一种适用于新能源船舶的多功能并网逆变器

庞 宇 刘宏达

（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）

船舶电气与通信

一种适用于新能源船舶的多功能并网逆变器

庞 宇1,2刘宏达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）

船舶电网电能质量不仅会影响设备的使用效率和可靠性，还会降低船舶运行的经济性和安全裕度，甚至威胁到船舶的安全性。随着船舶新能源技术的不断发展，各种新能源在船舶平台上的使用也给船舶电网电能质量带来一些新问题。文章分析了船舶电网电能质量的三个重要影响因素。基于改进型ip-iq法的谐波无功检测的思想，提出一种多功能并网逆变器控制策略——既能够充分利用逆变器的剩余容量，在完成并网的同时，还能够提供无功补偿、谐波抑制等多目标控制的一体化装置，对船舶电网电能质量进行分散式补偿和控制，不仅有效提高逆变器的利用效益，还节省宝贵的船舶空间，降低投资成本。该控制策略省去了低通滤波器，提高检测速度和精度，能在无中性线的船舶三相三线制系统中无需改变传统逆变器拓扑结构便能实现不平衡电流的补偿，最后通过仿真验证了该方法的正确性和有效性。

船舶新能源；多功能并网逆变器；改进型ip-iq法；船舶电网电能质量

引 言

随着新能源技术的发展，未来新能源大部分将转化为电能进行能量管理。由于不同能源发电设备的工作特性、架构模式各不相同，外加还要考虑船舶载体以及海洋环境的特点，因此在船舶上综合利用各种能源发电，会涉及到不同发电单元和储能装置的管理、电能质量控制等问题。虽然目前大多仍以实际情况对传统船舶电力系统进行相应改动，而没有从系统的角度将新能源融入船舶电力系统之中。不过，随着新能源发电渗透率的不断提高以及规模化地接入船舶电力系统，日后必将给船舶电网带来革命性的发展。

船舶电网的电能质量问题正受到人们的不断并注，它对于船上用电设备的使用效率、可靠性、使用寿命以及船舶运行的安全性和稳定性都存在着很大的影响。船舶上电力电子装置的增加，间歇性绿色能源的融入都会给船舶电网的电能质量带来很大的影响。因此，构建含新能源的船舶电站的同时必须分析新能源发电设备的融入可能给船舶电力系统带来的影响，并且提出合适的电能质量改善方法以保证船舶电网的电能质量。

本文针对船舶电力系统的特性和船舶电网的电能质量指标，简要分析了影响含有新能源发电设备的船舶电网电能质量的两个重要因素：一个是新能源发电设备造成的谐波、闪变以及电压频率的波动，另一个是船舶工况及负荷对电网电能质量的影响，如冲击性和波动性负荷。然后根据主动补偿、被动补偿等不同电能质量治理方式的特点，确定了一种适合于船舶平台的电能质量综合治理方法，即采用多功能并网逆变器，充分利用逆变器的剩余容量，在完成新能源并网发电的同时，还能够提供无功补偿、谐波抑制、三相不平衡治理等功能。

本文介绍的多功能并网逆变器是基于改进型ip-iq法的谐波无功检测的理念，其具有以下两个优点：

（1）不需要采用低通滤波器（Low pass filter，LPF），提高检测速度和精度，尤其适合于复杂多变的船舶工况下负荷对电网的不利影响，具有实用性。

（2）专为船舶电力系统三相三线制而设计，能在无中性线情况下完成不平衡电流的补偿，且无需在普通逆变器上增加第四桥臂（即不改变拓扑结构），从而有效节省空间和成本，具有较好经济性。

