基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的岸電并網(wǎng)控制

王含瑜

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306）

0 引言

近些年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也順勢推動了航運(yùn)業(yè)的迅猛發(fā)展。但同時，為船舶提供動力的船用發(fā)電機(jī)也成為了海上運(yùn)輸行業(yè)絕大部分的污染物的來源。為了應(yīng)對氣候變暖這個問題的嚴(yán)峻考驗(yàn)，2018年4月，國際海事組織對航運(yùn)業(yè)溫室氣體減排任務(wù)做出了初步的部署，提出了到2050年時溫室氣體的年度總排放量與2008年相較減少50%以上[1]，并逐步實(shí)現(xiàn)碳排放為零的戰(zhàn)略目標(biāo)。

隨著航運(yùn)業(yè)的環(huán)保發(fā)展戰(zhàn)略不斷貫徹深入，一些港口城市的空氣質(zhì)量問題也是社會廣泛關(guān)注的話題。由于船舶在靠岸期間需要開動船上的輔助發(fā)電機(jī)發(fā)電以滿足船用電氣設(shè)備的用電需求，因此會產(chǎn)生大量有害氣體的排放，污染港口城市的空氣質(zhì)量。根據(jù)近些年來已知的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在靠港期間由船舶發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的碳排放量在港口總排碳量的占比達(dá)到了40%～70%[2]。出于環(huán)保的角度考慮，船舶在靠港停泊期間使用岸電供電，將預(yù)計(jì)能夠減少高達(dá)98%的船舶靠港時溫室氣體的排放。

1 船舶岸電并網(wǎng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

船舶岸電技術(shù)又稱為岸上連接或船舶電力替代系統(tǒng)等，是指靠港船舶接入岸電系統(tǒng)，由陸上的岸電為船舶提供?？吭诟蹠r的生產(chǎn)作業(yè)用電，而減少由于其發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的污染的一種港區(qū)空氣環(huán)境治理方式。在岸電系統(tǒng)構(gòu)成方面，盡管幾乎每一個岸電方案都互不相同，但其具體的組成結(jié)構(gòu)一般都分為以下3個部分：岸上的供電系統(tǒng)，電纜的連接設(shè)備和船舶的受電系統(tǒng)[3]。具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 船舶岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

船舶岸電系統(tǒng)中最重要的組成部分就是岸電變流器，岸電變流器從本質(zhì)上講就是一個大型的變頻變壓器。由于全球各國采用的岸電電源和各個船舶采用的電源頻率為50 Hz或60 Hz不確定性；同時，船舶也有高壓船舶和低壓船舶。這就使得岸電系統(tǒng)需要具備變頻變壓的功能，以滿足不同靠港船舶的需求[4]。圖2為船舶岸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

圖2 船舶岸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

岸電電源發(fā)出的三相交流電經(jīng)整流器整流成直流電輸入到逆變器中，直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)槿嘟涣麟姡蠼?jīng)過LC 濾波器的作用形成符合要求的三相正弦交流電給不同種類的船舶供電。

2 虛擬同步機(jī)技術(shù)控制方案

虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)（Virtual Synchronous Generator Technology，VSG）相較于傳統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略的優(yōu)越性就是可以使岸電電源具備旋轉(zhuǎn)慣性和阻尼特性[4]。這兩種運(yùn)行特性在同步發(fā)電機(jī)中是真實(shí)存在的，因此虛擬同步機(jī)控制控制策略在提高岸電系統(tǒng)穩(wěn)定性上有較好的控制效果。

本文重點(diǎn)研究岸電系統(tǒng)逆變器的控制策略。圖3為基于VSG的岸電逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制框圖。

圖3 基于VSG 的岸電逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制框圖

3 基于頻率與電壓的并網(wǎng)優(yōu)化控制策略

3.1 功頻調(diào)節(jié)器模塊

功頻調(diào)節(jié)器的數(shù)學(xué)模型包括原動機(jī)調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動方程兩部分，此為發(fā)電機(jī)的機(jī)械部分[5]，具體關(guān)系見式（1）

式中：Pm為機(jī)械功率；Pref為給定電磁功率；Kω為角頻率調(diào)差系數(shù)；ω為實(shí)際轉(zhuǎn)子角頻率；ωn為額定轉(zhuǎn)子角頻率；Tm為機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；Pm為機(jī)械功率；Pe為電磁功率；D為阻尼系數(shù)；J為轉(zhuǎn)動慣量；δ為功角。其中，電磁功率Pe即為岸電逆變器的輸出功率P。

