船用轴带发电系统独网和并网控制模式的平滑切换

刘洋，常国梅，邵诗逸，王晓梅，乌云翔

(北京赛思亿电气科技有限公司，北京 100097)

船用轴带发电系统独网和并网控制模式的平滑切换

刘洋，常国梅，邵诗逸，王晓梅，乌云翔

(北京赛思亿电气科技有限公司，北京 100097)

船用轴带发电系统是一种新兴的概念，主要功能为利用船舶主机多余的能量拖动一个轴带发电机经过一个变频器对整个船舶电站进行供电。从变频器的控制角度来说，电站具有独网和并网两种控制模式。基于两种控制模式的实现方法进行了深入的探讨，并提出了一种实现两种控制模式的控制器，给出了两种控制模式之间的平滑切换的具体算法，并通过试验进行了全面的验证。

轴带发电系统；变频器；并网模式；独网模式；平滑切换

0 引 言

近年来，出现了一种船用轴带发电的概念[1]，即在主机轴系上额外连接一台发电机。当主机旋转时，该发电机处于发电的模式下。相对辅机发电而言，采用轴带发电系统，可使主机处于较高的负荷状态，有利于降低油耗并且降低对辅机的维护需求[2-3]。例如，中国万米级载人深潜器科考母船“张謇”号使用了功率1 600 kW的轴带发电机，认为可达到明显的节能效果[4]。由于在定矩桨系统中，主机转速时刻变化，导致发电机输出频率相应变化，采用一般的同步发电机将无法满足需求，而需要在发电机和电站之间连接额外的变频器[5]。变频器一般采用背靠背结构，整流、逆变均采用三相全桥IGBT的结构，其中整流侧连接发电机输出，逆变侧连接船舶电站。不论整流侧的输入频率和电压如何变化，逆变侧的频率和电压将保持恒定[6]。由于整流侧的控制算法相对成熟，因此主要探讨逆变侧的控制算法。系统共三种运行模式：并网模式，即逆变侧和辅机同时工作，并联运行，共同组成船舶电站；独网模式，即辅机关闭，由轴带发电系统单独组网成为船舶电站；传统模式，即轴带发电系统关闭，只有辅机运行。

一般的，轴带发电系统处于独网模式下，只有在轴带系统起动，或者需要负载转移时，会出现较为短暂的并网工作模式。无论是独网还是并网模式，船舶发电和传统发电应用具有较大的不同之处，主要是船舶电站的容量相对较小，受到负载冲击时影响较大，而且对于谐波抑制也具有更为严格的限定[7]。本文将对轴带发电这个特殊应用中独网和并网两种控制模式进行详细的分析，且通过试验数据进行了验证。

1 轴带发电系统简述

轴带发电系统的框图如图1所示。

图1 轴带发电系统框图

当K1闭合而K2断开时，系统处于独网模式，由轴带发电系统单独对船用负载供电；当K1和K2都闭合时，系统处于并网模式，由轴带系统和辅机同时对负载供电；当K1断开而K2闭合时，系统处于辅机供电的传统模式。

2 并网模式

2.1 控制器结构

并网模式下，控制器的主要控制目标是系统的有功功率和无功功率，所以整个系统处于“电流控制”模式下。系统控制框图如图2所示。

图2 并网控制模式框图

整个控制算法采用经典的dq理论，将所有控制变量，包括电压和电流都变换到基于电压的同步坐标系上，即：

(1)

其中Vgd和Vgq分别为d轴和q轴的电网电压；Vmag为电网相电压的幅值。控制器采用两个PI控制器来控制电网的d轴和q轴的电流igd和igq。控制算法遵循如下的公式：

(2)

其中R和L分别为输出正弦波滤波器的等效电阻和电抗；Wg为电网电压的角频率；igd和igq分别为电网有功电流和无功电流；Vgd_m和Vgq_m分别是变频器在d轴和q轴的输出电压。以Vgd_m为例，Vgd_m由三个部分组成：电流控制器的输出Vgd_I、电压控制器的输出Vgd_V以及耦合量WgLigq。在并网模式下，Vgd_I通过PI控制器给出，Vgd_V和电网电压的反馈值Vgd一致。Vgq_m也可采用类似的分析。

2.2 PLL控制器

前面提到，控制器处于基于电网电压Vg的同步坐标系中。为了使所有的变量可以转换到该同步坐标系上，需首先获得同步坐标系的角度θg。本文采用了反馈型的PLL(锁相环)技术实现，如图3所示。

图3 PLL结构

3 独网模式

3.1 控制器结构

在独网模式下，辅机停止运行，此时控制系统运行在电压控制下，目的是维持电站电压的稳定，对电站的电流不进行控制。由于正弦波滤波器的存在，变频器逆变侧的输出电压和滤波之后的电压存在电压差，因此需要一个电压反馈对输出电压进行控制。具体控制如图4所示。

图4 独网控制模式框图

3.2 角度计算

图5 角度计算

由于辅机不再进行电压输出，因此在控制角度的获取上不存在PLL了，而是采用一个简单的积分环节来获得，具体如图5所示。

4 两种模式之间的平滑切换

为了在并网和独网两种控制模式之间进行平滑的切换，下列三个条件需严格满足：

1)电流控制平滑切换。在并网模式下，电流控制器由两个PI控制器获得，而在独网模式下，PI控制器均需停止工作，即输出封锁。当系统再次回到并网模式时，PI控制器均必须快速激活。为了实现尽可能的平滑切换，从独网模式切换到并网模式时，电流参考值igd*和igq*采用切换瞬间时独网模式下电流的实际测量值igd和igq。

