卜樂平 歐陽繼能 王黎明 劉小虎
(海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033)
艦船綜合電力系統(tǒng)是一個獨立運行的電網(wǎng)電力系統(tǒng),因艦船航行時任務(wù)不同,艦船電網(wǎng)負(fù)載在不同時間也會發(fā)生變化。當(dāng)艦船高速航行時,艦船電網(wǎng)需將大部分能量轉(zhuǎn)移至推進系統(tǒng),此時需降低低壓電網(wǎng)負(fù)載進行能量轉(zhuǎn)移,采用輔助發(fā)電機對低壓電網(wǎng)進行輔助供電。當(dāng)艦船正常航行時,中壓直流電源用于電力推進之余,還通過逆變器將電源轉(zhuǎn)化為工頻交流電用于對低壓設(shè)備進行供電,此時可將艦船輔助發(fā)電機關(guān)閉,以控制航行噪聲,優(yōu)化能量配置方式。艦船低壓電網(wǎng)的設(shè)備由于時間不同、任務(wù)不同,電網(wǎng)負(fù)載會產(chǎn)生較大變化,并且由于設(shè)備密集程度高,負(fù)載中含有一部分非線性負(fù)載,如何靈活有效地控制電網(wǎng)電源功能配電,是在保障低壓設(shè)備供電的前提下,實現(xiàn)最優(yōu)化配置是艦船低壓電網(wǎng)能量管理的重點和難點[1-2]。
通過逆變器將艦船電網(wǎng)的中壓直流電源轉(zhuǎn)化為工頻交流電源進行供能,此時逆變器采用電壓源控制。為提高艦船低壓電力系統(tǒng)的可靠性[3-4]以及帶負(fù)載能力,采用輔助發(fā)電機對低壓區(qū)域進行輔助供電。但是逆變器與輔助發(fā)電機在電壓與頻率控制方法、輸出阻抗特性、帶負(fù)載能力、抗干擾能力等方面存在較大差異,導(dǎo)致逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)控制較困難,且傳統(tǒng)的陸上逆變器并聯(lián)、并網(wǎng)控制策略難以解決。因此,有必要展開對艦船低壓電網(wǎng)中逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)控制策略的研究,為艦船綜合電力系統(tǒng)低壓電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)運行與控制提供技術(shù)基礎(chǔ)。
針對逆變器與發(fā)電機并網(wǎng)的問題,國內(nèi)外學(xué)者已進行了較為深入的研究[5-8]。在逆變電源并聯(lián)控制方面,主要通過三相LCL型濾波器的阻抗建模[9]、電流預(yù)測[10]以及多逆變并網(wǎng)[11]進行分析,通過電網(wǎng)阻抗估計[12-13]以及引入虛擬阻抗[14-16]實現(xiàn)逆變電源的并網(wǎng)。在區(qū)域電網(wǎng)無功功率均分[17-18]方面,文獻[19]通過微電網(wǎng)同步補償。文獻[20]通過電壓擾動進行補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)無功均分。在逆變器并網(wǎng)控制策略方面,文獻[21]提出了一種針對新能源發(fā)電逆變器與發(fā)電機并聯(lián)混合供電的控制策略,但是在逆變器與發(fā)電機并網(wǎng)的過程中并沒有考慮實際負(fù)載轉(zhuǎn)移過程中能量突變導(dǎo)致逆變器逆功停機的問題。
本文以艦船逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)供電為研究對象,在介紹艦船低壓電網(wǎng)系統(tǒng)運行模式時,結(jié)合逆變器單獨帶載、輔助發(fā)電機單獨帶載、逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)功率分配等不同工況下的運行需求,提出將逆變器電壓源、電流源模式切換與艦船輔助發(fā)電機同期并網(wǎng)的控制策略。搭建艦船低壓電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)仿真,并在實驗室搭建1∶1樣機系統(tǒng),驗證所提控制策略的可靠性,降低工程技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險。