結(jié)合上述數(shù)學(xué)模型分析，所設(shè)計(jì)的功頻調(diào)節(jié)器的控制框圖如圖4所示。

圖4 功頻調(diào)節(jié)器控制框圖

3.2 勵磁調(diào)節(jié)器模塊

同步發(fā)電機(jī)另一個重要的組成部分是勵磁系統(tǒng)，它也能直接地影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。在正常的運(yùn)行工況下，勵磁系統(tǒng)的存在能維持發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓在給定水平，當(dāng)岸電和船舶輔機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時，應(yīng)通過勵磁系統(tǒng)穩(wěn)定地分配機(jī)組的無功功率。將對無功-電壓控制的勵磁調(diào)節(jié)器也引入到岸電系統(tǒng)的控制中來，得到相關(guān)的表達(dá)式。

式中：Uref為機(jī)端電壓幅值參考值；UN為設(shè)定的系統(tǒng)額定電壓幅值；n為無功電壓下垂系數(shù)；Qref為無功功率參考值；Q為輸出無功功率。

所設(shè)計(jì)的勵磁控制器的控制框圖如圖5所示。

圖5 勵磁調(diào)節(jié)器控制框圖

其中，Um為經(jīng)計(jì)算得到的實(shí)際并網(wǎng)電壓幅值，Ed為勵磁電動勢幅值。

總之，通過將功頻調(diào)節(jié)器以及勵磁調(diào)節(jié)器引入到岸電并網(wǎng)逆變器的閉環(huán)控制策略中，最終使得逆變器有了和同步發(fā)電機(jī)相似的運(yùn)行特性，從而可以將其等效成一臺虛擬同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行分析和控制。

4 預(yù)同步控制

對岸電與船舶進(jìn)行并網(wǎng)操作時要確保兩者的電壓幅值、相位和頻率保持一致，否則會使得岸電與船舶發(fā)電機(jī)在切換的瞬間產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而可能導(dǎo)致并網(wǎng)失敗。因此需要在控制策略中再進(jìn)行改進(jìn)，在進(jìn)行并網(wǎng)操作前先加入預(yù)同步控制，從而保證二者能夠更加平滑地并網(wǎng)。

岸電電源與船舶電網(wǎng)之間的并網(wǎng)根據(jù)基準(zhǔn)的不同分為2種方法[6]：一是以船舶電網(wǎng)為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)岸電電源的相位、頻率和電壓；另一種則基準(zhǔn)取為岸電電源側(cè)，對船舶電網(wǎng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)與之匹配。本文設(shè)計(jì)的岸電電源與船舶電網(wǎng)的并網(wǎng)方式采用以船舶電網(wǎng)為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)岸側(cè)電源輸出與船側(cè)電網(wǎng)一致來達(dá)到并網(wǎng)要求。采用這種并網(wǎng)方式的原因是由于當(dāng)前變頻電源的容量所限，碼頭供電方式往往采用一對一的供電方式，這種并網(wǎng)方式不僅可以提高并網(wǎng)速度和準(zhǔn)確性，便于系統(tǒng)的控制，也可以降低對船舶設(shè)備的要求，極大地提高了岸電碼頭的可連接的船舶種類[7]。預(yù)同步控制的控制框圖如圖6所示。

圖6 預(yù)同步控制框圖

岸電系統(tǒng)不斷追蹤船舶電網(wǎng)相位，控制系統(tǒng)實(shí)時檢測岸電電源與船舶電網(wǎng)的頻率差和相位差。當(dāng)其均滿足并車條件時，啟動并車信號，閉合并車開關(guān)，實(shí)現(xiàn)并車運(yùn)行。

5 仿真與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證岸電與船舶并網(wǎng)時虛擬同步機(jī)技術(shù)的優(yōu)越性，根據(jù)上述控制方法搭建了Simulink 仿真模型。

靠港船舶與港口岸電電源之間的連接操作分為2個部分：一是當(dāng)船舶開始靠港時，船舶需要連接港口岸電電源給自身負(fù)載供電；二是當(dāng)船舶離港時，靠港船舶需要斷開與岸電電源的連接，繼續(xù)使用船舶自身的發(fā)電機(jī)電力給用電設(shè)備供電[8]。本節(jié)主要對船舶靠港和離港時與岸電并離網(wǎng)時負(fù)荷轉(zhuǎn)移過程進(jìn)行仿真研究分析，并驗(yàn)證了虛擬同步機(jī)策略在船舶岸電并網(wǎng)時的可行性。

當(dāng)船舶靠港連接岸電后，經(jīng)過預(yù)同步控制調(diào)節(jié)岸電逆變器所產(chǎn)生的電壓頻率、幅值和相位，使其與船舶電網(wǎng)保持一致，當(dāng)岸電與船電并網(wǎng)運(yùn)行后，停止船用柴油發(fā)電機(jī)；當(dāng)船舶離港時，開啟船用柴油發(fā)電機(jī)，當(dāng)船上發(fā)電系統(tǒng)與岸電的電壓、頻率和相位一致時，再次使其與岸電并網(wǎng)，然后斷開岸電電源。

