基于模式切换的舰船逆变器并网策略

卜乐平 欧阳继能 王黎明 刘小虎

（海军工程大学电气工程学院 武汉 430033）

0 引言

舰船综合电力系统是一个独立运行的电网电力系统，因舰船航行时任务不同，舰船电网负载在不同时间也会发生变化。当舰船高速航行时，舰船电网需将大部分能量转移至推进系统，此时需降低低压电网负载进行能量转移，采用辅助发电机对低压电网进行辅助供电。当舰船正常航行时，中压直流电源用于电力推进之余，还通过逆变器将电源转化为工频交流电用于对低压设备进行供电，此时可将舰船辅助发电机关闭，以控制航行噪声，优化能量配置方式。舰船低压电网的设备由于时间不同、任务不同，电网负载会产生较大变化，并且由于设备密集程度高，负载中含有一部分非线性负载，如何灵活有效地控制电网电源功能配电，是在保障低压设备供电的前提下，实现最优化配置是舰船低压电网能量管理的重点和难点[1-2]。

通过逆变器将舰船电网的中压直流电源转化为工频交流电源进行供能，此时逆变器采用电压源控制。为提高舰船低压电力系统的可靠性[3-4]以及带负载能力，采用辅助发电机对低压区域进行辅助供电。但是逆变器与辅助发电机在电压与频率控制方法、输出阻抗特性、带负载能力、抗干扰能力等方面存在较大差异，导致逆变器与辅助发电机并网控制较困难，且传统的陆上逆变器并联、并网控制策略难以解决。因此，有必要展开对舰船低压电网中逆变器与辅助发电机并网控制策略的研究，为舰船综合电力系统低压电网能量管理系统运行与控制提供技术基础。

针对逆变器与发电机并网的问题，国内外学者已进行了较为深入的研究[5-8]。在逆变电源并联控制方面，主要通过三相LCL型滤波器的阻抗建模[9]、电流预测[10]以及多逆变并网[11]进行分析，通过电网阻抗估计[12-13]以及引入虚拟阻抗[14-16]实现逆变电源的并网。在区域电网无功功率均分[17-18]方面，文献[19]通过微电网同步补偿。文献[20]通过电压扰动进行补偿的方法实现无功均分。在逆变器并网控制策略方面，文献[21]提出了一种针对新能源发电逆变器与发电机并联混合供电的控制策略，但是在逆变器与发电机并网的过程中并没有考虑实际负载转移过程中能量突变导致逆变器逆功停机的问题。

本文以舰船逆变器与辅助发电机并网供电为研究对象，在介绍舰船低压电网系统运行模式时，结合逆变器单独带载、辅助发电机单独带载、逆变器与辅助发电机并网功率分配等不同工况下的运行需求，提出将逆变器电压源、电流源模式切换与舰船辅助发电机同期并网的控制策略。搭建舰船低压电网能量管理系统仿真，并在实验室搭建1∶1样机系统，验证所提控制策略的可靠性，降低工程技术应用风险。

1 舰船低压逆变器与辅助发电机区域混和供电系统及其控制方式

1.1 系统结构以及运行模式

舰船综合电力系统中的低压电网供电来源主要有两部分：①将用于电力推进的中压直流电源经过DC-DC变流器斩波成710V直流电源，再通过逆变器转化为工频 390V交流电；②通过舰船辅助发电机直接发电对低压公共母线进行供电。当逆变器与辅助发电机同时对舰船低压电网进行供电时，辅助发电机为电压源，逆变器通过锁相环对辅助发电机进行整步、同期操作，充当电流源的角色，逆变器与辅助发电机并网低压系统结构如图1所示。BRK1、BRK2分别为逆变器1、2出口断路器，QUI为逆变器侧的母联断路器，QAG为辅助发电机侧母联断路器。该电网存在三种运行模式：模式 1，辅助发电机单独带负载；模式2，逆变器单独带负载；模式3，逆变器与辅助发电机并网同时带负载。

图1 逆变器与辅助发电机并网低压系统结构Fig.1 Inverter and secondary grid-connected power distribution process

舰船低压电站逆变器与辅助发电机在三种不同模式情况下的控制方式见表1。

表1 舰船低压电站逆变器与辅助发电机不同模式下控制方式Tab.1 The relationship between voltages and currents in different intervals