艦船綜合電力系統(tǒng)中的低壓電網(wǎng)供電來源主要有兩部分:①將用于電力推進的中壓直流電源經(jīng)過DC-DC變流器斬波成710V直流電源,再通過逆變器轉(zhuǎn)化為工頻 390V交流電;②通過艦船輔助發(fā)電機直接發(fā)電對低壓公共母線進行供電。當(dāng)逆變器與輔助發(fā)電機同時對艦船低壓電網(wǎng)進行供電時,輔助發(fā)電機為電壓源,逆變器通過鎖相環(huán)對輔助發(fā)電機進行整步、同期操作,充當(dāng)電流源的角色,逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。BRK1、BRK2分別為逆變器1、2出口斷路器,QUI為逆變器側(cè)的母聯(lián)斷路器,QAG為輔助發(fā)電機側(cè)母聯(lián)斷路器。該電網(wǎng)存在三種運行模式:模式 1,輔助發(fā)電機單獨帶負(fù)載;模式2,逆變器單獨帶負(fù)載;模式3,逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)同時帶負(fù)載。
圖1 逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)低壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Inverter and secondary grid-connected power distribution process
艦船低壓電站逆變器與輔助發(fā)電機在三種不同模式情況下的控制方式見表1。
表1 艦船低壓電站逆變器與輔助發(fā)電機不同模式下控制方式Tab.1 The relationship between voltages and currents in different intervals
艦船低壓電站逆變器通過將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電,逆變器的進線為DC 710V,經(jīng)過逆變器輸入側(cè)直流熔斷器、進線斷路器對逆變器進行供電,逆變器通過 IGBT組成的三相半橋以及 LCL型濾波,輸出電壓為 390V工頻交流電,為艦船低壓交流負(fù)載提供電能,其主電路拓?fù)淙鐖D2所示。
圖2 逆變器主電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Inverter main circuit structure
逆變器輸出阻抗特性與控制策略息息相關(guān),本系統(tǒng)采用帶參考電壓的電容電壓與電感電流雙閉環(huán)的控制方案,控制框圖如圖3所示。圖中,kpi為電流環(huán)比例系數(shù),KpV和KiV分別為電壓環(huán)的比例系數(shù)和積分系數(shù),Lm和Rm分別為濾波電感及其內(nèi)阻參數(shù),Cf和Rf分別為濾波電容及其內(nèi)阻參數(shù),Uref、Ugd、Uid、iid、igd、iLd、im、ugq分別為電壓環(huán)參考值、電壓輸出反饋參考值、電壓輸出反饋值、輸入電流、輸出電流、電流內(nèi)環(huán)反饋電流、濾波后電流、線路損耗電壓。為保證輸出電壓的準(zhǔn)確性,電壓外環(huán)采用PI控制方式,電流內(nèi)環(huán)采用P控制,可以提高電流輸出的相應(yīng)速度。逆變器輸出結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的傳遞函數(shù)為
圖3 逆變器電壓電流雙閉環(huán)控制框圖Fig.3 Inverter voltage current double closed-loop control block diagram
逆變器輸出的戴維南等效模型為
式中,VINV為逆變器輸出電壓;Z0為線路阻抗。
逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)后的等效輸出如圖4所示。圖中,VAG為輔助發(fā)電機輸出電壓;Z1為逆變器阻抗;Z2為輔助發(fā)電機阻抗;Z為負(fù)載阻抗。
圖4 逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)等效輸出Fig.4 Inverter and auxiliary generators grid equivalent output
設(shè)逆變器輸出電壓幅值為U1,相位為φ1,輔助發(fā)電機輸出電壓幅值為U2,相位為φ2,負(fù)載電壓為UL,根據(jù)基爾霍夫電壓定律,可以得到逆變器與輔助發(fā)電機的有功功率為
無功功率為
式中,i=1, 2。
逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)為艦船低壓電網(wǎng)提供能量,因此提出一種基于控制器局域網(wǎng)總線(Controller Area Network, CAN)通信的低壓能量管理系統(tǒng),逆變器與輔助發(fā)電機通過接線箱各自與負(fù)載進行連接,并通過并網(wǎng)開關(guān)實現(xiàn)逆變器與輔助發(fā)電機的并網(wǎng)。引入能量管理模塊,同時與逆變器和輔助發(fā)電機進行 CAN通信,實現(xiàn)逆變器與輔助發(fā)電機之間功率分配,基于 CAN通信的低壓能量管理系統(tǒng)如圖5所示。
