基于参数灵活配置的虚拟同步发电机在船舶自主电力系统中的应用

庞 宇刘宏达戴 成

（1.哈尔滨工程大学 自动化学院 哈尔滨150001；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

基于参数灵活配置的虚拟同步发电机在船舶自主电力系统中的应用

庞 宇1,2刘宏达1戴 成1

（1.哈尔滨工程大学 自动化学院 哈尔滨150001；2.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

随着全球能源危机和环境污染的不断加剧，绿色环保是船舶未来的发展方向，各国研究者都在积极探索新能源在船舶平台上的应用技术，以实现船舶节能减排的目标。文章针对具有船舶特质的电力系统因新能源融入造成的脆性源增加和系统惯量减少所导致系统容易失稳抗干扰能力差、多种分布式电源之间功率的协调分配等问题进行研究，提出在船舶多模式电站中可采用一种基于虚拟同步发电机原理的并网逆变器控制策略，因其具有类似同步发电机输出阻抗大、转动惯量大和功率按下垂特性分配的特点，适用于船舶电力系统这类自主电力系统；还设计了虚拟惯量和阻尼系数的自适应调节策略，充分利用VSG虚拟惯量和阻尼系数灵活可调的优势，在不同工况下有效解决新能源设备和负荷突变引起的频率和功率的波动；通过仿真验证该控制策略在船舶新能源技术中的可行性。

绿色船舶；船舶新能源；虚拟同步发电机；自适应调节；船舶自主电力系统

引 言

发展低碳技术、提高能源利用效率、开发并利用可再生能源（RE）现已成为人们的关注点。海运因其运输成本和运力的综合优势，一直是世界贸易运输最重要的方式。船用燃料以重油为主，其燃烧生成物包括：CO2、NOX、SOX和碳粒［1-2］。载重量为20 000 t、航速为15 kn的船，每天的燃油消耗就高达65 t，对应的CO2排放量会高达202 t。换言之，船舶在完成世界贸易运输的同时，也成为移动的污染源，港口、海峡和一些航线密集船舶流量大的海区更是如此［3-4］。

新能源因自身特点，要融入船舶电站，需要经过电力电子变换装置进行控制和转换，而目前电网和负载多使用交流电，该装置即为并网逆变器型。随着并网控制技术的发展，目前的并网控制策略有下垂控制、恒功率控制、恒压频控制等方法。在含有分布式电源的船舶微网中，并网逆变器是能量传递的核心，其性能直接影响发电设备向电网输出的电能质量，所以船舶并网逆变器控制策略是船舶多模式电站发展的关键技术。

传统同步发电机具有转动惯量大、输出阻抗大和功率自分配等特点。使同步发电机很好地实现稳定的电能输出、多机组并联、负荷均匀分配，配备转速和励磁控制器的同步发电机能够完成电力的生产和分配，并且具有很好的电力参数调整能力。下面从船舶电力系统特点分析同步发电机的内特性（转动惯量大、输出阻抗大）和外特性（功率自分配）的作用和意义：

（1）电力系统是一个具有惯量的系统，因此在构建船舶微网时也需要具有一定的惯量，如果船舶电力系统中没有或只有很少惯量，船舶大型负荷的突增突减会对电网产生很大的冲击，影响系统稳定。而且转动惯量的增大能使频率变化缓慢，特别适合负荷频繁变化的工况，即频率还没有来得及响应负荷的变化，负荷就已停止或朝相反方向变化，大大减小频率的波动范围，提高系统的稳定性。而船舶电力系统正是一个小容量的自主电力系统，船舶工况复杂多变使波动性负荷较多；另一方面，船舶新能源渗透率的提高会增加船舶电力系统的脆性，系统的可靠性和自愈性会因为缺乏惯性机械元件作为能量缓冲而降低。因此系统中的输出阻抗和惯量对于抑制短路电流、电能可靠性和电能质量具有重大影响。

（2）船舶多模式电站中包含多种新能源，微网是解决分布式电源并网问题的最有效途径之一［5］。若想让各种分布式电源协调、高效、可靠地发电输送到电网，则需要合适的微网控制方式。目前陆上微网主要控制结构有主从控制、对等控制和分层控制。

