不平衡负载下船舶储能逆变器的平滑切换技术

袁伟轩，王镇浩

不平衡负载下船舶储能逆变器的平滑切换技术

袁伟轩1，王镇浩2

（1. 广州航海学院国际邮轮游艇学院，广东广州 510725；2. 粤电靖海发电有限公司，广东揭阳 515223）

本文针对在柴油发电机与储能系统功率平滑切换过程中，负载不平衡引起的三相电压不平衡问题，提出对应的电压正序分量与电压负序分量控制方法。通过电压外环电流内环的电压定向矢量控制，求出储能逆变器三相调制波的正序分量，并提出电压外环切换为功率外环的方法，使电源切换后发电机功率稳定上升。通过低通滤波器提取负序分量后，设计电压电流负序分量双闭环控制，使柴油发电机输出端电压不平衡度小于1%，提高船舶电站的电能质量。

储能逆变器 平滑切换 不平衡负载 负序分量控制

0 引言

电池储能系统在风电场、光伏电站和孤岛微电网等多种应用场景中起到了调峰调频、改善电能质量和提高电力系统稳定性的作用。大型船舶电力系统与孤岛微电网的结构及控制方式相似，船舶电站加入储能系统，可提高其电能质量。考虑电化学储能系统的能量密度与与价格等因素，在船舶电站中，以柴油发电机为主，电池储能系统为辅的双电源供电模式最为可靠适宜。柴油发电机在低负荷时，能源利用率低[1]，而电池储能系统恰在低负荷下效率高、工况稳定。因此，在负荷较低时船舶电网由电池储能系统供电，负荷较高时切换为柴油发电机供电，可提高船舶电网的能源利用率。

储能系统单独供电时，储能逆变器工作在V/f模式；柴油发电机供电时，储能逆变器工作在P/Q电流源模式。逆变器在两种模式切换的时候，储能系统输出的功率需要慢慢下降，即实现功率的平滑切换，否则将造成柴油发电机突加转矩过大，损害其轴承。

同时，由于船舶上存在部分单相设备如单相液压泵、大功率发热管、照明设备等，这些单相设备的使用，会导致负载不平衡。在船舶中的柴油发电机相比于理想电源，其电源阻抗较大，所以当每相电流幅值不一致时，会产生较大的电压不平衡，从而影响其它三相用电设备的正常使用。为保证供电质量，电压不平衡度的国家标准要求控制在2%，短时需控制在4%[2]。所以在船舶电站中，负载不平衡问题亟须解决，而储能系统的加入，为船舶电站中不平衡分量的控制提供了很好的思路。

文献[3]提出当微电网中的负荷高于储能系统的额定值时，储能变流器无冲击并网，储能逆变器功率输出功率下降，由柴油发电机提供能量；文献[4]提出利用储能逆变器，在船舶用电负载突变的情况下，平滑柴油发电机输出功率，提高船舶电站系统稳定性；文献[5]提出微电网中多台逆变器并联时抑制不平衡分量的控制方法；文献[6]提出用三相四桥臂逆变器抑制三相四线系统的微电网电压不平衡分量。针对三相三线船舶电力系统带不平衡负载时的电源切换技术，现有的研究成果较少。

本文主要分析在三相负载不平衡时，储能系统与柴油发电机两种电源切换的控制策略。提出切换前后不同的电压正序分量控制方法以及相应的电压负序分量控制方法，最后利用Matlab/Simulink进行仿真验证。

1 带储能系统的船舶电站拓扑

带储能系统的船舶电站主要由发电机、蓄电池组、逆变器、配电网络、三相用电设备及单相设备组成，其拓扑如图1。原动机一般使用柴油机，用以带动发电机旋转。发电机选择永磁同步发电机，发电机输出端接在配电网络的三相交流端。蓄电池组、逆变器及滤波电感构成船舶的储能系统，逆变器的直流侧连接蓄电池组，交流侧经过滤波电感后连接到配电网络的三相交流端。配电网络采用交流电压，配电网络上有三相用电设备及部分单相用电设备。船舶电站一般采用三相三线绝缘系统，没有中性线，依靠变压器使380 V的线电压转换为220 V的线电压，为单相用电设备供电。

