高壓岸電系統(tǒng)多路輸出功率均衡控制方法

潘雄文，陳輝，徐玉剛，姚瓊，宋先勇

（國網(wǎng)岳陽供電公司，湖南岳陽 414000）

由于內(nèi)陸湖泊亟需從現(xiàn)在比較低效、粗放、污染的柴油機(jī)供電體系逐步轉(zhuǎn)變?yōu)闈崈?、高效、?jié)約、多元、安全的現(xiàn)代化錨地岸電供電體系，因此，錨地岸電電源系統(tǒng)建設(shè)已經(jīng)成為了電力事業(yè)發(fā)展的核心研究方向。錨地岸電就是一種新型的系統(tǒng)供電技術(shù)，要求靠泊船必須依靠船舶自備發(fā)電機(jī)進(jìn)行供電[1-2]。相比于常見的柴油發(fā)電方式，錨地岸電系統(tǒng)不但能夠充分緩解內(nèi)陸湖泊的污染問題，也可以抑制氮硫化物的排放，在節(jié)能減排方面具有較強(qiáng)的促進(jìn)性作用。

傳統(tǒng)的柴油發(fā)電方式以電動(dòng)機(jī)作為主要供電設(shè)備，為適應(yīng)高壓電能變頻傳輸?shù)男枨?，主柴油發(fā)電機(jī)往往具備極強(qiáng)的電子輸出能力，然而隨著電力供應(yīng)時(shí)間的延長，穩(wěn)定電壓的變更能力開始逐漸下降，這也在一定程度上導(dǎo)致岸電電網(wǎng)供電制度陷入了相對(duì)混亂的執(zhí)行狀態(tài)。為解決此問題，設(shè)計(jì)新型的高壓岸電系統(tǒng)多路輸出功率均衡控制方法，在主電路參數(shù)條件下，分別從電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)兩方面入手，計(jì)算輸出功率的均衡量數(shù)值，再按照直流母線電壓的實(shí)際波動(dòng)形式，得到準(zhǔn)確的慣性控制系數(shù)結(jié)果。

1 高壓岸電系統(tǒng)的多路輸出環(huán)境

高壓岸電系統(tǒng)的多路輸出條件由主電路參數(shù)、電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)三部分共同組成，具體研究分析方法如下。

1.1 主電路參數(shù)

錨地岸電電源系統(tǒng)的主電路參數(shù)包含直流側(cè)電容值、主電源容量等多種類型。其中，交流側(cè)電感能夠影響高壓岸電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)與靜態(tài)電量輸出性能，在直流電壓取值方面具有較強(qiáng)的促進(jìn)作用。在面對(duì)頻繁的電量輸出功率調(diào)制任務(wù)時(shí)，由于傳輸電子的大量累積，變流器網(wǎng)側(cè)的電流波形會(huì)不斷向著正弦波靠近，且在此過程中，直流側(cè)電容能夠?yàn)V除高頻電壓諧波的影響，從而避免高壓岸電系統(tǒng)緩沖整流能力下降，這也是導(dǎo)致高壓岸電系統(tǒng)緩沖整流能力不斷下降的主要原因[3-4]。針對(duì)此問題，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)將直流側(cè)電容C作為定值參考條件，在電感應(yīng)時(shí)間T1、岸電系統(tǒng)功率定頻時(shí)長T2兩項(xiàng)物理量的作用下，可將錨地岸電系統(tǒng)的主電路參數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，Emax代表主電源的最大輸出值，ΔU代表單位時(shí)間內(nèi)的輸出功率變化量。

1.2 電流內(nèi)環(huán)

在錨地岸電系統(tǒng)中，電流內(nèi)環(huán)對(duì)電量輸出功率起到非線性調(diào)制作用，一般來說，在交變電流保持正向耦合關(guān)系的情況下，閉環(huán)內(nèi)的輸出功率數(shù)值會(huì)產(chǎn)生急速下降的變化形式[5-6]。在此過程中，錨地岸電電源系統(tǒng)始終處于相對(duì)穩(wěn)定的充電形態(tài)之中，且由于電子前饋感知行為的存在，任何一個(gè)明顯的直流量靜態(tài)調(diào)節(jié)差都有可能造成連續(xù)的電流偏轉(zhuǎn)形態(tài)。因此，為使錨地岸電電源系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)保持連續(xù)穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)設(shè)置電量輸出功率的極限數(shù)值，并要求所有電流感知量都不得超過該項(xiàng)指標(biāo)的預(yù)設(shè)數(shù)值水平[7-8]。設(shè)代表錨地岸電系統(tǒng)中的連接電阻均值，聯(lián)立式（1），可將電流內(nèi)環(huán)的輸出功率穩(wěn)定形態(tài)表示為：