圖5 基于CAN通信低壓能量管理系統(tǒng)Fig.5 Low-voltage energy management system based on CAN communication
輔助發(fā)電機機組控制器與逆變器機旁控制器通過 CAN網(wǎng)絡(luò)將自身參數(shù)發(fā)送至能量管理系統(tǒng),能量管理系統(tǒng)根據(jù)逆變器與輔助發(fā)電機參數(shù)得到電壓電網(wǎng)總功率,再根據(jù)逆變器與輔助發(fā)電機帶載能力進行功率均分以及無功均分。處于并網(wǎng)狀態(tài)時,輔助發(fā)電機作為電壓源將會根據(jù)電網(wǎng)負(fù)載的變化進行功率輸出,能量管理系統(tǒng)根據(jù)總功率及無功功率的變化控制逆變器輸出電流、功率因數(shù)已達到低壓電網(wǎng)有功功率及無功功率的均分,通過 CAN通信與能量管理模塊實現(xiàn)無功功率的交互,逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)功率分配流程如圖6所示。
圖6 逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)功率分配流程Fig.6 Inverter and secondary grid-connected power distribution process
電網(wǎng)總功率為
式中,Pall、Qall分別為電網(wǎng)總有功功率和無功功率;PINV、QINV分別為在網(wǎng)逆變器總有功功率和總無功功率;PAG、QAG分別為在網(wǎng)輔助發(fā)電機總有功功率和總無功功率。
逆變器目標(biāo)有功功率以及目標(biāo)無功功率分別為
式 中,PINV_Set、Pall、PINV_Max、PAG_Set、QINV_Set、Qall、QINV_Max、QAG_Set分別為目標(biāo)有功功率、電網(wǎng)總有功功率、逆變器最大有功功率、輔助發(fā)電機最大有功功率、目標(biāo)無功功率、電網(wǎng)總無功功率、逆變器最大無功功率、輔助發(fā)電機最大無功功率。
通過逆變器上傳的三相電壓及目標(biāo)有功、無功功率,得到參考電流、功率因數(shù)分別為
其中
式中,Iref為參考電流;P為電網(wǎng)總有功功率;Q為電網(wǎng)總無功功率;cosθ為電網(wǎng)功率因數(shù);為三相平均電壓;VAB、VBC、VCA分別為電網(wǎng) AB相、BC相、CA相電壓。
由于逆變器輸出相應(yīng)較快,當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載發(fā)生變化較大時,逆變器輔助發(fā)電機之間很容易造成環(huán)流,導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)載分配不穩(wěn)定。故而在功率分配過程中采用濾波器進行濾波,傳統(tǒng)的功率分配對象一般為逆變器與逆變器之間的分配,其功率輸出及相應(yīng)特性相似,采用單次滑動濾波即能取得較為明顯的效果。但是艦船輔助發(fā)電機由于其機械特性,輸出響應(yīng)較逆變器慢(逆變器:3個波形,輔助發(fā)電機:10個波形)。二者之間輸出特性導(dǎo)致難以用單個濾波器改善電網(wǎng)負(fù)載分配穩(wěn)定性。根據(jù)這一特性,提出一種二級濾波的低壓電網(wǎng)分配流程,如圖7所示。
圖7 含有二級濾波的低壓電網(wǎng)分配流程Fig.7 Low-voltage power grid distribution process with secondary filtering
功率分配二級濾波中的第一級濾波采用一維高斯濾波,其原理是通過高斯分布系數(shù)在一維時間域中對總功率計算進行平滑。具體的計算方法為
式中,σ為數(shù)據(jù)集標(biāo)準(zhǔn)差;n為數(shù)據(jù)集長度;Pt為t時刻有功功率;P(t?1)為t?1 時刻有功功率;P(t?n)為t?n時刻有功功率;Qt為t時刻無功功率;Q(t?1)為t?1時刻無功功率;Q(t?n)為時刻無功功率;G0為t時刻分布系數(shù);G1、Gn分別為t?1、t?n時刻分布系數(shù),二級濾波器采用區(qū)間滑動濾波,其平滑效果更好,能夠有效提高系統(tǒng)阻尼及穩(wěn)定性,滑動濾波計算方式為
工況1為逆變器單機給艦船低壓電網(wǎng)進行供電時,將輔助發(fā)電機投入電網(wǎng)。在逆變器單獨帶負(fù)載的情況下,逆變器作為電壓源為艦船低壓電網(wǎng)供電。此時如果要在電網(wǎng)中投入輔助發(fā)電機,這一過程逆變器由電壓源轉(zhuǎn)化為電流源。