1.2 单逆变器带载控制方式

舰船低压电站逆变器通过将直流电转换为三相交流电，逆变器的进线为DC 710V，经过逆变器输入侧直流熔断器、进线断路器对逆变器进行供电，逆变器通过 IGBT组成的三相半桥以及 LCL型滤波，输出电压为 390V工频交流电，为舰船低压交流负载提供电能，其主电路拓扑如图2所示。

图2 逆变器主电路结构Fig.2 Inverter main circuit structure

逆变器输出阻抗特性与控制策略息息相关，本系统采用带参考电压的电容电压与电感电流双闭环的控制方案，控制框图如图3所示。图中，kpi为电流环比例系数，KpV和KiV分别为电压环的比例系数和积分系数，Lm和Rm分别为滤波电感及其内阻参数，Cf和Rf分别为滤波电容及其内阻参数，Uref、Ugd、Uid、iid、igd、iLd、im、ugq分别为电压环参考值、电压输出反馈参考值、电压输出反馈值、输入电流、输出电流、电流内环反馈电流、滤波后电流、线路损耗电压。为保证输出电压的准确性，电压外环采用PI控制方式，电流内环采用P控制，可以提高电流输出的相应速度。逆变器输出结构相对应的传递函数为

图3 逆变器电压电流双闭环控制框图Fig.3 Inverter voltage current double closed-loop control block diagram

逆变器输出的戴维南等效模型为

式中，VINV为逆变器输出电压；Z0为线路阻抗。

1.3 逆变器与辅助发电机混合带载控制方式

逆变器与辅助发电机并网后的等效输出如图4所示。图中，VAG为辅助发电机输出电压；Z1为逆变器阻抗；Z2为辅助发电机阻抗；Z为负载阻抗。

图4 逆变器与辅助发电机并网等效输出Fig.4 Inverter and auxiliary generators grid equivalent output

设逆变器输出电压幅值为U1，相位为φ1，辅助发电机输出电压幅值为U2，相位为φ2，负载电压为UL，根据基尔霍夫电压定律，可以得到逆变器与辅助发电机的有功功率为

无功功率为

式中，i=1, 2。

1.4 逆变与辅助发电机并网后功率分配

逆变器与辅助发电机并网为舰船低压电网提供能量，因此提出一种基于控制器局域网总线（Controller Area Network, CAN）通信的低压能量管理系统，逆变器与辅助发电机通过接线箱各自与负载进行连接，并通过并网开关实现逆变器与辅助发电机的并网。引入能量管理模块，同时与逆变器和辅助发电机进行 CAN通信，实现逆变器与辅助发电机之间功率分配，基于 CAN通信的低压能量管理系统如图5所示。

图5 基于CAN通信低压能量管理系统Fig.5 Low-voltage energy management system based on CAN communication

辅助发电机机组控制器与逆变器机旁控制器通过 CAN网络将自身参数发送至能量管理系统，能量管理系统根据逆变器与辅助发电机参数得到电压电网总功率，再根据逆变器与辅助发电机带载能力进行功率均分以及无功均分。处于并网状态时，辅助发电机作为电压源将会根据电网负载的变化进行功率输出，能量管理系统根据总功率及无功功率的变化控制逆变器输出电流、功率因数已达到低压电网有功功率及无功功率的均分，通过 CAN通信与能量管理模块实现无功功率的交互，逆变器与辅助发电机并网功率分配流程如图6所示。

图6 逆变器与辅助发电机并网功率分配流程Fig.6 Inverter and secondary grid-connected power distribution process

电网总功率为

式中，Pall、Qall分别为电网总有功功率和无功功率；PINV、QINV分别为在网逆变器总有功功率和总无功功率；PAG、QAG分别为在网辅助发电机总有功功率和总无功功率。

逆变器目标有功功率以及目标无功功率分别为

式 中，PINV_Set、Pall、PINV_Max、PAG_Set、QINV_Set、Qall、QINV_Max、QAG_Set分别为目标有功功率、电网总有功功率、逆变器最大有功功率、辅助发电机最大有功功率、目标无功功率、电网总无功功率、逆变器最大无功功率、辅助发电机最大无功功率。

通过逆变器上传的三相电压及目标有功、无功功率，得到参考电流、功率因数分别为

其中

式中，Iref为参考电流；P为电网总有功功率；Q为电网总无功功率；cosθ为电网功率因数；为三相平均电压；VAB、VBC、VCA分别为电网 AB相、BC相、CA相电压。