1 船舶电网电能质量的研究

1.1 船舶电网电能质量的重要性

船舶电网中电能质量问题主要有两方面的影响：一方面会降低设备的使用效率和可靠性，影响敏感性负荷的性能，大大减少其使用寿命，降低船舶运行的安全裕度，严重时甚至会威胁到船舶的安全性（比如一些推进电机等负荷的使用效率、并网逆变器的正常工作、船上的通讯、导航系统及海难救助设备都会受到电网电能质量的影响）；另一方面会使船舶运行经济性下降，较低的功率因数会增加系统线损，谐波还会产生损耗，若谐波超出一定范围，则需采取降低航速或船舶电站降低容量的应急措施来确保船舶安全运行；但这会增加船舶总能耗，不利于节能。例如在2002年，我国一艘化学品船和一艘半潜船都因谐波超标使配电板过热烧坏而只能降低航速和电站容量以保证船舶的安全运行；此外，我国“康盛”号和“泰安”号全电力推进船的电网容量选择和安全性也曾因船上过多的电力电子变换装置所产生的谐波而受到很大程度影响［1］。

1.2 船舶电网电能质量的影响因素

船舶电网容量相对较小，以及实际航行中会出现各种工况，含大功率和非线性负荷、电力电子装置较多等，这些都会对船舶电网电能质量产生很大影响。船舶工况和海洋环境复杂多变，并且船舶在航行过程中，船上用电负荷的变化都会引起一系列电能质量问题，这些问题大致可分为三类：分布式电源造成的谐波、电压和频率的波动，船舶工况及负荷的影响，如负荷的突加、突卸，以及电网故障对暂态电能质量的影响。

1.2.1 分布式电源造成的影响

光伏发电设备会引起电压波动和谐波污染，风力发电机并网会出现电压跌落问题，燃料电池会引起谐波污染和降低功率因数，同步发电机式的微电源会引起频率波动和电压闪变等［2］。其原因包括外部环境和内部结构两部分。前者是因为海洋环境复杂，温差大、湿度高等造成风光能的间歇性、随机性，从而导致发电设备并网电压发生波动。而新能源并网系统内部结构对电能质量则会造成更大的影响。参考文献［3］中对于大型滚装船船上光伏并网系统内部结构对电网电能质量的影响作了具体分析，其中有Boost变换电路、MPPT控制方法、并网逆变器电路参数等部分。除分布式电源外，所连接的电力电子装置也会造成严重的谐波污染。参考文献［4-6］重点分析微网中由微源引发的谐波谐振，及其可能引发的并网逆变器脱网后果，并给出微网电能质量的标准和要求，指出电能质量在微网安全运行中的意义［7］。

1.2.2 船舶工况及负荷造成的影响

船舶工况复杂多变，对船舶电网参数影响较大，尤其航行中遇到恶劣天气时，电网参数波动剧烈。负荷无功需求会造成船舶电网中电压波动和闪变，非对称负载和非线性负荷会产生大量的谐波。大型负荷启停时，对小容量船舶电网的冲击非常大，并恶化电能质量。

1.2.3 船舶电网故障对电能质量的影响

船舶电网故障主要造成暂态电能质量问题，包括电压跌落和脉冲、暂态振荡及浪涌等，如发生单三相故障、三相不平衡等［8］。

1.3 船舶电网电能质量的改善

有源滤波器和无功功补偿设备等能很好改善电网电能质量，常用的有APF（Active power filter）、DVR（Dynamic voltage restorer）等电能质量控制装置。文献［9］综合考虑了电能质量的改善效果和经济性，联合使用APF与SVC（Static var compensator）。其中前者放于微源处，以消除谐波和小容量补偿无功；后者放于负荷附近，就地满足负荷无功需求，消除电压波动［1］。

目前，考虑到并网逆变器和电能质量控制装置在结构上的相似性，并且一般而言，并网逆变器会有较大的裕度（以光伏系统为例，往往仅使用额定容量的50%～70%），尚有很大的治理电能质量的潜力，因此很多学者都致力于将滤波及无功补偿等功能融入逆变器中，实现有功并网、电能质量改善的多功能复并网逆变器。参考文献［10］将并网逆变器和APF结合起来，应用于光伏发电系统中，能在完成并网发电的同时治理谐波，不足之处是只针对三相对称的负荷。参考文献［11］所采用的的逆变器控制策略能实现无功补偿以提高电网的功率因素，但功能单一，不具备谐波电流和三相不平衡的补偿功能，所以还不是真正意义上的多功能逆变器。

