4種運行模式：

模式1——DC-DC變流器與柴油發(fā)電機變流器并聯(lián)運行帶負載；

模式2——左、右舷DC-DC變流器并聯(lián)運行帶負載；

模式3——DC-DC變流器單獨帶負載；

模式4——DC-DC變流器與岸上直流電網(wǎng)并網(wǎng)運行帶負載。

4種模式下DC-DC變流器能量調(diào)度的控制方式如表1所示。

表1 放電工況不同運行模式下DC-DC變流器控制方式Tab. 1 Control modes of DC-DC converter in different discharge operation modes

DC-DC變流器放電工況不同運行模式下的控制策略如圖4所示：模式1采用P-V下垂控制實現(xiàn)DC-DC變流器與柴油發(fā)電機變流器按容量比例分配功率輸出；模式2采用P-V下垂控制實現(xiàn)左、右舷DC-DC變流器的功率分配，采用SOC-I下垂控制實現(xiàn)左、右舷DC-DC變流器按儲能電池SOC容量比例分配功率輸出；模式3在DC-DC功率允許條件下采用恒定輸出電壓控制策略，保持直流母線穩(wěn)定；模式4是在并網(wǎng)前通過調(diào)節(jié)直流母線電壓與岸電電壓相同，從而實現(xiàn)與岸電平滑并網(wǎng)。

圖4 DC-DC變流器多模式放電控制原理框圖Fig. 4 Block diagram of multi-mode discharge control for DC-DC converter

2.2.1P-V下垂控制

模式1中，當(dāng)DC-DC變流器與柴油發(fā)電機變流器并聯(lián)運行帶負載時，采用P-V下垂控制實現(xiàn)兩種變流器按各自容量的比例分配功率輸出。

下垂曲線如圖5所示，其中G1和G2分別表示兩個并聯(lián)的變流器。各變流器的下垂控制曲線方程如式(1)所示。

式中：下標i——并聯(lián)變流器的編號，i=1, 2；mi——Gi的下垂系數(shù)；Vi*——Gi輸出的直流電壓參考值；Vmax和Vmin——并聯(lián)變流器所允許的最大和最小工作電壓；Pmaxi——Gi所能輸出的最大功率；Pi——Gi穩(wěn)態(tài)工作時所輸出的功率。

圖5 下垂曲線設(shè)置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of droop curve setting

DC-DC變流器向直流母線輸出有功功率P0的計算如式(2)所示。將P0經(jīng)過低通濾波后的數(shù)值Pi代入式(1)，可計算輸出直流電壓參考值Vi*。

2.2.2SOC-I下垂控制

模式2中，當(dāng)左、右舷DC-DC變流器并聯(lián)帶載運行時，在保留兩個DC-DC變流器電壓環(huán)P-V下垂控制的基礎(chǔ)上，在電流環(huán)中引入SOC-I下垂控制，以保證放電過程中在線運行DC-DC變流器對應(yīng)儲能電池組SOC狀態(tài)的均衡。SOC-I下垂控制的基本原理是將各儲能電池組SOCi與全部在線運行電池組SOC平均值的差值經(jīng)比例環(huán)節(jié)（比例系數(shù)為n）后疊加到電流指令中，從而改變儲能電池組的充放電電流大小，實現(xiàn)SOC狀態(tài)的均衡控制。

由式(3)可見，當(dāng)兩個儲能電池組SOC狀態(tài)不均衡時，ΔIi不為零，這將引起兩個DC-DC變流器對應(yīng)儲能電池組充放電功率的差異，使兩個儲能電池組的SOC不均衡逐漸減小，直至平衡。

2.2.3 與直流岸電并網(wǎng)預(yù)同步環(huán)節(jié)

