工程船舶微电网逆变器切换控制技术研究

摘 要：当前的微电网逆变器切换频次低，本文提出对工程船舶微电网逆变器切换控制技术的设计与研究。首先进行逆变器切换控制参数优化，采用多阶的方式扩展控制覆盖区域，设计多阶下垂控制模块。基于此，进行船舶微电网逆变器切换控制同步建模，采用平滑切换辅助核验的形式来实现控制处理。测试结果表明，此次设计的船舶微电网逆变器切换控制技术最终得出的单元切换频次较高，这说明结果更真实、可靠，切换控制的效果明显提升，在不同的背景条件下，能够实现多层级控制处理，以此来强化工程船舶微电网逆变器切换控制效果，具有重要的价值。

关键词：工程船舶；微电网；逆变器；远程控制；实时监控；船舶监测网

中图分类号：TM 464" " 文献标志码：A

在新能源船舶领域，太阳能、风能等可再生能源的引入，使船舶微电网系统的供电模式更加多样化。然而，新能源发电应用过程中也具有不稳定性，如何将其产生的不稳定直流电能转换为稳定的交流输出，并在不同供电模式下实现可靠切换，是船舶微电网逆变器技术面临的关键挑战。为解决该问题，本文设计了针对逆变器的应对性控制方法。例如，内模控制逆变器切换控制技术一般结合内部模型来预测并补偿系统动态，实现对逆变器切换过程的精准控制[1]。而虚拟同步发电机逆变器控制技术则是模拟传统同步发电机的运行特性，使逆变器在并网运行时能够提供更稳定的电压和频率支持[2]。虽然该类技术能够实现预期的控制目标，但是在不同的背景环境下，往往存在动态性能不足、安全性能不高的问题。因此，本文提出对工程船舶微电网逆变器切换控制技术的设计与分析研究。根据船舶微电网的运行状态，设计更灵活、多变的逆变器切换控制结构，在最短的时间内实时优化与创新，以提高逆变器切换技术的动态性能和安全性能。促进船舶工业的绿色、低碳发展[3]。

1 设计船舶微电网逆变器切换控制技术

1.1 逆变器切换控制参数优化

当船舶微电网运行时，逆变器的切换涉及较多的控制环节，为均衡设计的切换控制效果，保持平衡，需要在设计控制程序前，先进行实时执行参数的设定及优化处理[4]。针对输出电压的调控，通过仿真模拟可以发现，当Kp从初始值0.1增至0.15时，逆变器自身的输出电压波动也会随之显著减少，同时Ti的微调速度也会从0.02s降至0.006s，以此来保证当前的响应程度，至此基本实现其的切换控制处理功能。随后，确定微电网允许的覆盖控制范围，根据实时频率的波动，计算相位补偿值[5]，如公式（1）所示。

（1）

式中：F为相位补偿值；φ为覆盖范围；R为单元相位值；r为切换频次；ε为可扩展覆盖区域。

根据当前测定，实现对相位补偿值的计算[6]。调整Kp从0.05增至0.07，引入5°的相位补偿，确保逆变器频率控制的精度和稳定性。在此基础上，进行实时辅助执行参数的设定，见表1。

表1主要是对辅助执行参数的设定，基于此，对并联逆变器系统进行负载分配和功率均衡[7]。这部分一般是结合船舶微电网的应用情况对采集的数据进行平滑切换和功率均衡分配处理，确保逆变器在不同并联工况下的稳定运行。

1.2 多阶下垂控制模块设计

多阶下垂控制模块需要考虑切换控制过程中的倾斜调整问题。一般情况下，传统下垂控制的下垂曲线均为定点固定，覆盖范围较广，但是单一的定向较难实现均衡性覆盖，无法更好地适应实时的船舶工况[8]。为此需要进行多阶下垂控制模块的设计与实践处理。明确负载的变化范围以及逆变器的容量，计算下垂控制的斜率值，如公式（2）所示。