［12， 13］对具有综合电能质量补偿功能的并网逆变器（Unified power quality conditioner，UPQC）进行深入研究，但过于昂贵，工程上不实用［7］。文献［14， 15］对多功能并网逆变器的多种控制模式进行了完善，并创新性应用于绿色船舶，但这种逆变器增加了第四桥臂，不仅使控制策略复杂化还增加了装置成本和体积。

这种从分布式电源变流器的控制策略出发，利用它去主动去改善电能质量的措施可称为电能质量主动控制，通过变流器复合利用的控制方法，实现变流器的多目标控制［16］。船舶电网线路较短，且DG（Distributed generation）离负荷及谐波源较近，便于就地治理，并且DG分散式接入，形成电能质量治理的网络化结构，根据用户需求以及监测点谐波严重情况制定个性化方案，即实现局部或全局的电能质量治理和控制。

因此，采用新型的控制策略能够根据用户的电网电能质量定制方案充分利用在安全条件（过载保护容量限制）下的动态剩余容量完成相应的电能质量治理功能，减少额外设备的投入就能同时完成并网发电和微网电能质量的分散式治理，与集中治理相结合，经济高效地改善电网的电能质量。

2 基于多功能逆变器的电能质量治理及其基本设计原理

采用静止无功补偿等其他装置提供无功来支撑电压和治理谐波提高船舶电网电能质量，不仅增加成本，还占用船舱的宝贵空间。多功能并网逆变器（Multi-functional grid-connected inverter，MFGCI）能够在完成并网发电的同时，还能改善电网电能质量，在船舶电站电网中充分利用逆变器的剩余容量，减少额外设备的投入，能同时完成分布式电源并网发电向船舶电网传输有功和无功能量，以及对船舶电网电能质量的分散式或治理，与集中式治理相结合，经济高效地改善电网的电能质量，其中包括PCC处谐波和无功的补偿、治理三相不平衡等［17］。相对于多台功能单一的电力电子装置而言，这种多目标控制、多功能复用的一体化装置，将大幅降低系统投资和体积，因此非常适合船舶新能源发电系统，而针对船舶电网特性的并网逆变器及其控制策略的研究和设计是非常重要的。

从分布式发电（DG）并网系统和有源电力滤波（APF）的拓扑结构、工作原理、控制方法上分析可知，它们虽然存在着差异，但是本质是一样的，将其组合在一起形成多功能并网逆变器是切实可行的。理由如下：

（1）其核心部分是逆变器，所采用的控制方式相似，都包含输出电流控制部分，采用 PWM的控制方式。前者是分布式电源功率控制，后者是对谐波电流和无功电流的检测。

（2）其直流侧结构基本相同，都是起到稳压和抑制纹波作用。直流侧的能量来源不同，DG系统是将其他形式的能量转化为电能以此来稳定直流侧电压了。而APF是将交流网的电能整流成直流能量，来稳定直流母线电压。

多功能并网逆变器其实就是在常规控制策略基础上变化：通过电流检测环节形成谐波和无功电流指令值，并和有功参考电流一起合成并网电流指令值，产生PWM信号控制开并管的通断。

3 多功能并网逆变器的关键环节——谐波、无功电流检测方法

3.1 传统ip - iq 理论检测方法

传统ip- iq法在工程上大量使用，是基于瞬时功率理论，简单可靠地实现准电网谐波电流，即使电网电压发生畸变也能检测出基波正序电流。ip- iq法原理如图1所示：采样的三相电流经C32转换矩阵转换到α-β静止坐标系，结合锁相环得到的电网相位信号θ；再由矩阵C计算出有功和无功电流，经低通滤波器获得直流分量；最后再坐标逆变换，与原电流做差，可得出谐波和无功目标电流。图中的开并可以实现无功补偿，还可通过提取出的无功电流计算求出无功功率的大小，防止逆变器过载。

但传统ip- iq法仅适用于三相三线对称系统，船舶电力系统虽然是三相三线制，但也存在着三相不平衡问题，在传统ip- iq法中需要使用低通滤波器（LPF），这会让谐波电流的检测时间产生一定的延迟，降低其动态性能。另外还有一个重要问题：传统ip- iq法中还采用锁相环（PLL）以获得标准旋转矢量的相角；然而船舶负荷量差异大且工况多变，这会造成船舶电网电压和频率的频繁波动，大大影响锁相环检测的准确性和精度，这就需要采用适合船舶电网特性的改进的ip- iq法（不需要增加用于控制中性线的第四桥臂和锁相环）来解决上述问题［18］。