首先驗(yàn)證預(yù)同步控制的可行性。圖7為岸電系統(tǒng)與船舶電網(wǎng)的線電壓。由圖7可知：岸電系統(tǒng)和船舶電網(wǎng)的初相位并不一致，經(jīng)過預(yù)同步控制的調(diào)節(jié)作用，岸電電源不斷追蹤船舶電網(wǎng)的相位，在大約0.082 s時基本達(dá)到了兩者相位、電壓幅值和頻率的統(tǒng)一，在達(dá)到理想的并網(wǎng)操作條件時再進(jìn)行并網(wǎng)[9]，使岸電與船舶并網(wǎng)時的沖擊電流最小，使得兩者能夠平滑過渡。

圖7 預(yù)同步控制仿真波形

在進(jìn)行岸電并網(wǎng)操作前，岸電系統(tǒng)沒有接入，其輸出電流為0。在船舶靠港時，首先操作預(yù)同步，假設(shè)岸電系統(tǒng)在0.5 s時并網(wǎng)操作已確保完成，然后開始操作負(fù)荷轉(zhuǎn)移。

圖8 岸電并網(wǎng)時船舶電流和岸電電流波形圖

以有功功率為例分析，當(dāng)船舶在進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移時，從圖8a)可以看出在虛擬同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的作用下，船舶發(fā)電機(jī)輸出的有功功率從0.5 s起逐漸減小，相應(yīng)地岸電電源輸出的有功功率逐漸增大，而總負(fù)荷在轉(zhuǎn)移過程中始終保持不變。t＝1 s時表示船岸電系統(tǒng)已轉(zhuǎn)移了一半的負(fù)載，此時由圖可知船舶電網(wǎng)和岸電電源均分負(fù)載，分別為100 kW。t＝1 s之后，岸電電源所發(fā)功率繼續(xù)逐漸增大，船舶電網(wǎng)的輸出功率逐漸減小。由圖8b)可知，大約1.5 s時船舶電流已減小至接近0，同時，船舶發(fā)電機(jī)的輸出功率也減小到至接近于0。說明當(dāng)t＝1.5 s已基本由岸電電源給船舶負(fù)載供電時，岸電電源與船舶電網(wǎng)已完成了負(fù)載轉(zhuǎn)移，此時可將船舶發(fā)動機(jī)關(guān)閉，岸電電源并網(wǎng)過程完成。在這過程中需要注意的是當(dāng)確保負(fù)載能夠安全轉(zhuǎn)移的前提下，岸電與船電短時并聯(lián)運(yùn)行的時間應(yīng)控制的盡可能短。當(dāng)船電與岸電并聯(lián)時，不停止船上的發(fā)電機(jī)。當(dāng)確保并網(wǎng)操作完成時，操作負(fù)荷轉(zhuǎn)移，此時將由岸電電源承擔(dān)為船舶負(fù)載供電的任務(wù)，負(fù)荷轉(zhuǎn)移操作完成后，當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)的輸出功率減小到預(yù)定值[10]，使船上的發(fā)電機(jī)并聯(lián)開關(guān)斷開，只使用岸上的電源，這個過程實(shí)現(xiàn)了岸電的電能替代。

圖9 岸電離網(wǎng)時船舶電流和岸電電流波形圖

當(dāng)船舶離港時，進(jìn)行做相反的船舶離網(wǎng)的操作。同樣在虛擬同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的作用下，岸電電源輸出的有功功率從0.5 s起逐漸減小，相應(yīng)地船舶電網(wǎng)輸出的有功功率逐漸增大，而總負(fù)荷在轉(zhuǎn)移過程中始終保持不變。當(dāng)1.5 s時，已基本實(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)為船舶電網(wǎng)單獨(dú)供電，岸電離網(wǎng)操作完成，岸電已退出連接。

搭建的船舶岸電的并離網(wǎng)仿真模型驗(yàn)證了虛擬同步機(jī)控制策略的可行性，解決了逆變器動態(tài)響應(yīng)過快的問題，使得岸電與船舶之間能夠更加平滑并網(wǎng)。

6 結(jié)論

本文的主要研究對象為船舶岸電系統(tǒng)，提出了一種基于虛擬同步機(jī)技術(shù)的船舶岸電并網(wǎng)控制策略。對傳統(tǒng)的并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，在這基礎(chǔ)上使得岸電逆變器具備了同步發(fā)電機(jī)的外特性。通過在M atalb/Simulink平臺上對岸電系統(tǒng)的建模仿真，實(shí)現(xiàn)了岸電電源的并網(wǎng)控制和船舶的負(fù)載轉(zhuǎn)移，使得靠港船舶實(shí)現(xiàn)從船電到岸電的無縫切換，同時虛擬同步機(jī)的控制策略減小了并網(wǎng)時的沖擊電流和并網(wǎng)失敗的可能，實(shí)現(xiàn)了靠港船舶岸電的電能替代，對港口節(jié)能減排的目標(biāo)有極大的貢獻(xiàn)。