由于逆变器输出相应较快，当电网负载发生变化较大时，逆变器辅助发电机之间很容易造成环流，导致电网负载分配不稳定。故而在功率分配过程中采用滤波器进行滤波，传统的功率分配对象一般为逆变器与逆变器之间的分配，其功率输出及相应特性相似，采用单次滑动滤波即能取得较为明显的效果。但是舰船辅助发电机由于其机械特性，输出响应较逆变器慢（逆变器：3个波形，辅助发电机：10个波形）。二者之间输出特性导致难以用单个滤波器改善电网负载分配稳定性。根据这一特性，提出一种二级滤波的低压电网分配流程，如图7所示。

图7 含有二级滤波的低压电网分配流程Fig.7 Low-voltage power grid distribution process with secondary filtering

功率分配二级滤波中的第一级滤波采用一维高斯滤波，其原理是通过高斯分布系数在一维时间域中对总功率计算进行平滑。具体的计算方法为

式中，σ为数据集标准差；n为数据集长度；Pt为t时刻有功功率；P(t−1)为t−1 时刻有功功率；P(t−n)为t−n时刻有功功率；Qt为t时刻无功功率；Q(t−1)为t−1时刻无功功率；Q(t−n)为时刻无功功率；G0为t时刻分布系数；G1、Gn分别为t−1、t−n时刻分布系数，二级滤波器采用区间滑动滤波，其平滑效果更好，能够有效提高系统阻尼及稳定性，滑动滤波计算方式为

2 逆变器与辅助发电机并网控制策略

2.1 工况1：逆变器单独带载后辅助发电机并网

工况1为逆变器单机给舰船低压电网进行供电时，将辅助发电机投入电网。在逆变器单独带负载的情况下，逆变器作为电压源为舰船低压电网供电。此时如果要在电网中投入辅助发电机，这一过程逆变器由电压源转化为电流源。

为保证辅助发电机并网后续的功率分配过程不对电网造成大幅度冲击，本文提出一种逆变器单机在网对辅助发电机准同期的并网合闸方式，通过将辅助发电机起动后输出的三相电压作为参考电压送至逆变器端，再给逆变器发送整步指令，控制逆变器对辅助发电机进行整步，当检测到逆变器整步同期完成时，再给辅助发电机发送合闸指令，能量管理系统检测到辅助发电机出口断路器合闸成功，立即给逆变器发送已并网模式指令，逆变器收到已并网模式指令之后，立即由电压源控制模式转换为电流源控制模式，待系统运行稳定后再进行负载功率分配。图8为在工况1条件下的逆变器与辅助发电机并网的控制流程。因舰船低压电站有多台逆变器，故将INVx表示为即将与辅助发电机并网的逆变器。

图8 逆变器在网带载与辅助发电机并网流程Fig.8 The inverter is connected to the grid flow chart with the auxiliary generator on the network belt

2.2 工况2：辅助发电机带载后逆变器并网

工况2为辅助发电机单机给舰船低压电网进行供电时，将逆变器投入电网。

首先检测逆变器正常运行，并设置参考电压，在判断逆变器对参考电压整步完成后，为防止逆变器以电压源模式直接并网，导致电网功率分配波动，将逆变器设置为预并网模式，保证逆变器并网之后以电流源模式运行。在收到逆变器以整步以及预并网模式转换完成后，此时能量管理系统给逆变器发送合闸指令以及已并网指令。判断逆变器出口断路器合闸，已并网模式转换成功，流程结束，图9为辅助发电机在网与逆变器并网流程。

图9 辅助发电机在网与逆变器并网流程Fig.9 Auxiliary generators in the network and inverter grid flow chart

2.3 工况3：逆变器与辅助发电机并网后解列逆变器

工况3为逆变器和辅助发电机并网给舰船低压电网进行供电时，解列逆变器。

在解列逆变器的过程中，如果将逆变器直接从电网解列，则电网的大部分负载将直接转移至辅助发电机，一旦负载转移变化幅度过大，可能导致辅助发电机因过载而出现逆功停机。为保证逆变器解列过程对电网负载不造成波动，能量管理系统在解列逆变器之前将逆变器负载逐渐转移至辅助发电机，再将逆变器出口断路器分闸，实现逆变器脱网解列，图10为逆变器与辅助发电机并网之后解列逆变器流程。