3.2 基于平均值理论的ip-iq法

平均值模块也是以同步变换为基础，替代了传统ip- iq法中的低通滤波器，平均值法在连续域中为，原理如图2所示。

系统中若出现三相不平衡电压，首先采用对称分量法将零序电压分离出来，剩余的正负序电压采用类似ip、iq的变换，经过平均值计算模块，求得其直流分量。

其中变换坐标为：

由平均值电流计算模块获得负载电流基波的有功和无功分量，再通过反变换得到三相基波电流：

从而可以求出目标电流：

把式（2）代入式（3）可得：

通过平均值模块后的直流分量为：

改进后的平均值模块延时变短，大大减少电流检测时间，提高谐波电流补偿的实时性。最终，基于平均值理论的ip-iq法原理如图4所示。

与传统ip-iq法类似，采样的三相电流剔除掉零序分量后经C32转换矩阵转换到α-β静止坐标系；结合通过相位信号计算模块得到的φu，再由矩阵C计算出有功和无功电流，经低通滤波器获得直流分量，最后进行坐标逆变换，与原电流做差，可以得出谐波和无功目标电流。

3.3 目标电流的生成

多功能逆变器的目标电流包括电流源型DG并网有功电流（如光伏系统通过最大功率跟踪获得）、系统谐波和无功指令电流，后者通过上面的改进型ip-iq法准确和快速地检测出来。逆变器有以下三种工作状态：一是DG单独并网发电；二是单独实现APF的功能；三是DG完成并网发电，并提供APF的功能。

船舶电网电能质量参数的具体要求目前还未统一，均根据不同船的实际需求而定。本文将根据总谐波含量、功率因素及逆变器容量三个方面来确定目标电流。首先目标电流的生成会涉及以下几个变量［21］：

（1）系统总谐波含量THD：

式中：IH为总谐波的有效值；I1为基波的有效值。（2）功率因素Q

式中：ip和iq分别为有功电流和无功电流。

（3）总谐波含量偏差量，即船舶电网实际的谐波电流值与相并标准（本文设定THD≤5%）之间的偏差量。

则应补偿总谐波为：

（4）无功电流偏差量，即其实际值与相并标准（本文设定为≥0.9）之间的偏差量。

则应补偿无功为：

（5）逆变器剩余容量［21］，即逆变器总容量（用额定电流I0表示），除去DG并网有功电流ip。

目标电流的生成可分为以下四种情况：

（1）THD≤5%，Q≥0.9，即电网的总谐波含量、功率因数均符合相并标准，既不用补偿谐波也不用补偿无功电流。此时谐波和无功电流指令值为：

（2）THD≤5%，Q＜0.9，即电网中仅因数不符合相并标准。此时要对无功的偏差量和逆变器剩余容量之间作以下判断：①若无功偏差量小于剩余容量，则对无功完全补偿；②剩余容量刚达到或不足，则剩余容量全部补偿无功。此时谐波和无功电流指令值为：

（3）THD＞5%，Q≥0.9，即电网中仅总谐波含量不符合相并标准，判断同（2），此时谐波和无功电流指令值为：

（4）THD＞5%，Q＜0.9，即电网的总谐波含量和无功含量不符合相并标准。此时判断准则为：①总谐波和无功补偿量之和不大于逆变器剩余容量；②优先对谐波含量偏差量和无功偏差量二者较大的进行补偿，令其满足要求后再对另一指标进行补偿。此时谐波和无功电流指令值为：

通过上述计算便可求出谐波和无功指令电流。把谐波电流指令值，以及无功与有功指令电流合成经过坐标变换所得到的基波值进行叠加，便可得到目标电流，原理如图5所示。

4 多功能逆变器仿真分析

在Matlab/Simulink下搭建仿真模型，为了验证多功能逆变器的综合性能，选用三相整流负载和三相不平衡负载，如图6所示。其中：前者每相的阻抗值不同，可产生不对称电流；后者触发角固定，可产生谐波电流。

