非理想船舶电网下船用虚拟同步发电机并网预同步策略研究

郭 威，汪 恬，徐一鸣，李成亮

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.山东博奥斯能源科技有限公司，山东 济南 250200)

近年来，随着光伏发电技术不断进步，光伏发电系统逐渐由小型船舶应用拓展到汽车滚装船等大型船舶领域[1]。随着现代船舶自动化设备和电力电子器件在船上的大规模应用，船舶电网的电能质量问题越来越被人们重视。由于电子电力变换器件响应速度非常快，传统逆变控制策略存在一个共同的缺陷，即零惯性和零阻尼特性，因船舶电网容量较小，并网运行时当电网遇到较大扰动，传统控制策略下的并网逆变器容易发生失稳和过载的问题[2]。随着分布式光伏电源接入容量的增加，严重时将会无法并网，不但影响船舶电气负荷的正常工作，甚至会引起设备故障，威胁船员及船舶安全。因此，构建含分布式光伏电源的船舶电力系统的同时必须要保证船舶电网的电能质量。

1 船用VSG并网逆变控制策略

同步发电机一个重要的特性是当电网有功负载增加时，同步发电机将会降低转速，同时调速器根据系统反馈信号调节原动机转速，使机械功率和电磁功率重新达到平衡状态。同步发电机根据有功功率和频率之间的变化关系，通过调节原动机转速以调整发电机功率输出，被称为一次调频特性[3]。根据同步发电机调频调速特性，设计船用虚拟同步发电机(VSG)有功-频率控制器原理示意图如图1所示。图1中，J为转动惯量，1/s为积分环节的传递函数，D为阻尼系数，ωref为系统角频率参考量，ω为实际角频率，Pref为VSG输入功率参考量，Pm为虚拟机械功率，Pe为实际输出功率，Kp定义为有功-下垂系数。

图1 船用虚拟同步发电机(VSG)有功-频率控制器原理示意图

根据图1，可得VSG有功-下垂控制方程为：

Pm=Pref+Kp(ωref-ω),

(1)

根据式(1)，结合转子机械方程，可得VSG有功-频率控制图如图2所示。

图2 VSG 有功-频率控制图

当系统无功功率不足，引起同步发电机系统电压降低，此时励磁系统参与调节，增大磁通量，使系统无功功率重新达到平衡状态。同步发电机可以根据电压和无功功率关系自动调节励磁系统的特性，称为同步发电机无功-电压特性。

根据同步发电机无功-电压调节特性，VSG的无功-电压下垂控制可表示为：

Vmag=Kq(Qn-Q0)+Vn，

(2)

式中，Vmag为系统输出电压幅值信号；Kq为无功功率下垂系数；Qn为VSG额定无功功率;Q0为VSG系统实际输出的无功功率;Vn为额定电压。

VSG无功-电压控制框图如图3所示。船用VSG无功-下垂特性将无功功率与电压联系起来，当无功功率不足时，系统会增加机端输出电压，并网时提高电压值以增加无功功率的输出。

图3 VSG 无功-电压控制框图

2 船用VSG光伏并网系统结构

船用VSG光伏并网系统结构如图4所示。船用VSG光伏并网系统通过实时采集船舶电网电压、频率等运行参数，经功率计算，再转换成VSG控制信号驱动逆变电路，将直流电转化成交流电馈入船舶电网。

图4 船用VSG光伏并网系统结构

3 改进型船用VSG并网预同步控制策略

非理想船舶电网中，由于电网电压电能质量较差，会在逆变器直流侧产生大量二次谐波，又经并网逆变器调制，引起输出电流含有较多奇次谐波，在并网逆变器并网点产生过大电流[4]。在理想船舶电网中，提高锁相环跟踪电网电压的速度，可以通过设置较高带宽的方式。但对于非理想船舶电压，提高锁相环带宽会放大锁相环输出信号误差值，减小带宽又会引起锁相动态响应不足。因此，需要一种使逆变器系统在船舶电网谐波较大和电网电压不对称下仍能准确锁相的技术。并网开关闭合前，通过检测电网电压信号，调节输出电压参数与船舶电网电压一致，然后闭合并网开关，实现VSG平滑并网，抑制冲击电流的产生，称为预同步技术。

