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    基于狀態(tài)反饋的船舶供電變流器柔性并/離網(wǎng)控制策略研究

    2021-07-22 12:30:18周振邦胡景瑜
    控制與信息技術(shù) 2021年3期
    關(guān)鍵詞:日用變流器幅值

    吳 奕,王 躍,周振邦,彭 赟,胡景瑜

    (中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司,湖南 株洲 412001)

    0 引言

    隨著電力電子以及數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展,新能源或者混合動力推進(jìn)船舶的日用負(fù)載設(shè)備,如散熱風(fēng)機(jī)、水泵、照明負(fù)載、空調(diào)、廚房電器、娛樂電器等,越來越多地采用基于有源開關(guān)器件的變流器進(jìn)行供電[1]。新能源船舶在航行階段通過柴油發(fā)電機(jī)或動力電池經(jīng)供電變流器為船載負(fù)荷供電;但在船舶停泊階段,為降低噪聲和減少污染,柴油發(fā)電機(jī)會停止工作,需要由岸上交流電網(wǎng)直接為船載負(fù)荷供電(因動力電池續(xù)航時間有限)。因此,船舶供電變流器與岸電并/離網(wǎng)的柔性切換和功率轉(zhuǎn)移等控制性能將直接影響船舶系統(tǒng)供電的連續(xù)性和可靠性[2]。

    目前,針對變流器在線并/離網(wǎng)柔性切換、功率轉(zhuǎn)移控制的研究和應(yīng)用主要集中在UPS、微電網(wǎng)以及新能源發(fā)電并網(wǎng)等領(lǐng)域[3-4]。文獻(xiàn)[5-7]基于虛擬同步機(jī)原理進(jìn)行并網(wǎng)控制,但由于變流器容量與電網(wǎng)供電容量有較大差異,功率轉(zhuǎn)移控制精確度欠佳。文獻(xiàn)[8]給出一種儲能逆變器和發(fā)電機(jī)間無縫切換的控制方法,但其需要為本地控制器增加上層控制單元,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。文獻(xiàn)[9-10]采用的控制方式需要預(yù)估調(diào)節(jié)器的輸出狀態(tài)或假設(shè)電流參考在控制模式切換前后保持不變,以避免切換過程中調(diào)節(jié)器超調(diào)和電流出現(xiàn)大幅振蕩現(xiàn)象,因而其無法適應(yīng)切換過程中存在的負(fù)載突變工況。

    針對船舶直流組網(wǎng)電力推進(jìn)系統(tǒng)中供電變流器在與岸電并/離網(wǎng)柔性切換和功率可控轉(zhuǎn)移中存在的困難,本文提出一種根據(jù)并/離網(wǎng)狀態(tài)反饋分別進(jìn)行電壓控制、電流給定模式切換控制的方法。其在離網(wǎng)模式下,采用輸出電壓閉環(huán)控制保證輸出電壓快速響應(yīng);在并網(wǎng)模式下,采用電流給定跟蹤控制實現(xiàn)供電變流器與電網(wǎng)交互功率的可控轉(zhuǎn)移。最后,在某型混合動力船舶供電變流器上進(jìn)行仿真試驗,結(jié)果證明了本文所提柔性并/離網(wǎng)控制方法的正確性和有效性。

    1 船舶直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)

    1.1 直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

    本文所用某型號混合動力船舶直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示,該系統(tǒng)包括柴油發(fā)電機(jī)整流器(標(biāo)號①)以及蓄電池儲能DC-DC變流器(標(biāo)號②)、日用負(fù)載供電變流器(標(biāo)號③)、推進(jìn)電機(jī)逆變器(標(biāo)號④)等不同類型變流器。各變流器直流側(cè)以直流母線(DC-Bus)作為公共連接點,發(fā)電機(jī)整流器和DC-DC變流器可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求實現(xiàn)單獨柴油發(fā)電機(jī)供電、純電池供電、岸電供電以及混合動力供電。

    圖1 混合動力船舶直流組網(wǎng)變流系統(tǒng)拓?fù)銯ig. 1 Topology of DC-grid converter system for hybrid electric ship

    1.2 日用負(fù)載供電變流器拓?fù)?/h3>

    日用負(fù)載供電變流器主電路拓?fù)淙鐖D2所示,包括三相橋式逆變器、濾波電感、濾波電容以及隔離變壓器。日用負(fù)載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,通過隔離變壓器輸出三相380 V工頻交流電給船舶日用負(fù)荷供電,通過隔離開關(guān)K實現(xiàn)與三相交流母線(AC-Bus)的連接與分?jǐn)唷?/p>