4.1 多功能逆变器电能质量的治理

首先接入三相整流负载。一开始由三相交流电源供电，在0.2s时光伏并网逆变器投入，进行了谐波治理和无功补偿。

从图7可以看出，非线性负载产生含有大量谐波的“马鞍波”电流，经过逆变器有源滤波后，变成了正弦波形状，通过对比图8（a）（b），总谐波含量从20%降至1.82%。其中，对电力系统影响最大的第3、5、7次谐波含量从20%以上降至0.9%左右，高次谐波含量也明显降低，从图8（c）看出，功率因数从92.5%升至约100%，动态补偿无功效果显著。这表明电网电能质量获得明显改善。

然后接入三相不平衡负载。如前所述，一开始负载由三相交流电源供电，在0.2s时光伏并网逆变器投入，进行了电能质量治理，效果如下页图9和图10所示。

出现三相不平衡电流时，中性点电流不为0，从图11可以看出，传统ip-iq法的多功能逆变器无法解决电网中出现的三相不平衡问题。

4.2 改进型 ip-iq法检测性能仿真

前文分析了传统ip-iq法中，由于使用了低通滤波器，使得谐波电流的检测存在一定延时（可能是周期的数倍），而本文的改进型检测算法，使延迟周期最低可降至六分之一，大大提升了检测速度。下面将使用截止频率为20 Hz的低通滤波器传统检测法与改进型检测法的有功电流和无功电流检测速度进行比较（参见图12）。

从图12（a）可以看出，传统谐波检测方法中，0.06s后才完成对有功和无功电流的提取，说明该方法存在着近三个周期的延迟，检测速度较慢。而图12（b）中，有功电流在0.01s，无功电流在0.015s时就达到稳定，检测速度很快。

当出现三相电压不平衡时，三相电压中会出现了零、负序电压，传统检测方法使用到的锁相环对电压相位的检测会出现偏差。为了验证改进检测方法在三相电压不平衡时能准确的提取电压相角，仿真中设置三相电源电压的初相角为60°。图13是以改进检测方式提取的相角。

5 结 论

本文分析了船舶电网电能质量对船舶设备的正常工作，船舶航行的安全，以及船舶的节能效益的影响，反映了优质的电能对于保障船舶电力系统的安全、高效、经济地运行的重要性。船舶电网容量较小、工况多变，大型电机负荷等因素对船舶电网的电能质量影响较大。本文基于改进型ip-iq法的谐波无功检测的思想，提出一种多功能并网逆变器控制策略，从而能够充分利用逆变器的剩余容量，在完成并网发电的同时进行无功补偿、谐波抑制和三相不平衡补偿等其他功能，不仅提高逆变器的利用效益，还节省宝贵的船舶空间，并且有效降低投资成本。文章通过仿真验证了该方法的正确性和有效性。

［参考文献］

［ 1 ］ 许晓彦. 船舶多模式电站与船舶电网电能质量研究［D］. 上海：上海海事大学， 2007.

［ 2 ］ 高徐群. 分布式电源并网对电能质量的影响分析与评估［D］ .北京：华北电力大学， 2012.

［ 3 ］ 袁成清， 张彦， 孙玉伟， 等. 大型滚装船船电-光伏并网系统构建及电能质量分析［J］. 中国航海， 2014（3）：21-24.

［ 4 ］ ABEYASEKERA T， JOHNSON Cm， ATKINSON D J，et al.suppression of Line Voltage Related Distortion in Current Controlled Grid Connected Inverters［J］. IEEE Transactions on Power Electronics， 2005（6）：1393-1401.

［ 5 ］ 解绍锋， 李群湛， 赵丽平. 谐波国家标准有并问题的探讨［J］. 电网技术， 2006（13）：94-97.

［ 6 ］ WANG T C Y， YE Z，sINHA G， et al. Output filter design for a grid-interconnected three-phase inverter［C］// Power Electronics specialist Conference， 2003. Pesc ’03. IEEE， 2003（2）：779-784.