主从控制结构中的主控制器管理系统若发生故障，系统将无法工作，不具有冗余性；而且系统对通信依赖强，要求配备高速通讯网络，通讯网络受损会导致微网无法运行，这显然不符合构建强壮的船舶电力系统的要求。

对等控制结构在无通讯或弱通讯条件下，分布式电源能够依靠自身信息实现即插即用；通常采用下垂控制策略来实现系统功率的分配。这种结构设计简单、工作高效、系统扩展方便，但系统受到大扰动时，微网电压和频率会受到很大冲击，因此该结构适合简单的小型船舶微网。

分层控制中各部分的通讯属于弱连接，其中主控制器不参与暂态控制，即使短时间通讯失败，微网还可以正常运行，兼具前两种结构的优点，即能让微源即插即用，又可以通过中央控制器完成系统级控制，提高系统的可靠性［6］。此结构适合复杂的大型船舶微网。

所以，船舶微网的底层控制器（即逆变器）是否具有良好的调压调频和功率自我调节能力，对于船舶微网的构建至关重要。以前的下垂控制策略模拟同步发电机的输出外特性不具备类似的大输出感抗、大输出惯性的特点［7］，而这两个特点对于船舶微网参数稳定、多逆变器并联运行又具有重要作用。如果并网逆变器具有类似同步发电机的内外特性，那么这些新能源发电设备就可以如同步发电机一样接入船舶电网。借鉴同步发电机的供电系统的经验技术，就能使新能源更好地融入船舶电站，这就是虚拟同步发电机（VSG）控制策略。

1 虚拟同步发电机的建模

1.1 VSG拓扑结构

通过图1和图2分析可以看出并网逆变器与同步发电机相似：逆变器平均输出电压等效于同步发电机的内电势，逆变器输出滤波电感等效于同步发电机的同步电感，滤波电感、滤波电感与开关管的等效电阻等效于同步发电机的电枢电阻［8］。对于不同阶次的同步发电机模型所建立的虚拟同步发电机（VSG）模型也不同，其中经典二阶模型结构简单、实用性强，并且具备同步发电机的基本特性，本文即采用此种模型。

1.2 VSG本体数学模型

同步发电机的二阶机电暂态模型， 其中E为励磁电动势；U为发电机电枢端电压；Ra为电枢电阻；Xs同步电抗；J为转动惯量；Ω 为机械角速度；MT为机械转矩；Me电磁转矩。

式中：ωN为同步电角速度；θ为电角度；PT为原动机的机械功率；Pe为的电磁功率。

2 虚拟同步发电机的运行控制

由上述数学模型，可得基于虚拟同步发电机原理的并网逆变器的控制策略，如下页图3所示。

2.1 VSG的功频控制器

同步发电机输出有功功率与负荷有功相等，当负荷功率变化使发电机输出功率变化，会引起原动机输入功率与电磁功率不平衡，导致转速变化，从而使频率偏移。此时系统会改变原动机的进汽（水）量，调整发电机出力，让功率重新平衡，这就是电力系统的一次调频。参考同步发电机调速器原理，可设计出VSG的功频控制器，它模拟了同步发电机有功——频率的下垂特性，定义发电机静态调差系数R，引入系数 Kf=1/R来进行一次调频。

PN、fN分别为额定有功功率与频率，R*为标幺值。

仅靠一次调频无法让系统频率恢复到额定值，此时就需要进行二次调频，图中功频控制器的开关便是由分层控制的中央控制器发出有功功率调度指令对频率无差调节，它的原理是频率差通过 PI 控制器获得要调整的有功功率。

2.2 VSG的励磁控制器

同步发电机系统中通过调节发电机励磁电流来改变发电机无功功率，保持系统无功平衡，稳定电压。但在实际运行中，与发电机连接的电网并非无穷大系统，系统电压将随负荷的变化而变化。参考同步发电机的电压调节特性，可设计出VSG的励磁控制器，模拟同步发电机的励磁调节功能，用电压调整系数δ来表征VSG的电压调节能力。无功之差经过电压调整系数得到电压差，结合并网电压与实际发电机端电压之差，通过PI控制器便获得VSG的励磁电动势E0。