传统双锁相环(PLL)并网预同步策略对VSG技术改进，引入预同步控制算法，在并网前调节VSG输出电压与电网电压同频、同幅、同相，从而实现平滑并网[5]。通过对逆变器输出电压和电网电压分别进行锁相控制，然后经PI控制器分别对电压幅值差值、频率差值和相位差值进行调节，虽然能够有效实现VSG并网预同步，但控制相对繁琐，计算量较大，引入控制参数较多，同时由于使用2个锁相环，在非理想电网条件下预同步效果容易受到锁相精度的影响。

针对船用VSG光伏并网系统，本文提出改进型船用VSG并网预同步控制策略。图5为VSG输出电压和船舶电网电压示意图，其中Vgα为船舶电网电压Vg在α轴的分量、Vgβ为β轴分量，同样Viα为VSG输出电压Vi在α轴的分量、Viβ为β轴分量，φg为船舶电网电压相位角，φi为VSG输出电压相位角，相位差Δφ=φg-φi。

图5 VSG输出电压和船舶电网电压示意图

根据数学模型，当VSG输出电压与船舶电网电压相位差极小时，可得:

sinΔφ≈Δφ，

(3)

结合式(3)和图5，可求得sinΔφ:

sinΔφ=sin(φg-φi)=

(4)

对于电压幅值差ΔV的调节，满足:

(5)

综合上述计算，可得船用VSG光伏并网预同步方法计算公式，如式(6)所示。

(6)

改进型预同步控制技术实现步骤为：由VSG输出电压和船舶电网电压克拉克变换后的分量，带入式(6)，得出ΔV和sinΔφ，分别输入PI控制器，计算出幅值干扰量ΔV0和频率扰动量Δω0，将ΔV0和Δω0分别代入船用VSG无功-电压控制器和功频控制器中，经控制器计算，调节VSG输出电压，完成预同步控制[6]。改进型船用VSG光伏并网预同步控制原理如图6所示。

图6 改进型船用VSG光伏并网预同步控制原理图

改进型船用VSG预同步技术以2个PI控制器代替锁相环，在非理想船舶电网电能质量差、干扰较大的条件下，由于传统预同步控制策略引入双锁相环，容易造成锁相精度降低，从而使预同步控制响应速度变慢。而改进型并网预同步策略结构简单，抗干扰能力较强，在非理想电网条件下同样具备较快的响应特性，能达到良好的控制效果。

4 仿真分析

在船舶运行中，由于非线性负载接入、投切等复杂工况会引入谐波，恶化船舶电网电能质量[7]，结合前文分析，本文以船舶电网含一定谐波污染状态作为非理想船舶电网条件，开展仿真分析。

某大型远洋汽车滚装船光伏并网系统未接入时，电网稳态某时刻实测电压和电流主要谐波含量表见表1。由表1可知，5次、7次谐波幅值较大，结合实际船舶电网中常见谐波次数和各船级社对谐波的规定，在三相电网电压注入10% 的5次谐波、10% 的7次谐波进行非理想电网并网仿真实验。仿真系统参数见表2。

表1 实测电压和电流主要谐波含量表 %

为了将其与不含预同步技术的VSG和传统VSG的并网效果进行比较，验证船用VSG预同步技术的优越性，设置VSG输出有功功率为10 kW，0.1 s开启预同步控制， 0.3 s闭合开关，VSG并入船舶电网。非理想船舶电网并网输出功率和并网电流波形如图7所示。