式中，uer代表r輸出點(diǎn)與e輸出點(diǎn)之間的電壓差數(shù)值，ω代表高壓電量的多路輸出系數(shù)。

1.3 電壓外環(huán)

電壓外環(huán)則能夠?qū)﹄娏枯敵龉β势鸬椒聪蚣s束作用，在錨地岸電系統(tǒng)中，傳輸電量的單次輸出功率值越大，外環(huán)環(huán)境中的理想電壓數(shù)值水平也就越高，高壓主機(jī)所具備的均衡性電感能力也就越差。若將電子量的多路輸出看作一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電壓傳輸環(huán)境，則可認(rèn)為隨著岸電系統(tǒng)外部傳輸電壓數(shù)值的升高，其內(nèi)部傳輸電子量之間的感應(yīng)能力也會(huì)不斷增強(qiáng)，直至將錨地岸電系統(tǒng)高壓輸入端與低壓輸出端之間的壓差數(shù)值水平縮小至0[9-10]。規(guī)定ω1、ω2分別代表兩個(gè)不同的錨地岸電系統(tǒng)電壓表轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)值，在電壓量多路輸出的情況下，ω1≠ω2≠0 的不等式條件恒成立。在上述物理量的作用下，聯(lián)立式（2），可將電壓外環(huán)的輸出功率穩(wěn)定形態(tài)表示為：

其中，λ代表電壓差約束參量，|H|代表錨地岸電系統(tǒng)高壓輸入端與低壓輸出端之間的實(shí)際壓差數(shù)值。

2 多路輸出功率均衡控制方法

在高壓岸電系統(tǒng)多路輸出環(huán)境的支持下，按照直流母線電壓波動(dòng)分析、輸出功率均衡量計(jì)算、慣性控制系數(shù)確定的處理流程，完成新型輸出功率均衡控制方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.1 直流母線電壓波動(dòng)分析

若錨地岸電電源負(fù)載出現(xiàn)突發(fā)性行為，由于高壓輸出電機(jī)并不能立刻感受到傳輸電子的實(shí)際變化情況，因此很難長久維持原有的控制量水平，這也是造成高壓岸電系統(tǒng)實(shí)際多路輸出功率始終不能達(dá)到理想數(shù)值水平的主要原因。一般情況下，直接由該項(xiàng)物理差值引起的電量補(bǔ)償行為，就被稱為直流母線的電壓波動(dòng)[11-12]。忽略高壓錨地岸電系統(tǒng)的其他開關(guān)損耗情況，則可認(rèn)為直流母線的電壓波動(dòng)行為越明顯，電量輸出功率的均衡性水平越強(qiáng)。聯(lián)立式（2）、式（3），可將直流母線電壓的波動(dòng)分析結(jié)果表示為：式中，Ps表示高壓電信號(hào)的輸入功率，Pt表示穩(wěn)態(tài)電信號(hào)的輸出功率，ΔAst表示直流電壓的變化量，表示高壓岸電系統(tǒng)中的均衡性電阻量。

2.2 輸出功率均衡量計(jì)算

在已知直流母線電壓波動(dòng)分析結(jié)果的情況下，可將輸出功率均衡量看作一種平衡性負(fù)載狀態(tài)，由于高壓岸電系統(tǒng)一貫具有較強(qiáng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，因此在功率均衡量與電源輸出負(fù)載之間總是存在一種固定的數(shù)值影響關(guān)系[13-14]。多路輸出功率的均衡負(fù)載原理如圖1 所示。

圖1 多路輸出功率的均衡負(fù)載原理

設(shè)k代表高壓岸電系統(tǒng)中的多路輸出功率波動(dòng)基向量，l1、l2代表兩個(gè)不同的電功率調(diào)節(jié)系數(shù)，f代表電信號(hào)功率的輸出給定值，則多路輸出功率均衡量計(jì)算公式為：

2.3 慣性控制系數(shù)