QN、VN分别为额定无功功率与电压，δ*为标幺值

以并联两台发电机观点为例，当负荷变化时，这两台发电机承担的无功波动为他们的电压变化一致，由式（7）可得。

2.3 虚拟惯量和阻尼系数对系统的影响

与同步发电机相比，逆变器具有较快的动态特性以及几乎零惯性的特点，给微网系统的安全稳定运行带来巨大挑战。船舶电力系统是独立的小系统，如果其惯性很小，那么少量的功率波动就会引起系统显著的频率偏移，甚至可能导致整个系统崩溃。

虚拟惯性时间常数J取值不同，在频率动态调节过程中逆变电源将表现出不同的惯性进而决定其在系统中承担随机波动有功功率的大小。 J 的取值太小，微网系统的惯性就小，此时微小的负荷波动就可能引起频率的快速变化；J的取值越大，对微网系统的频率支持作用越明显，但这意味着系统的动态响应越慢，即频率达到稳定状态的时间也就越长［9］。

图4为转子部分的传递函数，其中包含虚拟惯量和阻尼两个参数。

可求出VSG的功率闭环传递函数为：

VSG的自然振荡角频率为：

VSG阻尼比为：

由式（11）和式（12）可知，虚拟惯量J影响的是系统动态响应的振荡频率，而系统动态响应振荡衰减的速率则受虚拟阻尼D的影响。

由特征根轨迹图可知，阻尼系数D必不可少。其取0时，系统特征根位于虚轴，系统临界稳定，不具有抗扰动能力。随着D增大，系统阻尼比增大，振荡衰减越快；但随其继续增大，则其中一个特征根将靠近虚轴，稳定裕度降低。并且，D决定VSG一次调频能力，需要根据负荷扰动下允许频率偏移最大值设定阻尼系数［10］。

当系统有功负荷变化时，P- f下垂特性表达式为：

由式 （13） 可知，VSG 控制模块中的阻尼系数D会减小VSG的 P-f下垂特性曲线斜率，降低源之间的有功功率分配精度。减小阻尼系数D，可以减小上述影响，却可能导致系统出现低频功率振荡等问题。

3 船舶自主电力系统建模

船舶电力系统是一个在船舶平台上，由发电设备、配电设备、电网和船舶负荷组成的强耦合、非线性、高协同的系统整体。与陆上电力系统相比有很大不同：

（1）船舶电站容量较小，电力储备能力有限且发电机单机容量较小，大型负荷启停会对船舶电力系统造成很大冲击，因而对系统的稳定性和动态性能有较高要求。

（2）船舶负荷量差异巨大，且工况复杂多变，这会引起电网电压及频率的频繁波动，这对船舶电网的电压和频率支撑以及自动调节能力有很高要求。

（3）船舶是一个局限、独立、移动的平台，电气设备集中、海洋环境复杂，这要求船舶电力系统具有较高的可靠性和安全性，船用电气设备必须满足“船用条件”。

随着船舶新能源技术的发展，分布式能源（DG）的融入会给这样的自主电力系统增加新的脆性源。图5是目前常见的船舶微网结构，是一个交直流混合供配电系统，包含直流和交流母线，能够将不同类型的分布式电源、储能装置、负荷有机地结合起来，实现交流和直流系统之间的能量流动，分别满足这两个区域负荷需要，它们既能独立控制也可协调控制，大大提高船舶电力系统的能量传输效率和系统的可靠性，船舶微网可根据实际需要工作在并网或孤岛模式。分布式电源通过并网逆变器进行能量传递，其性能直接影响供电质量。所以，必须找到一种适合于船舶平台的新能源规模化接入的并网逆变器控制策略使新能源发电装置安全可靠地融入船舶电力系统。

船舶负荷种类多且工况复杂多变，分为静态负荷和动态负荷，前者包括各类仪器、照明等，后者主要是异步电动机类负载和推进装置。其中动态负荷对船舶电网影响最大，尤其是推进电机类。船舶电力系统中出现的电压波动和频率波动会影响并网逆变器的稳定运行，若波动太大会造成逆变器脱网；负荷的频繁投切也会导致逆变器频繁并网、离网，这些均会对船舶电网造成不良影响。因此，并网逆变器应具备应对船舶动态负荷的能力。