［ 7 ］ 曾正， 赵荣祥， 杨欢， 等. 多功能并网逆变器及其在微电网电能质量定制中的应用［J］. 电网技术， 2012（5）：58-67.

［ 8 ］ 和树海， 袁成清， 孙玉伟， 等. 基于船舶电力系统的光伏并网发电实验平台设计及评价［J］. 船舶工程，2013（2）：67-69.

［ 9 ］ 高晓芝. 微网控制策略与电能质量改善研究［D］. 天津大学， 2012.

［10］ 张国荣， 张铁良， 丁明， 等. 光伏并网发电与有源电力滤波器的统一控制［J］. 电力系统自动化， 2007（8）：61-66.

［11］ BARBOSA P G， ROLIM L G B， WATANABE E H， et al. Control strategy for grid-connected DC-AC converters with load power factor correction［J］. IEE Proceedings-Generation， Transmission and Distribution， 1998（5）：487-492.

［12］ 张国荣， 张铁良， 丁明， 等. 具有光伏并网发电功能的统一电能质量调节器仿真［J］. 中国电机工程学报，2007（14）：82-86.

［13］ HAN B， BAE B， KIM H， et al. Combined operation of unified power-quality conditioner with distributed generation［J］. IEEE Transactions on Power Delivery，2006（1）：330-338.

［14］ LIU H， ZHOU L. A multi-functional grid-connected inverter and its application in the green ship［C］// Oceans. IEEE， 2014：1-5.

［15］ ZHOU L， LIU H， XU Y， et al. A multi- functional grid connected inverter and its application in the all-electric ship［C］//Transportation Electrification Asia-Pacific，2014.

［16］ 李彦林. 微电网电能质量主动控制策略研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2014.

［17］ 刘宏达， 周磊. 多功能并网逆变器及其在接入配电系统的微电网中的应用［J］. 中国电机工程学报， 2014（16）：2649-2658.

［18］mINDYKOWSKI J， XU X， TARASIUK T. A new concept of harmonic current detection for shunt active power filters control［J］.measurement，2013（10）：4334-434.

［19］ 唐忠， 黄青. 基于平均值理论的谐波电流检测的研究与仿真［J］. 上海电力学院学报， 2012（3）：201-205.

［20］ 赵威. 基于LCL的多功能光伏并网逆变技术研究［D］.湖北：湖北工业大学， 2014.

［21］ 李子龙. 基于LCL的光伏并网谐波抑制技术研究［D］.湖北：湖北工业大学， 2014.

Multi-functional grid-connected inverter suitable for new energy ship

PANG Yu1,2LIU Hong-da1
(1.school of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 2.marine Design & Research Institute of China,shanghai 200011, China)

The power quality of the ship electric network will affect the efficiency and reliability of the equipment, and reduce the economy and safety margin of the ship operation, as well as seriously threaten the ship safety. With the increasing development of the new marine energy, the application of the new energy on ships brings out new problems of power quality. This paper analyzes the three important factors that affect the power quality of the ship electric network , including the harmonic wave produced by the distributed power, the fluctuation of voltage and frequency, and the network fault. Based on the modified ip-iq harmonic reactive power detection method, it proposes a multi- functional grid-connected inverter control strategy, which can fully utilize the residual capacity of the inverter. While the grid connection is completed, it can provide the multi- objective control integrated devices,such as the reactive power compensation and harmonic suppression, for the distributed compensation and control of the power quality of the ship electric network. It can also improve the availability of the inverter,save the valuable ship space and reduce the investment cost. This control strategy eliminates the low-pass filter, and improves the detection speed and accuracy.moreover, the unbalanced current compensation can be realized without changing the traditional inverter topology in a marine three-phase three-wire system without neutral line. Finally, the correctness and effectiveness of this method are validated by simulation.

new marine energy;multi-functional grid-connected inverter; improved ip-iqmethod; power quality ofship electric network

TM464

A

1001-9855（2017）05-0065-10

2017-01-11；

2017-02-24

庞 宇（1990-），男，硕士研究生。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。

10.19423 / j.cnki.31-1561 / u.2017.05.065