為保證輔助發(fā)電機并網(wǎng)后續(xù)的功率分配過程不對電網(wǎng)造成大幅度沖擊,本文提出一種逆變器單機在網(wǎng)對輔助發(fā)電機準(zhǔn)同期的并網(wǎng)合閘方式,通過將輔助發(fā)電機起動后輸出的三相電壓作為參考電壓送至逆變器端,再給逆變器發(fā)送整步指令,控制逆變器對輔助發(fā)電機進行整步,當(dāng)檢測到逆變器整步同期完成時,再給輔助發(fā)電機發(fā)送合閘指令,能量管理系統(tǒng)檢測到輔助發(fā)電機出口斷路器合閘成功,立即給逆變器發(fā)送已并網(wǎng)模式指令,逆變器收到已并網(wǎng)模式指令之后,立即由電壓源控制模式轉(zhuǎn)換為電流源控制模式,待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后再進行負(fù)載功率分配。圖8為在工況1條件下的逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)的控制流程。因艦船低壓電站有多臺逆變器,故將INVx表示為即將與輔助發(fā)電機并網(wǎng)的逆變器。
圖8 逆變器在網(wǎng)帶載與輔助發(fā)電機并網(wǎng)流程Fig.8 The inverter is connected to the grid flow chart with the auxiliary generator on the network belt
工況2為輔助發(fā)電機單機給艦船低壓電網(wǎng)進行供電時,將逆變器投入電網(wǎng)。
首先檢測逆變器正常運行,并設(shè)置參考電壓,在判斷逆變器對參考電壓整步完成后,為防止逆變器以電壓源模式直接并網(wǎng),導(dǎo)致電網(wǎng)功率分配波動,將逆變器設(shè)置為預(yù)并網(wǎng)模式,保證逆變器并網(wǎng)之后以電流源模式運行。在收到逆變器以整步以及預(yù)并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換完成后,此時能量管理系統(tǒng)給逆變器發(fā)送合閘指令以及已并網(wǎng)指令。判斷逆變器出口斷路器合閘,已并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換成功,流程結(jié)束,圖9為輔助發(fā)電機在網(wǎng)與逆變器并網(wǎng)流程。
圖9 輔助發(fā)電機在網(wǎng)與逆變器并網(wǎng)流程Fig.9 Auxiliary generators in the network and inverter grid flow chart
工況3為逆變器和輔助發(fā)電機并網(wǎng)給艦船低壓電網(wǎng)進行供電時,解列逆變器。
在解列逆變器的過程中,如果將逆變器直接從電網(wǎng)解列,則電網(wǎng)的大部分負(fù)載將直接轉(zhuǎn)移至輔助發(fā)電機,一旦負(fù)載轉(zhuǎn)移變化幅度過大,可能導(dǎo)致輔助發(fā)電機因過載而出現(xiàn)逆功停機。為保證逆變器解列過程對電網(wǎng)負(fù)載不造成波動,能量管理系統(tǒng)在解列逆變器之前將逆變器負(fù)載逐漸轉(zhuǎn)移至輔助發(fā)電機,再將逆變器出口斷路器分閘,實現(xiàn)逆變器脫網(wǎng)解列,圖10為逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)之后解列逆變器流程。
圖10 逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)之后解列逆變器流程Fig.10 Delist the inverter after the inverter is connected to the auxiliary generator flow chart
工況4為逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)時,將輔助發(fā)電機解列。
同工況3類似,在解列輔助發(fā)電機之前,也需將輔助發(fā)電機負(fù)載對逆變器進行轉(zhuǎn)移。但是如果直接解列輔助發(fā)電機,逆變器還處于電流源模式,此時電網(wǎng)負(fù)載波動導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動而使逆變器逆功停機。為防止出現(xiàn)以上情況,本文在能量管理系統(tǒng)提出,在工況4下檢測到輔助發(fā)電機出口斷路器分閘之后立即發(fā)送逆變器單機在網(wǎng)指令,使得逆變器由電流源模式切換為電壓源模式。圖11為逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)之后解列輔助發(fā)電機流程。