为验证虚拟同步发电机所具有的惯量大、功率自分配等特性在新能源融入下的船舶自主电力系统中的作用，本文设计虚拟惯量和阻尼系数的自适应调节策略，以解决不同工况下有效解决新能源设备和负荷突变引起的频率和功率的波动。

3.1 船舶工况分类

船舶工况可分为：

3.1.1 正常航行状态

电力负荷包括主机辅助设备、仪器仪表、导航设备、舵机等，负荷运行稳定。

3.1.2 进出港和备航状态

主动舵、锚机、侧推器等大型电力负荷启停，对电网影响很大。

3.1.3 停泊状态

甲板机械、起货设备和日常生活设备的电力需求较小。

3.1.4 应急状态

确保船舶重要负载供电。

通过分析不同船舶工况的特点，重点考虑分布式电源和负荷变化引起的功率波动，本文将船舶运行过程分为三类：进出港口、正常航行（平稳状态）、工作状态或者负荷频繁波动、停泊。

3.2 不同船舶运行过程中的虚拟惯量和阻尼系数优化设计

3.2.1 进出港口

此时发电设备和推进电机等启停，电力负荷较大且具有较强的随机性。参数优化目标：以暂态响应时间最短为目，让系统尽快稳定下来。

3.2.2 正常航行（平稳状态）

巡航状态下，负荷平稳，可考虑提高新能源的供电率。参数优化目标：保证新能源高渗透率下系统的抗干扰能力和分布式电源间的功率分配。

3.2.3 负荷频繁波动状态

工作状态，船舶上负荷频繁波动。参数优化目标：提高系统的稳定性，频率及其变化率不超过设定值。

3.2.4 停泊状态

此时主要为日常负荷供电，参数优化目标：减少控制器的运算量，可设置固定参数。

不同船舶工况的具体参数优化如表1所示，通过对虚拟惯量和阻尼系数的优化可使虚拟同步发电机控制策略能够自适应船舶的全部工况。

表1 不同工况下的参数优化情况

3.2.4.1 模式1

当负荷变化超出一定范围，以转子调节速度最快为目标，需要同时考虑惯量J和阻尼系数D的取值。

检测 VSG 的输入与输出功率差额，当ΔP＞C（这里调节阈值C的选取根据用户需求及具体负荷波动情况而定）时，自适应控制进入第 I 阶段，此阶段 J和 D 的设定值需满足的条件为［11］：

在该阶段的控制策略中，为加快虚拟转子的调节速度，阻尼系数可设计为 0（笔者注：参考文献［11］所述D取零是为缩短暂态过程，此说法有误，事实上D越大暂态过程越短，可见参考文献［7，9，10］，而一开始D之所以取0或较小值是为减少转子上的阻尼加快其调节速度），此时 J的取值为

由上式，令分子等于0，可求出阻尼系数D：

若输入功率大于输出功率，为使系统减速，虚拟惯量取负，为加快转子调节速度，阻尼系数仍设为0。

3.2.4.2 模式2

当ΔP≤C，虚拟同步发电机的功角变化是一个衰减振荡的过程，包含4个区间，这个振荡周期可分为这4个区间，如图6所示。

在区间1中，虚拟同步发电机的转子角速度ω大于电网角速度ωg，可用较大的惯量来阻止角速度的继续增大。在区间2中，虽然ω＞ωg，但ω已开始减速，此时即可用较小的虚拟惯量，使功率的震荡达到c点。区间3和区间4内的分析同理。由分析可知，虚拟惯量的取值由VSG的虚拟角频率与电网频率偏差以及虚拟角频率变化量的符号来决定，如表2所示可总结为同号大惯性和异号小惯性［12-13］。

表2 不同情况下的转子转动惯量

每个阶段的虚拟转动惯量可由式（19）来表示：

需要指出的是，在工程上J0和k的选取要对暂态响应超调和系统阻尼综合考虑，用户设置阈值C2用来跟踪频率的变化过程。综上演绎，可以编写出VSG的虚拟转子惯量和阻尼这两个参数的优化程序，如图7所示，以满足不同船舶运行过程中虚拟惯量和阻尼系数的优化，使VSG在船舶电站中更好地发挥作用。