    圖2 船舶日用負(fù)載供電變流器拓?fù)銯ig. 2 Topology of power supply converter for ship load

    此外,供電變流系統(tǒng)可通過三相接線器(并網(wǎng)斷路器BK)與岸電交流電網(wǎng)并網(wǎng),結(jié)合供電變流器并/離網(wǎng)控制策略,實現(xiàn)船舶靠岸期間日用負(fù)載在變流器供電和岸電電網(wǎng)供電之間的柔性切換以及不間斷供電。

    2 供電變流器柔性并/離網(wǎng)控制

    船舶日用負(fù)載供電變流器正常運行包括3種工作模式:離網(wǎng)模式、預(yù)同步模式以及并網(wǎng)模式。適用于不同工作模式下的整體控制策略原理如圖3(a)所示,其采用dq同步坐標(biāo)系下電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。其中va,vb,vc為abc三相靜止坐標(biāo)系下供電變流器輸出三相電壓;Vd,Vq分別為輸出電壓在dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸分量(經(jīng)坐標(biāo)變換后得到,下同);ia,ib,ic為abc三相靜止坐標(biāo)系下供電變流器輸出三相電流,Id,Iq分別為供電變流器輸出電流在dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸分量;VGd,VGq分別為岸電電網(wǎng)電壓在dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸分量;θG,fG分別為經(jīng)數(shù)字鎖相得到的岸電電壓相位及頻率;θ*C,f0分別為供電變流器離網(wǎng)運行時的電壓相位及頻率給定值;Ts為數(shù)字控制周期;θ*Ctrl為用于數(shù)字控制、坐標(biāo)變換的實際相位角度;Vdref,Vqref分別為供電變流器在dq同步坐標(biāo)系下輸出電壓參考指令的d軸、q軸分量,Vderr,Vqerr為其相應(yīng)的誤差;Idref,Iqref分別為供電變流器在dq同步坐標(biāo)系下電流參考指令的d軸、q軸分量,Iderr,Iqerr為其相應(yīng)的誤差;ILd,ILq分別為負(fù)載電流在dq同步坐標(biāo)系下的d軸、q軸分量。Flag為并/離網(wǎng)狀態(tài)信號,開關(guān)K和BK均閉合時為并網(wǎng)狀態(tài),F(xiàn)lag置1;否則為離網(wǎng)狀態(tài),F(xiàn)lag置0。ud,uq分別為dq同步坐標(biāo)系下d軸、q軸雙閉環(huán)控制的輸出結(jié)果,其經(jīng)電壓前饋后得到d軸、q軸的控制量u*d,u*q,再經(jīng)坐標(biāo)變換得到αβ兩相靜止坐標(biāo)系下α軸、β軸的控制量u*α,u*β。u*α和u*β被送入SVPWM環(huán)節(jié),得到供電變流器的PWM驅(qū)動脈沖,以控制供電變流器按照期望目標(biāo)運行。

    圖3(b)中,左圖所示用于生成圖3(a)中的有功電壓參考幅值Vdref,右圖策略用于生成圖3(a)中dq變換的鎖相角θ*ctr1。

    圖3(c)中的有功、無功電流參考值用于圖3(a)中功率轉(zhuǎn)移環(huán)節(jié)的有功、無功電流給定。

    2.1 離網(wǎng)控制

    離網(wǎng)模式下供電變流器為日用負(fù)載提供三相交流電壓,其中E和f0分別為供電變流器輸出交流母線電壓的額定幅值和頻率,電壓相位通過對固定頻率的積分得到,見式(1)。離網(wǎng)模式下供電變流器采用恒壓恒頻(constant voltage and constant frequency,CVCF)控制,其原理見圖3(b)。

    2.2 預(yù)同步控制

    預(yù)同步模式是指在并網(wǎng)前調(diào)節(jié)供電變流器的輸出電壓使之與岸電電網(wǎng)電壓同步,包括幅值同步和相位同步,以避免并網(wǎng)瞬間的電壓沖擊。預(yù)同步模式分為船舶靠岸和船舶離岸兩種情況。

    (1)船舶靠岸。此時供電變流器處于正常運行狀態(tài),但其輸出電壓幅值、相位與岸電電網(wǎng)的幅值、相位均可能存在差異。預(yù)同步就是使供電變流器輸出電壓(包括幅值和相位)與岸電電壓逐漸逼近直至相同的過程,對應(yīng)圖3(b)、圖3(c)中模式II-1。以電壓幅值的逼近為例(電壓相位的逼近方法與電壓幅值逼近類似,不再敘述)說明其執(zhí)行過程,電壓幅值逼近的控制原理為