H=（m-n）2+∫∂n （2）

式中：H为下垂控制斜率值；m和n分别为初始的负载范围和实际的负载范围；∂为定点斜率。

结合当前的测试需求，在同周期不同的电网运行时段内进行斜率值变化情况的对比，以待后续的分析核验。基于当前的情况，设计多阶的下垂控制模块结构，如图1所示。

图1主要是对下垂控制模块结构的设计与分析。基于此，引入分段函数，根据负载电流或功率的不同区间检测逆变器自身的负载变化，结合斜率值，调整逆变器的输出电压或电流，促使其保持平衡。需要注意的是，当前设计的下垂标准并不是固定的，而是结合实际的需求进行核验与调整，增加下垂控制的灵活性与稳定性。

1.3 船舶微电网逆变器切换控制同步建模

同步建模旨在模拟逆变器在不同工作模式下的切换过程，并预测系统状态的变化，从而优化控制策略。因此，需要考虑逆变器的基本电气特性和控制策略，并对基础的内部状态变量进行描述处理，引入同步控制算法，计算逆变器切换的电网同步频率，如公式（3）所示。

（3）

式中：E为电网同步频率；δ为同步区域；ℵ为实时控制相位值；q为同步可控差。

根据当前测定，实现对基础频率的计算与设定。接下来，促使微电网的逆变器处于稳定的运行状态，设置基础的切换控制模型结构，如图2所示。

图2主要是对船舶微电网逆变器切换控制同步建模结构的设计与分析。接下来，在模型中构建多个辅助的同步切换控制场景，通过动态空间的逆变约束，增设锁相环（PLL）程序，构建逆变器的切换控制输出表达式，如公式（4）所示。

（4）

式中：A为切换控制输出结果；χ为控制电网区；β为负载突变；υ为切换阶段。

根据当前测定，实现对测试结果的对比分析。需要注意的是，由于电网在运行的过程中可能会出现电网故障或者控制换乱等，因此基于当前的同步模型处理机制，要增加实时的容错处理机制，一旦出现逆变器输出、电网失步等情况，容错机制和保护策略会立即警示，并进行实时处理与调整，保证最终的控制效果。

1.4 平滑切换辅助核验实现控制处理

由于船舶工作过程中工况复杂多变，微电网系统需要在不同供电模式间可靠切换，例如新能源供电与柴油发电并联供电等。为实现平滑切换，需要综合考虑控制策略、参数调整及动态性能优化。平滑切换控制实际上是针对运行频率预测控制进行多次核验，最终确保控制效果的真实与可靠。先通过预测微电网在切换过程中的动态行为，提前调整控制参数，以实现平滑过渡。

设定一个重叠控制区域，在切换前后使2个控制器同时工作，并逐渐调整各自输出权重，以减小切换过程中的不连续性。引入自饱和PI控制器改进下垂控制的功率环，结合虚拟开关切换处理，自动调整参数，促使其处于适应的系统状态，对船舶的微电网逆变器运行切换控制进行实时核验修正，确保整个系统更安全和平稳，强化整体的应用性能。

2 试验

本次主要对工程船舶微电网逆变器切换控制技术应用效果进行分析与验证研究，考虑最终测试结果的真实与可靠，选定对比的形式核验分析，以A工程船舶微电网作为此次测试的目标对象。设定内模控制逆变器切换控制技术、虚拟同步发电机逆变器控制技术为此次设计的船舶微电网逆变器切换控制技术的对比方法。基于上述采集的应用数据和往期历史信息，完成对基础切换控制测试环境的部署搭建。

2.1 试验准备

结合船舶微电网的运行实况，根据逆变器的切换控制需求，构建对应的仿真测试环境。在当前的仿真系统中接入MATLAB/SIMULINK，目的是搭建虚拟开关切换环境，并进行测试设备的应用关联。测试船舶微电网的电压、电流，采用双环控制模式，增设Controlle的下垂控制功率环，明确电网逆变器的覆盖范围，在区域内设置一定数量的节点，节点之间互相搭接，形成循环式的监测环境。接下来，根据实际的测定需求，设置对应的辅助切换控制指标和参数，见表2。