4 仿真分析

在Matlab/Simulink下搭建仿真模型，VSG的具体参数：定子电枢电阻和电感分别为0.01 Ω和0.2 mH，LC滤波器的电感为18.4 mH，电容为10 μF，直流侧电压为800 V，额定频率fn为50 Hz，额定有功Pn为10 kW，电压调差系数K为 0.000 1，频率调差系数R为 0.000 1，转动惯量J0= 0.5 kg / m，阻尼系数D0=20。VSG运行在孤岛模式，带阻感性负荷，有功功率为10 kW，无功功率为 10 kVar。下页图8中（a）～（d）显示逆变器的输出情况。

可见，峰值为311 V，频率为 50 Hz的正弦交流电，电流峰值为30 A，说明基于虚拟同步发电机原理的并网逆变器能够提供稳定的电压和电流，控制性能良好。

船舶工况复杂，负荷多变，为检验系统动态性能，针对负荷变化进行仿真，来验证该控制策略应对船舶负荷变化的控制性能。系统在0.5 s时刻增加2 kW的负荷，1 s时刻减少4 kW的负荷，1.2时刻系统负荷恢复原来的10 kW。下页图9（a）和图9（b）分别为系统的电压和电流波形图。

可见，在负荷突变的时候，电压出现很小的波动，随即便恢复至额定值，电流能随负荷变化而快速变化，并且很快稳定下来，说明系统动态控制性能良好。

如图9（c）和图9（d）所示，当负荷变化时，有功功率会随负荷变化而变化，机械功率则随电磁功率变化而变化；但由于转动惯量的存在，机械功率不能突变，功频控制器进行调节，系统一次调频，在给定功率不变的条件下，机械功率小于电磁功率，使逆变器输出频率下降，呈现与同步发电机相似的特性。

在VSG控制器中引入虚拟转动惯量，用以抑制负荷变化造成频率变化以及减少机组振荡，稳定电站运行参数的关键，控制器的转动惯量J和阻尼系数D与系统的稳定性密切联系。

图10和图11为并网条件下VSG中J和D不同这两种情况下，逆变器输出的频率。可见，若增加转动惯量，可有效减小因负荷快速变化而导致系统频率的频繁变化，提高系统的稳定性。阻尼系数D主要影响系统的阻尼比，D越大暂态过程越短，越能快速达到稳定。由于转动惯量和阻尼系数是虚拟存在的，不像同步电机会受实际制造工艺的限制，可以根据具体情况灵活选取，这也是VSG的重要优点。

图12为采用本文控制方法时，VSG输出频率平稳过渡至新的稳态，且几乎没有超调，说明了VSG 的虚拟惯量和阻尼系数能够根据外界扰动情况而自适应调节，从而使响应过程明显改善。

5 结 论

本文主要研究具有船舶特质的电力系统因新能源融入而造成脆性源增加和系统惯量减少所导致系统容易失稳、抗干扰能力差、多种分布式电源之间功率的协调分配等问题。提出在船舶多模式电站中可采用基于灵活配置参数的虚拟同步发电机原理的并网逆变器控制策略，因其具有类似同步发电机输出阻抗大、转动惯量大、功率按下垂特性分配的特点，适用于船舶电力系统这类自主电力系统。最后，通过搭建系统模型对控制策略进行仿真验证，为基于虚拟同步发电机的并网逆变器控制策略在船舶新能源技术发展中的作用提供依据。

［1］Fernández Soto J L， Garay Seijo R， Fraguela Formoso J A，et al. Alternative sources of energy in shipping［J］. Journal of Navigation， 2010（3）：435-448.

［2］Hidy G M， Chow J C， England G C，et al. Energy supplies and future engines for land， sea， and air［J］. J Air Waste Manag Assoc， 2012（11）：1233-1248.

［3］Cristea O， Popescu M O， Calinciuc A S. A correlation between simulated and real PV system in naval conditions［C］//International Symposium on Fundamentals of Electrical Engineering（ISFEE），2015：1-6.

［4］Cogliolo A. Sustainable shipping green innovation for the marine industry［J］. Rendiconti Lincei， 2015（1）：65-72.

［5］李威武. 微网技术在解决分布式电源并网问题中的应用分析［J］. 通讯世界，2014（9）： 114-115.

［6］杜燕. 微网逆变器的控制策略及组网特性研究［D］.合肥：合肥工业大学， 2013.