    圖3 船舶日用負(fù)荷供電變流器控制策略原理框圖Fig. 3 Block diagram of the control strategy for ship power supply converter

    式中:ΔEsyn——疊加在E上的電壓幅值同步信號;kE——電壓幅值逼近的積分系數(shù);s——積分算子。

    (2)船舶離岸。船舶離岸前,供電變流器處于停機(jī)狀態(tài),此時的預(yù)同步是指供電變流器啟動,交流母線電壓幅值從零漸增至與岸電電壓幅值相同(也稱零起升壓,對應(yīng)圖3(b)、圖3(c)中模式II-2),電壓相位則直接與岸電電壓相位保持同步。

    2.3 柔性并/離網(wǎng)控制

    船舶日用負(fù)載供電變流器在離網(wǎng)模式和并網(wǎng)模式間的切換需要做到無電壓/電流沖擊的柔性切換(也稱無縫切換),以避免對元器件的損傷。供電變流器與岸電電網(wǎng)的柔性切換包括船舶靠岸時“帶載并網(wǎng)—卸載—離網(wǎng)—停機(jī)”以及船舶離岸時“零起升壓—空載并網(wǎng)—加載—離網(wǎng)帶載”兩種工況。

    2.3.1 靠岸離/并網(wǎng)控制

    船舶靠岸時供電變流器先處于帶載運行狀態(tài),即輸出開關(guān)K為閉合狀態(tài),并網(wǎng)開關(guān)BK為斷開狀態(tài),如圖3(a)所示;經(jīng)過同步控制后,其輸出電壓與岸電電網(wǎng)電壓同步,具備無沖擊并網(wǎng)條件,此時閉合并網(wǎng)開關(guān)BK,完成與岸電并網(wǎng)。

    并網(wǎng)瞬間,F(xiàn)lag置1,電流指令由電壓閉環(huán)控制電路計算值切換為給定電流值;鎖定并網(wǎng)前輸出電流并將其作為并網(wǎng)后給定電流指令初始值(Id_BK,Iq_BK),然后將有功電流指令漸變到零、無功電流指令漸變到濾波電容電流值(IC),即完成卸載(負(fù)載電流基本由岸電電網(wǎng)提供),具備無沖擊離網(wǎng)條件。

    之后,斷開開關(guān)K,完成供電變流器與岸電電網(wǎng)分離。離網(wǎng)瞬間,F(xiàn)lag置0,電流指令由給定值(Idref=0,Iqref=IC)切換為電壓閉環(huán)控制計算值(d軸、q軸電壓環(huán)PI積分值分別初始化為0和IC)。供電變流器停機(jī),完成船舶靠岸“帶載并網(wǎng)—卸載—離網(wǎng)—停機(jī)”的全過程。

    2.3.2 離岸并/離網(wǎng)控制

    船舶離岸時,供電變流器先處于停機(jī)狀態(tài)(輸出開關(guān)K斷開、并網(wǎng)開關(guān)BK閉合),經(jīng)過零起升壓后,其電壓與岸電電網(wǎng)電壓同步,供電變流器處于空載狀態(tài),具備無沖擊并網(wǎng)條件,此后閉合開關(guān)K,即完成與岸電并網(wǎng)。

    并網(wǎng)瞬間Flag置1,電流指令由電壓閉環(huán)控制計算值切換為給定電流值,鎖定并網(wǎng)前輸出電流作為并網(wǎng)后給定電流指令初始值(Id_BK,Iq_BK),此后將有功電流指令漸變到負(fù)載有功電流(ILd)、無功電流指令漸變到濾波電容電流值和負(fù)載無功電流之和(相量和)。至此,完成加載(負(fù)載電流基本由供電變流器提供),具備無沖擊離網(wǎng)條件。

    此后,斷開并網(wǎng)開關(guān)BK,完成供電變流器與岸電電網(wǎng)離網(wǎng)。離網(wǎng)瞬間Flag置0,電流指令由給定值(Idref=ILd,Iqref=IC+ILq)切換為電壓閉環(huán)控制計算值(d軸、q軸電壓環(huán)PI積分值分別初始化為ILq和IC+ILq)。至此,完成船舶離岸時“零起升壓—空載并網(wǎng)—加載—離網(wǎng)帶載”的全過程。

    3 仿真驗證

    基于某型混合動力推進(jìn)船舶供電變流器平臺對本文所設(shè)計控制策略進(jìn)行仿真驗證,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,其主要參數(shù)如表1所示。采用10 kV配電網(wǎng)經(jīng)降壓變壓器后的三相400 V電網(wǎng)模擬岸電交流電網(wǎng),交流母線負(fù)載為三相阻感負(fù)載。