表2主要是对辅助测试指标及参数的设定与分析。在此基础上，基于当前船舶的电网运行实况，对逆变器进行实时监控，测定其是否处于稳定的状态，并将电压、电流及频率控制在基础稳定的范围内，为后续的测试控制奠定基础条件。

2.2 试验过程与结果分析

在上述搭建的测试环境中，结合船舶微电网的运行实况，对其逆变器的切换控制技术进行应用测定。设定3个基础的逆变器切换模式，分别是并网运行模式、独立运行模块以及并网模式切换到独立模式。设置负载A、负载B2种辅助模式，导入4组预设的切换控制指令组，先测定计算当前单周期任务的切换耗时，如公式（5）所示。

（5）

式中：Q为切换耗时；ζ为切换覆盖范围；ς为单周期逆变切换均值；u为切换频率；x为切换实时切换频率。

基于当前的设定，对此时逆变器在不同模式下的电压切换波形进行对比，如图3所示。

图3主要是对电压切换波形的对比分析。在不同的工况条件下，结合船舶微电网运行的实际状态，测定逆变器的切换控制效率。基于上述计算得出的切换耗时为限值标准，设定0.2s、0.6s、0.8s以及1.2s4个时段进行对应切换，当PI控制退出饱和状态时，逆变器的切换之间趋于稳定，此时计算此时的单元切换频次，如公式（6）所示。

（6）

式中：y为单元切换频次；κ为波形覆盖区域；Z为切换耗时；A为微电网可控范围。

测试结果对比分析见表3。表3主要是对测试结果的分析：与内模控制逆变器切换控制技术、虚拟同步发电机逆变器控制技术相比，此次设计的船舶微电网逆变器切换控制技术最终得出的结果更真实、可靠，切换控制的效果明显提升，在不同的背景条件下，能够实现多层级控制处理，以此来强化工程船舶微电网逆变器切换控制效果，具有重要的价值。

3 结语

综上所述，逆变器的切换控制不仅是对船舶电力系统稳定性的重要保障，一定程度上也强化了实时的控制结构，推动相关行业向低碳方向转型。此次以真实的测试环境为基础，将逆变器的切换处理划分为多个层级，进一步灵活控制，实现定向覆盖与切换控制，提升船舶微电网在不同工况下的适应性和可靠性，实现船舶电网行业的技术突破。

参考文献

[1]曹坤，艾永乐，李港星.基于内模控制的逆变器并离网无缝切换策略研究[J].电子测量技术，2022，45（23）：19-24.

[2]王浩，郝正航，陈卓，等.基于虚拟同步发电机的储能逆变器控制策略及无缝切换技术[J].科学技术与工程，2022，22（9）：3594-3600.

[3]孙婷婷.光伏发电系统低电压穿越的逆变器控制策略切换改进研究[J].科学技术创新，2023（27）：1-4.

[4]胡乐德，孙伟琴，孙宏涛.微电网运行模式中的无缝切换控制策略分析[J].集成电路应用，2023，40（8）：184-185.

[5]梁纪峰，臧谦，姜玉洁，等.无储能光伏逆变器多模态运行与并离网切换策略研究[J].电工电能新技术，2023，42（7）：39-47.

[6]刘芳，徐韫钰，何国庆，等.弱网下并网逆变器LVRT双模式切换控制策略[J].电气传动，2023，53（7）：13-18，48.

[7]王涛，安佳坤，王志洁，等.微电网光储多源协调及多模式平滑切换控制[J].电力电子技术，2023，57（3）：99-103.

[8]张纯江，徐菁远，庆宏阳，等.主从结构微电网逆变器离网全过程平滑切换控制策略[J].电力系统自动化，2022，46（23）：125-133.