图1 带储能系统的船舶电站拓扑图

2 负载平衡下储能系统控制方法

由于电压与电流的不平衡量都可以分解为正序分量及负序分量，而对正序分量的控制方式与系统负载平衡时的控制方式一致，所以研究负载平衡时储能系统的控制方式十分重要。

2.1储能系统单独供电

当负荷较低时，采用储能系统单独供电的工作模式，避免发电机工作在低负载情况。此时储能逆变器运行在V/f模式，保证输出电压跟频率成正比。V/f模式为针对三相对称系统的控制模式，对三相不平衡的系统进行控制，可先将不平衡量分为正序分量及负序分量，然后使正序分量运行在V/f模式。对正序分量进行分析时，储能逆变器及滤波电感可以用一个等效的三相电路描述，如图2。

图2 储能系统正序分量三相等效电路图

电流通过PI控制器后输出的量定义为：

把式子（2）代入（3）可求得补偿量为：

2.2 储能逆变器平滑切换

图3 电压外环切换为功率外环的控制框图

图4 储能逆变器电流源模式的控制框图

3 不平衡负载下储能系统控制方法

图5 船舶单相负载及三相负载拓扑图

其中，igd-为电流d轴负序分量，igq-为电流q轴负序分量，电流内环前馈补偿项的设计同上一节正序分量的一致。负序电压外环指令值为0，从而抑制储能输出端三相电压不平衡，其控制框图如图6。

4 算例仿真

4.1 储能系统与柴油发电机平滑切换

随着负载的增加，柴油发电机开始启动。此时的电源切换前负载大小、发电机及储能系统参数如表2：

表2 切换前负载大小、发电机及储能系统参数

图7为平衡切换控制算法效果图，由图可得，发电机空载运行至额定转速后，输出的线电压幅值稳定在600 V，频率稳定在50 Hz。同时，储能逆变器输出电压的相角和幅值逐渐跟随发电机输出侧电压。在2 s时静态开关闭合，储能逆变器输出电压与发电机输出电压一致，实现无冲击切换。在2 s以后，柴油发电机输出功率从0开始平稳上升至680 kw，提供全部负载所需的功率，实现储能逆变器与柴油发电机功率平滑切换。发电机电流在静态开关闭合后逐渐增加，在电流幅值增加过程中，出现少部分不对称电流。在4 s后发电机稳定，不对称电流基本消除。

图7 平衡切换控制算法效果图

4.2 不平衡负载下的控制效果

图8为不平衡负载下控制算法效果图，静态开关闭合后，未加入不平衡电压抑制算法下，发电机处线电压的波形。可看出此时线电压不平衡，线电压峰值分别为585 V、500 V以及520 V，不平衡度达到9.8%。加入不平衡电压抑制算法后，发电机输出的线电压波形图。该时候线电压基本对称，线电压峰值分别为520 V、524 V以及513 V，不平衡度被抑制为1%，符合国标不超过2%的要求。加入不平衡电压抑制算法前后，发电机的转矩振荡对比如图，可看出没加入算法时，转矩振荡较大，在7700 N-11800 N之间，是两倍基频的交流量。加入算法后，振荡明显减小，转矩在9200-10000之间波动。此时，功率的振荡转移到储能系统处，储能系统输出功率变为幅值是200 kw的两倍基频的交流量。

图8 不平衡负载下控制算法效果图

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Smooth Mode Transfer of Ship Energy Storage Converter under Unbalanced Loads Conditions

Yuan Weixuan1, Wang Zhenhao2

(1. International Cruise and Yacht College, Guangzhou Maritime University, Guangzhou 510725, China; 2. Guangdong Yuedean Jinghai Power Generation Co., Ltd, Jieyang 515223, Guangdong, China)

TM464

A

1003-4862（2021）08-0043-05

2021-03-03

袁伟轩（1994-），男，助教。研究方向：新能源发电、船舶综合电力系统。E-mail: 342497774@qq.com