    圖4 船舶供電變流器測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of the experimental test system for ship power supply converter

    表1 船舶供電變流器系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Tab. 1 Key parameters of the ship power supply converter system

    3.1 離網(wǎng)運行

    離網(wǎng)運行時,供電變流器應(yīng)為日用負(fù)載提供穩(wěn)定可靠的三相交流電壓。供電變流器離網(wǎng)運行時,在穩(wěn)態(tài)工況下隔離變壓器后端交流母線電壓波形如圖5所示。諧波分析結(jié)果顯示,其輸出電壓總諧波畸變率(THD)小于1.5%,其中5次、7次諧波的含量分別小于0.5%和0.8%,50次附近諧波的含量均小于0.2%,表明該系統(tǒng)離網(wǎng)運行效果良好。

    圖5 供電變流器交流母線電壓及其諧波頻譜Fig. 5 Output voltage of power supply converter and its harmonic spectrum

    3.2 與岸電電壓預(yù)同步

    圖6給出了供電變流器輸出電壓與岸電交流電網(wǎng)電壓預(yù)同步的仿真結(jié)果,其中vab為供電變流器隔離變壓器后端交流母線線電壓,vab_grid為交流岸電電網(wǎng)AB相間線電壓,Δvab為vab與vab_grid之差,θbus和θgrid分別為交流母線、岸電電網(wǎng)A相電壓相位。預(yù)同步過程中,交流母線電壓相位逐漸向岸電電壓相位靠近,Δvab逐漸減小,直至t0時刻完成同步(二者電壓相位一致、線電壓波形基本重合、Δvab近似為0)。整個過程耗時小于100 ms。

    圖6 供電變流器與岸電交流電網(wǎng)預(yù)同步仿真結(jié)果Fig. 6 Simulation results of power supply converter output voltage presynchronizing with onshore AC grid

    3.3 柔性并/離網(wǎng)

    圖7為供電變流器與岸電交流電網(wǎng)并/離網(wǎng)過程中各電流的仿真結(jié)果,圖中自上而下分別是供電變流器模塊輸出電流icon、變壓器二次側(cè)與電網(wǎng)連接點輸出電流ipcc、岸電電網(wǎng)電流igrid、供電變流器濾波電容電流ifil、負(fù)載電流iload。仿真過程中,負(fù)載電流基本穩(wěn)定,其電流不平衡度小于5%;其他電流,根據(jù)并/離網(wǎng)狀態(tài)以及切換過程呈平滑變化態(tài)勢。

    圖7 供電變流器與岸電交流電網(wǎng)柔性并/離網(wǎng)過程中各電流波形Fig. 7 Current waveforms in period of grid-connected/islanded seamless transfer between power supply converter and shore AC grid

    岸電電壓、供電變流器輸出電壓/電流波形及其展開結(jié)果如圖8所示。并/離網(wǎng)全過程供電變流器輸出電壓無明顯波動或振蕩,輸出電流平滑變化,驗證了所研究方法的正確性和可行性。

    圖8(b)表示圖8(a)中的并網(wǎng)加載過程,圖8(c)表示圖8(a)中的離網(wǎng)空載過程,可以看出,各個過程的切換平穩(wěn)正常。

    圖8 供電變流器與岸電交流電網(wǎng)柔性并/離網(wǎng)仿真結(jié)果Fig. 8 Simulation results of grid-connected/ islanded seamless transfer between power supply converter and shore AC grid

    4 結(jié)語

    針對大容量船舶日用負(fù)載供電變流器,本文提出一種供電變流器與岸電電網(wǎng)并/離網(wǎng)的柔性切換控制方法。其根據(jù)并/離網(wǎng)狀態(tài)反饋分別進(jìn)行電壓控制、電流給定的模式切換控制,離網(wǎng)模式下采用輸出電壓閉環(huán)控制,以保證輸出電壓快速響應(yīng);并網(wǎng)模式下采用電流給定跟蹤控制,以實現(xiàn)供電變流器與電網(wǎng)交互功率的可控轉(zhuǎn)移。

    仿真結(jié)果表明:船舶靠岸時,在供電變流器與岸電電網(wǎng)預(yù)同步過程中,該控制方法能夠較快地使兩個電壓達(dá)到一致;在柔性并/離網(wǎng)的過程中也能使供電變流器輸出電壓無明顯波動或振蕩,輸出電流平滑變化。由此驗證了所提控制方法的正確性和有效性。

    由于本文所提控制方法有較多的控制參數(shù)需要整定,會對系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度造成一定的影響,后續(xù)工程應(yīng)用時需對控制系統(tǒng)進(jìn)行精簡。

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