图10 逆变器与辅助发电机并网之后解列逆变器流程Fig.10 Delist the inverter after the inverter is connected to the auxiliary generator flow chart

2.4 工况4：逆变器与辅助发电机并网后解列辅助发电机

工况4为逆变器与辅助发电机并网时，将辅助发电机解列。

同工况3类似，在解列辅助发电机之前，也需将辅助发电机负载对逆变器进行转移。但是如果直接解列辅助发电机，逆变器还处于电流源模式，此时电网负载波动导致电网电压波动而使逆变器逆功停机。为防止出现以上情况，本文在能量管理系统提出，在工况4下检测到辅助发电机出口断路器分闸之后立即发送逆变器单机在网指令，使得逆变器由电流源模式切换为电压源模式。图11为逆变器与辅助发电机并网之后解列辅助发电机流程。

图11 逆变器与辅助发电机并网之后解列辅助发电机流程Fig.11 The inverter connected to the auxiliary generator and then de-listed flow chart

3 实验

为验证本文所提出的基于模式切换的逆变器与辅助发电机控制策略的有效性，在实验室搭建了图1所示的1∶1实验系统，针对相应工况下的控制策略进行实验验证，低压电站实验系统如图12所示，实验采用的逆变器额定功率1MW，辅助发电机额定功率750kW。

图12 低压电站实验系统Fig.12 Experimental system of low-voltage power station

3.1 工况1实验

在 2.1节讨论的工况下，进行了逆变器在网带载300kW投入辅助发电机并网的实验。图13为通过谐波检测设备得到的该工况下逆变器三相输出电流与辅助发电机输出的三相电流。可以看出，当辅助发电机合闸时，由于逆变电源还处于电压源模式，此时逆变器负载迅速向辅助发电机转移，逆变器三相电流出现一定的波动，当逆变器完成模式转换后，逆变器向辅助发电机的负载转移较为平滑，最后实现较为稳定的负载分配。

图13 逆变在网带载并网辅助发电机Fig.13 Inverted belt in the net and auxiliary generator

3.2 工况2实验

根据 2.2节讨论的工况，进行了辅助发电机在网带载300kW，投入逆变器进行并网的实验。由于在逆变器合闸之前能量管理系统已经确定逆变器处于预并网模式，当逆变器出口断路器合闸后，逆变处于电流源模式，直接进行功率均分即可，故相对工况下，输出电流曲线较为平滑。逆变器和辅助发电机的三相电流输出如图14所示。

图14 辅助发电机在网并网逆变

3.3 工况3实验

逆变器与辅助发电机并网带载 600kW 解列辅助发电机时，逆变器和辅助发电机输出三相电流如图15所示。可以看出，辅助发电机解列之前能量管理系统将负载转移至逆变器，当辅助发电机解列之后，逆变器转换为电压源模式运行。

图15 逆变器和辅助发电机并网状态解列辅助发电机三相电流Fig.15 Three phase current splitting of auxiliary generator in grid connected state of inverter and auxiliary generator

3.4 工况4实验

逆变器与辅助发电机并网带载600kW解列逆变器时，逆变器与辅助发电机输出a相电流如图16所示。可以看出，逆变器解列前，能较为平滑地将负载转移至辅助发电机，保证舰船低压电网的稳定运行。

图16 逆变器并辅助发电机带载600kW解逆变器Fig.16 Inverter and auxiliary generator with 600kW dereversor

4 结论

本文提出了一种基于模式切换的舰船逆变器与辅助发电机并网控制策略，其主要思想是：

1）逆变器单机在网时，采用电压源控制模式；逆变器与辅助发电机并网时，采用电流源控制模式。

2）逆变器与辅助发电机在并联过程中引入逆变器预并网与单机在网模式，保证低压电网在电源切换过程中的稳定性。

3）提出一种基于通过CAN总线的方式调节逆变器与辅助发电机在并网过程以及功率变化过程的有功功率、无功功率的分配方式。

本文建立了舰船逆变器与发电机电网系统的1∶1实验样机，通过不同工况下的实验，验证了模式切换下并网与解列策略的有效性，实现不同过程系统暂态切换以及逆变器与辅助发电机实现平滑、稳定的功率分配。