表2 仿真系统参数

对比图7 (a)、(b)、(c)，非理想船舶电网条件下，采用预同步技术VSG并网功率输出平滑，无振荡。对比图7 (b)、(c)，相比于传统预同步技术，改进并网预同步响应迅速，系统更快达到稳定。对比图7 (d)、(e)、(f)，非理想船舶电网条件下无预同步控制并网有明显的电流冲击，大小约二倍额定值，且电流振荡，0.50 s左右系统稳定。采用预同步技术并网冲击电流现象得到明显改善，不会对分布式电源逆变器和电网造成不利影响。对比图7 (e)、(f)，采用传统预同步控制的VSG并网系统并网输出电流缓慢增加，约0.45 s系统达到稳态。改进型预同步技术并网系统在0.33 s到达稳定，暂态过程更短，动态响应更好。

图7 非理想船舶电网并网输出功率和并网电流波形

图8为非理想船舶电网改进型船用VSG预同步技术输出电压跟踪波形图。由图8可知，在船舶电网含大量谐波的非理想条件下，0.1 s开启预同步控制后，改进型预同步技术可以迅速实现对船舶电网电压幅值跟踪，并网瞬间电压无波动。由上述仿真结果可知，在船舶电网电压含有大量谐波的非理想条件下，预同步并网可消除并网冲击电流，实现平滑并网。相比于传统预同步技术，改进型船用VSG预同步技术结构简单、精度较高、动态响应特性更好，验证了控制策略的可行性和优越性。

图8 非理想电网改进型船用VSG预同步技术输出电压跟踪波形图

5 船用VSG预同步试验验证

本节对前文所提的船用虚拟同步发电机控制策略和预同步控制策略进行试验平台搭建和试验验证。并网逆变器硬件系统主要分为直流电源、三相逆变电路、负载/电网3部分。由于实验室设备不足和条件所限，直流部分是利用三相调压器整流、滤波得到较为理想的直流电压源，代替光伏组件；交流负载和电网采用三相四线制接线方式，并网逆变器同样为三相四线制。

主电路模块将直流源输出的直流电，基于所设计船用VSG控制算法逆变成交流电，再经滤波电路滤除谐波后连接到输出端。并网输出端接入大电网或可编程交流电源，用于模拟理想电网和非理想电网并网工况。平台参数设计与表2相同。

本节根据前述VSG控制策略的仿真结果，在硬件试验平台上设计多种工况进行试验验证。

试验一：理想电网条件下船用VSG预同步并网试验。首先对理想电网条件下船用VSG预同步并网进行试验验证。试验结果表明：并网开关闭合瞬间无冲击，VSG平滑入网，且具有快速的动态响应性能，与理论分析和仿真试验结果相符。

试验二：非理想电网条件下船用VSG预同步并网试验。为验证所提改进型船用VSG预同步控制策略的有效性，使用可编程交流电源来模拟实际船舶电网，在三相电网电压中同时注入5次谐波和7次谐波各10%。使用电能质量分析仪测得电网电压总谐波为14.2%，分别进行非理想电网条件下，未采用预同步和采用改进型预同步技术并网试验。

试验结果表明：未采用预同步控制，非理想电网条件下由于并网锁相误差，产生冲击电流，引起控制模块保护电路动作，产生自锁，导致并网失败，且产生较大冲击电流。过大的冲击电流会超出逆变元器件的承载能力，导致并网失败，甚至永久性损毁，显然不能满足规范对于船用光伏并网系统电能质量的要求。

在非理想电网条件下，采用改进型船用VSG并网预同步控制技术， VSG输出电流缓慢增加平滑并网，对电网无冲击，且响应时间较短，具有良好的动态性能。

结合试验结果可知，在电网电压含大量谐波的非理想情况下，本文在VSG并网控制策略进行的改进能有效抑制并网冲击电流产生，从硬件试验验证的角度证明了该改进工作的可行性。

6 结束语

在绿色船舶节能减排的背景下，本文针对非理想船舶电网条件下传统并网冲击问题，提出了船用VSG并网预同步技术，并利用仿真和试验平台进行了验证。仿真和试验结果表明所提理论对分布式光伏电源逆变并网电能质量具有明显改善效果，为船用VSG光伏并网发电系统在实船上的应用提供了一定的理论和数据依据。