慣性控制系數(shù)也叫慣性均衡負(fù)載量，在錨地岸電系統(tǒng)中，該項(xiàng)物理指標(biāo)的數(shù)值水平越高，多路輸出功率的平均數(shù)量值也就越大[15-16]。一般來說，一個(gè)穩(wěn)定的高壓岸電系統(tǒng)中能夠同時(shí)接入n個(gè)不同的電信號(hào)控制器，且其實(shí)際功率輸出水平并不受外界干擾條件的影響。設(shè)x1,x2,…,xn分別代表n個(gè)電信號(hào)控制器設(shè)備的實(shí)時(shí)功率輸出量，在最小均衡系數(shù)等于c0、最大均衡系數(shù)等于cn的情況下，聯(lián)立式（5），可將慣性控制系數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

其中，Ms表示高壓電信號(hào)的輸出功率反饋系數(shù)，Mt表示穩(wěn)態(tài)電信號(hào)的輸出功率反饋系數(shù)。至此，完成各項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)的計(jì)算與處理，在不考慮其他干擾條件的情況下，實(shí)現(xiàn)高壓岸電系統(tǒng)多路輸出功率均衡控制方法的順利應(yīng)用。

3 實(shí)例分析

將圖2 所示電源負(fù)載主機(jī)接入錨地岸電系統(tǒng)中，在相同頻率條件下，截取等長的高壓輸出波與低壓輸出波，并將其分別輸入實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電源處理主機(jī)中，其中實(shí)驗(yàn)組電源主機(jī)配置多路輸出功率均衡控制方法，對(duì)照組電源主機(jī)配置傳統(tǒng)的柴油發(fā)電方式。錨地岸電電源負(fù)載主機(jī)如圖2 所示。

圖2 錨地岸電電源負(fù)載主機(jī)

為保證電壓波的傳輸穩(wěn)定性，在電源負(fù)載主機(jī)外部還應(yīng)增設(shè)圖3 所示的壓電轉(zhuǎn)換裝置，一方面平衡由功率差降帶來的電信號(hào)振蕩行為，另一方面也可以對(duì)錨地岸電系統(tǒng)進(jìn)行有效的保護(hù)。壓電轉(zhuǎn)換裝置如圖3 所示。

圖3 壓電轉(zhuǎn)換裝置

圖4 為0～200 Hz 階段，實(shí)驗(yàn)用高壓輸出波與低壓輸出波的具體波頻變化情況。

圖4 電壓信號(hào)分布情況

穩(wěn)定電壓指的是高壓波、低壓波之間的電壓差值，能夠反映岸電系統(tǒng)變頻信號(hào)的穩(wěn)定性能力，一般情況下，穩(wěn)定電壓數(shù)值的變化速率越快、極值壓差越小，則代表變頻信號(hào)的穩(wěn)定性越強(qiáng)，系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于輸出功率的均衡調(diào)控能力也就越強(qiáng)。表1記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組穩(wěn)定電壓的實(shí)際數(shù)值變化情況。

表1 穩(wěn)定電壓數(shù)值

分析表1 可知，隨著電壓波輸出頻率的增大，高電壓數(shù)值、低電壓數(shù)值均呈現(xiàn)不斷上升的變化趨勢(shì)。從極限值角度來看，對(duì)照組低壓輸出波所對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值更低，而高壓輸出波所對(duì)應(yīng)的電壓數(shù)值則更高，穩(wěn)定壓差達(dá)到了380 V/200 Hz，遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)組的穩(wěn)定壓差60 V。

綜上可知，應(yīng)用多路輸出功率均衡控制方法后，高壓岸電系統(tǒng)的穩(wěn)定壓差數(shù)值水平得到了有效控制，不但增強(qiáng)了岸電電源系統(tǒng)變頻信號(hào)的穩(wěn)定性能力，也可促進(jìn)高壓系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于電信號(hào)輸出功率的均衡性調(diào)控。

4 結(jié)束語

在傳統(tǒng)柴油發(fā)電策略的基礎(chǔ)上，多路輸出功率均衡控制方法針對(duì)岸電電源系統(tǒng)電能變頻能力較差的問題進(jìn)行改進(jìn)，在電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)等多個(gè)電量感應(yīng)條件的作用下，通過直流母線電壓波動(dòng)分析法，計(jì)算輸出功率均衡量、慣性控制系數(shù)的具體數(shù)值。與傳統(tǒng)方法相比，這種新型控制方法能夠更好地適應(yīng)岸電電網(wǎng)的均衡供電制度，在維護(hù)電能變頻能力方面具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。