圖11 逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)之后解列輔助發(fā)電機流程Fig.11 The inverter connected to the auxiliary generator and then de-listed flow chart
為驗證本文所提出的基于模式切換的逆變器與輔助發(fā)電機控制策略的有效性,在實驗室搭建了圖1所示的1∶1實驗系統(tǒng),針對相應(yīng)工況下的控制策略進行實驗驗證,低壓電站實驗系統(tǒng)如圖12所示,實驗采用的逆變器額定功率1MW,輔助發(fā)電機額定功率750kW。
圖12 低壓電站實驗系統(tǒng)Fig.12 Experimental system of low-voltage power station
在 2.1節(jié)討論的工況下,進行了逆變器在網(wǎng)帶載300kW投入輔助發(fā)電機并網(wǎng)的實驗。圖13為通過諧波檢測設(shè)備得到的該工況下逆變器三相輸出電流與輔助發(fā)電機輸出的三相電流??梢钥闯?,當(dāng)輔助發(fā)電機合閘時,由于逆變電源還處于電壓源模式,此時逆變器負(fù)載迅速向輔助發(fā)電機轉(zhuǎn)移,逆變器三相電流出現(xiàn)一定的波動,當(dāng)逆變器完成模式轉(zhuǎn)換后,逆變器向輔助發(fā)電機的負(fù)載轉(zhuǎn)移較為平滑,最后實現(xiàn)較為穩(wěn)定的負(fù)載分配。
圖13 逆變在網(wǎng)帶載并網(wǎng)輔助發(fā)電機Fig.13 Inverted belt in the net and auxiliary generator
根據(jù) 2.2節(jié)討論的工況,進行了輔助發(fā)電機在網(wǎng)帶載300kW,投入逆變器進行并網(wǎng)的實驗。由于在逆變器合閘之前能量管理系統(tǒng)已經(jīng)確定逆變器處于預(yù)并網(wǎng)模式,當(dāng)逆變器出口斷路器合閘后,逆變處于電流源模式,直接進行功率均分即可,故相對工況下,輸出電流曲線較為平滑。逆變器和輔助發(fā)電機的三相電流輸出如圖14所示。
圖14 輔助發(fā)電機在網(wǎng)并網(wǎng)逆變
逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)帶載 600kW 解列輔助發(fā)電機時,逆變器和輔助發(fā)電機輸出三相電流如圖15所示。可以看出,輔助發(fā)電機解列之前能量管理系統(tǒng)將負(fù)載轉(zhuǎn)移至逆變器,當(dāng)輔助發(fā)電機解列之后,逆變器轉(zhuǎn)換為電壓源模式運行。
圖15 逆變器和輔助發(fā)電機并網(wǎng)狀態(tài)解列輔助發(fā)電機三相電流Fig.15 Three phase current splitting of auxiliary generator in grid connected state of inverter and auxiliary generator
逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)帶載600kW解列逆變器時,逆變器與輔助發(fā)電機輸出a相電流如圖16所示??梢钥闯?,逆變器解列前,能較為平滑地將負(fù)載轉(zhuǎn)移至輔助發(fā)電機,保證艦船低壓電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。
圖16 逆變器并輔助發(fā)電機帶載600kW解逆變器Fig.16 Inverter and auxiliary generator with 600kW dereversor
本文提出了一種基于模式切換的艦船逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)控制策略,其主要思想是:
1)逆變器單機在網(wǎng)時,采用電壓源控制模式;逆變器與輔助發(fā)電機并網(wǎng)時,采用電流源控制模式。
2)逆變器與輔助發(fā)電機在并聯(lián)過程中引入逆變器預(yù)并網(wǎng)與單機在網(wǎng)模式,保證低壓電網(wǎng)在電源切換過程中的穩(wěn)定性。
3)提出一種基于通過CAN總線的方式調(diào)節(jié)逆變器與輔助發(fā)電機在并網(wǎng)過程以及功率變化過程的有功功率、無功功率的分配方式。
本文建立了艦船逆變器與發(fā)電機電網(wǎng)系統(tǒng)的1∶1實驗樣機,通過不同工況下的實驗,驗證了模式切換下并網(wǎng)與解列策略的有效性,實現(xiàn)不同過程系統(tǒng)暫態(tài)切換以及逆變器與輔助發(fā)電機實現(xiàn)平滑、穩(wěn)定的功率分配。