在儲能雙向DC-DC變流器接收到與直流岸電并網(wǎng)指令時，其直流母線電壓值與直流岸電電壓之間可能存在一定的偏差。如果對其直流母線電壓不加以控制，則DC-DC儲能變流器并入直流岸電后會產(chǎn)生較大的電流沖擊，甚至導(dǎo)致并網(wǎng)切換失敗。預(yù)同步環(huán)節(jié)用于控制DC-DC儲能變流器的直流母線電壓跟蹤直流岸電電壓，以降低并網(wǎng)切換過程中的沖擊電流，實現(xiàn)無縫切換。直流母線電壓預(yù)同步控制原理如式(4)所示。

式中：ΔUsyn——疊加在U0上的直流母線電壓同步信號；kdc——直流母線電壓的積分系數(shù)；Ushore——直流岸電電壓。

預(yù)同步控制框圖如圖4所示，將開關(guān)S切換至模式4的狀態(tài)則啟動預(yù)同步控制；否則，退出預(yù)同步控制，并復(fù)位直流母線同步積分控制器。

3 仿真驗證

為驗證本文所研究儲能雙向DC-DC變流器能量調(diào)度控制方法的正確性及有效性，搭建如圖2所示雙向DC-DC變流器的仿真模型，其主要參數(shù)見表2。

表2 儲能雙向DC-DC變流器主要參數(shù)Tab. 2 Key parameters of the energy storage bi-directional DC-DC converter

3.1 充電工況

DC-DC變流器充電工況仿真波形如圖6所示：當(dāng)t＜0.1 s時，DC-DC變流器并未啟動；在t=0.1 s時刻，DC-DC變流器投入運行，先進行恒流充電，單相充電電流約500 A，儲能電池端電壓基本呈線性上升；當(dāng)儲能電池端電壓達到設(shè)定閾值（480 V）時，切換至恒壓充電，充電電流逐漸減小，直至充電結(jié)束。

由圖6(c)可見，三相直流電流紋波均勻錯相，開關(guān)頻率次紋波相互抵消，降低了總電流諧波畸變率。

3.2 放電工況

DC-DC變流器放電工況仿真波形如圖7所示：同樣，當(dāng)t＜0.1 s時，DC-DC變流器并不啟動；在t=0.1 s時刻，DC-DC變流器投入運行，直流母線電壓逐漸升高，直至額定工作電壓1 050 V。

圖6 儲能雙向DC-DC充電工況仿真波形Fig. 6 Simulation waveforms of the energy storage bi-directional DC-DC converter in the period of charge operation

圖7 DC-DC變流器放電工況仿真波形Fig. 7 Simulation waveforms of the energy storage bi-directional DC-DC converter in discharge operation period

仿真時，設(shè)定左、右舷儲能電池SOC初始狀態(tài)不同，此時SOC-I下垂控制發(fā)揮作用，在穩(wěn)定直流母線電壓的前提下，根據(jù)SOC狀態(tài)調(diào)節(jié)左、右舷DC-DC變流器輸出功率，使左、右舷儲能電池SOC狀態(tài)逐漸趨于平衡，從而使左、右舷DC-DC變流器最終輸出功率基本均衡。

4 結(jié)語

本文提出一種基于電壓環(huán)P-V、電流環(huán)SOC-I雙下垂控制的船舶直流組網(wǎng)儲能變流器控制策略，它能實現(xiàn)DC-DC變流器模塊間、DC-DC變流器與船載柴油發(fā)電機變流器間的功率分配/轉(zhuǎn)移，以及DC-DC變流器與岸上直流供電網(wǎng)的平滑并/離網(wǎng)控制。文中給出了不同功率等級變流器并聯(lián)運行下垂曲線的設(shè)置方法，并通過仿真驗證了DC-DC變流器對儲能電池組的充-放電雙向運行控制的可行性以及SOC-I下垂控制的有效性。由于內(nèi)外雙下垂控制方法具有普遍適用性，該控制策略可推廣應(yīng)用至微電網(wǎng)等領(lǐng)域的多變流器協(xié)同控制。