［7］吕志鹏，盛万兴，钟庆昌，等.虚拟同步发电机及其在微电网中的应用［J］.中国电机工程学报，2014（16）：2591-2603.

［8］曾正，邵伟华，冉立，等.虚拟同步发电机的模型及储能单元优化配置［J］.电力系统自动化，2015（13）：22-31.

［9］张亚楠，朱淼，张建文，等. 基于自适应调节的微源逆变器虚拟同步发电机控制策略［J］. 电源学报，2016（3）： 11-19.

［10］郑光辉. 基于虚拟同步发电机功率控制策略的光伏发电系统研究［D］. 重庆：重庆大学， 2014.

［11］陈来军，王任，郑天文，等.基于参数自适应调节的虚拟同步发电机暂态响应优化控制［J］. 中国电机工程学报，2016（21）：5724-5731.

［12］程冲，杨欢，曾正，等.虚拟同步发电机的转子惯量自适应控制方法［J］. 电力系统自动化，2015（19）：82-89.

［13］Alipoor J， Miura Y， Ise T. Distributed generation grid integration using virtual synchronous generator with adoptive virtual inertia［J］. Energy Conversion Congress & Exposition， 2013，8237：4546-4552.

9 400 标准箱集装箱船系列首制船成功交付

5月22日，由中国船舶及海洋工程设计研究院（MARIC）设计，中海工业（江苏）有限公司建造的9 400标准箱系列集装箱船之首制船“CMA CGM RODOLPHE”号在上海长兴岛举行了命名交船仪式。MARIC的副院长沈伟平以及该船总设计师刘巍等受邀出席交船仪式。

该船型是MARIC自主研发设计的第三型9 000箱级系列集装箱船型，航速、油耗与装箱量等重要指标通过试航验证，均达到甚至超过了合同指标要求。通过进一步的线型综合优化，该船型在实际营运范围内能耗得到大幅降低；通过设计的综合优化，结合最新的绑扎技术，提高了载货能力和载货灵活性。该船舱盖上装箱数由9层提高至11层，总装箱数由9 400箱提高至10 926箱；冷箱箱数由1 000箱增加至1 440箱；对上层建筑采用特殊设计，节省了建造成本。

“CMA CGM RODOLPHE”号的成功交付进一步巩固了MARIC在大型和超大型集装箱船设计领域的领先地位。

Application of virtual synchronous generator based on fl exible parameters adjustment in ship independent electrical power system

PANG Yu1,2LIU Hong-da1DAI Cheng1
(1. School of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 2. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 20001 1, China)

Along with the global energy crisis and increasing environmental pollution, green/environmental protection has become the future direction of the ship development. The application of the new energy on the ship platform has been investigated by the worldwide researchers to achieve energy saving and emission reduction. Owing to the introduction of the new energy into the marine electric power system, problems caused by the increase of brittle sources and the decrease of system inertia are investigated in this paper, such as more unstable system, poor anti-interference ability and coordination allocation of the power among a variety of distributed generators. A control strategy of the gridconnected inverter based on the principle of the virtual synchronous generator is proposed to the be applied in the multimode ship power station. It is similar as the synchronous generator, and can be characterized of large output impedance, great inertia and power distribution according to the droop characteristics, which are suitable for such independent electrical power system as the marine electrical power system, and the adaptive adjustment strategy of virtual inertia and damping coeff i cient is designed to make full use of the fl exible adjustability of the virtual inertia and the damped coeff i cient of VSG. The fl uctuations of frequency and power induced by the new energy generation equipment and the sudden load change can be effectively solved under the different operation conditions, and the simulation results verify the correctness and effectiveness of the proposed control strategy in new marine energy technology.

green ship; new marine energy; virtual synchronous generator; adaptive adjustment; marine independent electrical power system

U665.1

A

1001-9855（2017）03-0061-11

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.03.061

2016-11-08；

2017-01-04

庞 宇（1990-），男，硕士。研究方向：新能源发电、船舶电力系统、虚拟同步发电机技术。

刘宏达（1976-），男，博士，副教授。研究方向：船舶电力系统。

戴 成（1993-），女，硕士。研究方向：新能源发电、虚拟同步发电机技术。