2)电压控制平滑切换。在独网模式下，电压控制器的输出由PI控制器来获得，为了实现平滑切换，电压参考值Vgd*采用切换瞬间时并网模式下电压的实际测量值Vgd。在并网模式下，PI控制器必须停止工作，而采用电压的实际测量值Vgd进行替代。

3)角度平滑切换。在并网模式下，角度通过PLL控制器获得。在独网模式下，PLL控制器中的PI控制器必须停止工作。回到并网模式之后，PLL控制重新开始工作。

5 试验验证

为验证所提控制器的有效性，特别设置了一个试验平台进行验证。一个同步发电机和一个附带调速器的原动机在机械上连接在一起，发电机采用了带有励磁绕组的无刷同步机结构，额定转速是1 500 r/min，额定容量是195 kVA，广泛应用于船舶轴带发电中。另有一变频器，其整流侧连接发电机输出，将交流电压整流为650 V的直流母线电压；逆变侧实现并网发电和独网发电的运行模式。该变频器配备了本文所提出的控制器，其额定输出为50 Hz，400 V，173 A。

共进行了两组试验，主要考察电流、功率和电压的波动三个指标：

1)轴带发电系统和辅机电站并联运行且轴带发电机系统处于额定功率时切除辅机电站的瞬态过程；

2)轴带发电机系统在单独发电并且处于额定功率时辅机并入电站的瞬态过程。

试验2则实现了轴带发电系统在满载条件下，从独网向并网模式切换的过程，切换的时间大约发生在5.5 s时。如图7(a)所示，电流环在切换后，PI控制器重新启动，可观察到一个电流的超调。图7(b)给出了和图6(b)类似的模式辨认信号。轴带发电系统的有功功率的输出如图7(c)所示，也出现了超调，但可快速恢复到设定值。整个过程中输出电压基本恒定，波形如图7(d)所示。

图6 从并网模式向独网模式切换的试验数据(满载)

6 结束语

本文提出了一种基于轴带发电系统的控制系统，可以实现并网模式和独网模式，以及两种模式之间的平滑切换。为验证该控制系统的有效性，本文专门设置了一个试验平台进行验证。试验结果表明，本文提出的控制器可以有效地实现并网模式和独网模式之间的平滑切换。

图7 从独网模式向并网模式切换的试验数据(满载)

[1] 秦俊峰，李凯.船舶轴带发电机发展综述及前景探究[J].钦州学院学报，2015，30(8)：9-13.

[2] 孟永奇，李保来，兰建军.船舶轴带发电——电动系统的原理及控制[J]. 船电技术，2011，31(8)：35-38.

[3] 曹森，沈爱弟，刘莉飞，等.新型传播轴带发电系统的建模与仿真[J]. 船舶工程，2014(5)：69-73.

[4] 张建松、岑志连.“张謇”号抵达南海目标海域开展深海设备测试和科学调查[EB/OL]. (2016-07-17)[2016-07-18]. http://news.xinhuanet.com/photo/2016-07/17/c_129153110.htm

[5] YJ LIU, SL XUE. Control strategy of the shaft-driven generator based on the PWM converters[C]// Methods and Models in Automation and Robotics (MMAR), 2011 16th International Conference on IEEE, Miedzyzdroje, Poland, 2011:178-181.

[6] BG GU, K NAM. A Theoretical minimum DC-link capacitance in PWM converter-inverter systems[J]. IEE Proceedings-Electric Power Applications, 2005, 152(1):81-88.

[7]中国电器工业协会. GB/T 12975-2008，船用同步发电机通用技术条件[S].北京：中国标准出版社，2009.

波涛让江河澎湃，热血使生命沸腾！

我们的爱心的一小部分却是他们生命的全部。

Smooth Transfer between Stand-alone Mode and Grid-connected Mode in a Marine Shaft Generator System

Liu Yang, Chang Guomei, Shao Shiyi, Wang Xiaomei, Wu Yunxiang

(Beijing CSE Electric Technology Co. Ltd., Beijing 100097, China)

Shaft generator system as a newly developed concept has the main function of using redundant energy of marine main engine to drive a shaft generator and supply power to the entire ship power station through a frequency converter. As far as converter control is concerned, the power station has two control modes, namely stand-alone mode and grid-connected mode. It discusses in detail the implementation methods of these two control modes and presents a controller for implementation of these two modes. Furthermore, it gives a concrete algorithm for smooth transfer between them, and completes an overall verification by experiment.

shaft generator system；frequency converter；grid-connected mode； stand-alone mode； smooth transfer

国家科技支撑计划课题(2014BAG04B02)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.006

U665

A

1000-3886(2017)01-0016-03

刘洋(1986-)，男，江苏人，本科，工程师，毕业于哈尔滨工业大学，目前主要研究方向是电力传动控制、轴带发电的控制和可编程逻辑器件等。 常国梅(1982-)，女，河北人，硕士，高级工程师，毕业于河北工业大学，目前主要的研究方向是综合电力推进系统和高压变频拓扑结构。

定稿日期: 2016-10-18