新能源船舶并网逆变器电网支撑协调控制
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
集美大学轮机工程学院、黑龙江科技大学电气与控制工程学院的研究人员杨荣峰、于雁南、俞万能、王国玲、吴德烽，在2019年第10期《电工技术学报》上撰文指出，新能源船舶近年来发展迅速，并网逆变器是其关键设备。逆变器能够单独运行，也能与船舶柴油发电机组协调工作，支撑船舶电压与频率。
本文提出柴油发电机组离网、并网及切换过程等不同模式下并网逆变器的控制策略，以解决船舶电站中电网电压与频率容易受负载突变影响的问题。离网时逆变器采用电网电压及输出电流双闭环控制，并把负载电流全前馈；并网时采用功率控制，并通过滤波器技术提取负载电流的动态分量前馈至补偿电流；两种模式切换时采用状态锁定方法避免参数突变造成的不稳定。该控制策略充分利用了船舶电站中容易获得的负载电流参数，有效地提高了船舶电网运行的可靠性。
节能及环境保护的需求使得船舶不断提高其对传统能源的利用效率，并逐渐引入清洁能源，这在一些小型船舶中得到越来越多的应用。清洁能源如风能、太阳能等通过电力变换器接入船舶电站，是船舶电能的一个有益补充，并且通过储能系统，把柴油发电机的电能进行存储，为柴油发电机的效率提高提供了额外的自由度。
由于其控制的灵活性，电力变换器在船舶电站中除了进行能量变换，还可以参与船舶电网电压和频率的调节。事实上，用逆变器调节微电网电压和频率在陆地电网中已经得到大量研究，当电网负载变化时，电网频率和电压均出现不同程度的波动，通过并网逆变器的快速补偿作用能够削弱负载突变的影响。
例如：文献[2]利用并网逆变器实现功率补偿，提高电网故障情况下的性能。文献[3]通过无功电流注入，减小三相电压的不平衡和功率振荡。文献[4]通过无功功率协调控制提高节点电压稳定性。文献[5-6]则采用虚拟同步机（Virtual Synchronous Generator, VSG）技术稳定电网电压和频率。文献[7]通过一种电压型功率控制同时调节电网电压和频率。
上述方法由于应用于传统电网，能够获取的信息仅仅是电网频率和电压，在实际应用中需要知道模型参数如线路阻抗，或者采用闭环技术，前者实现起来成本较高，即使采用等效计算也需要实时采集大量电网参数，而后者则容易引起功率振荡，需要精心设计控制参数，并适应不同负载情况，算法较为复杂。
在由柴油发电机构建的微电网中同样面临着柴油机与逆变器的协调控制问题。由于柴油发电机调整过程慢，对能量瞬时突变的适应能力差，逆变器可以利用其能量控制的快速性，抵消负载能量的突变，从而提高微网运行的稳定性。
文献[11]在柴油发电机模型分析基础上，设计了一种指数衰减的有功电流给定方法，以抵消负载突变影响，但是柴油发电机参数难以确定，因此衰减指数选取不易。文献[12]把虚拟同步机技术引入柴油发电机微网系统，通过VSG的一次调频和柴油发电机的二次调频，提高了系统频率和电压的稳定性，但两次调频控制之间的交互影响缺乏分析。
实际应用中，并网逆变器和柴油机还应考虑工作模式及其切换问题，二者既可以独立工作也可以协同运行，类似的陆地微网中也要考虑并网与孤岛两种运行模式问题。如果不同模式下采用不同的控制方法，需要控制方法的平滑切换，可以通过合理初始化不同控制器的参数实现，也可以采用同一种控制方法以适应不同工作状态，但控制器参数或结构通常也需要调整。
就并网而言，两电网并入前进行预同步处理是一个容易实现的方法，有利于减少并网冲击。在柴油发电机微网应用中，文献[15]探讨了柴油机与逆变器协调工作的几种模式，但对各种模式下的控制方法缺乏深入研究。文献[16]研究了并网逆变器与柴油发电机不同模式下的协调控制问题，对并网逆变器采用电压外环和电流内环的控制策略，特别研究了柴油发电机与逆变器工作模式切换问题，柴油机并网采用了预同步技术，但是该文没有研究负载对系统的影响。
相对于陆地电网，船舶电站有其特殊性。首先船舶电站中发电机和并网逆变器数量少，进行各种状态切换时要保证网上至少有一台设备在持续供电；其次逆变器和柴油发电机容量相当且和负载匹配，设备离/并网容易对电网造成冲击；此外，船舶电站中电能传统上由柴油发电机产生，为减小系统吨位，柴油发电机容量与负载相匹配，电网电压与频率极易受负载突变的影响。
针对上述问题，并且考虑到现有船舶电网中发电机组与负载的控制都集中在船舶电站集控室中，各设备运行参数容易获得，本文提出一种船舶柴油发电机与并网逆变器协调运行的控制策略：通过负载电流全前馈，解决并网逆变器独立运行时的负载突变问题；通过提取负载电流高频分量并将其叠加至逆变器电流参考量，解决和柴油发电机协调运行时的负载突变问题；通过状态锁定方法解决柴油发电机离/并网过程中的功率动荡和不稳定问题。
此外，本文还分析了电流变化量提取算法参数与发电机参数匹配问题以及不同负载情况下并网的电流冲击问题，最后给出了系统整体离/并网控制策略。该控制策略为船舶电站中并网逆变器与柴油发电机组间的协调控制提供了整套可行方案，提高了船舶电网运行的可靠性与稳定性。
图9 状态预锁定离、并网切换技术
图10 整体控制框图（d轴）
图21 实验平台
针对船舶电站中逆变器与柴油发电机组协调工作问题，研究了逆变器在孤网、并网、离/并网切换等过程中的控制方法。相比于传统控制方法，本文结合船舶电站参数集中的特点，提出了基于负载电流参数的控制方法，极大提高了控制过程的稳定性和快速性，为新能源船舶电站提供整套控制策略。
首先，针对并网逆变器孤网运行模式，通过推导电网电压闭环传递函数，提出了负载电流全前馈的控制方法，以提高逆变器对负载剧烈变化的稳定性和适应能力。
其次，针对逆变器与柴油发电机的协调运行模式，提出一种负载瞬时电流前馈方法。根据柴油发电机组的频率与电压控制频率特性，设计了一种负载电流动态分量提取方法，并前馈到逆变器电流控制指令。这样当负载有功或者无功剧烈变化时，逆变器能迅速补偿负载电流的变化量，并逐渐把负荷转移到柴油发电机。采用这种方法提高了协调工作模式下电网频率与电压的稳定性。
针对不同模式之间的切换过程，分析了柴油发电机离/并网过程的冲击电流及对电网的影响，并根据不同参数获取条件，在柴油发电机并网时提出了预同步方法与参数预锁定方法，在柴油发电机离网时提出了转移负荷方法与状态预先切换方法。通过这些方法，克服柴油发电机离/并网时，接触器动作时间不能确定，造成瞬间电参数变化过大问题。
通过上述方法，本文有效解决负载快速变化时船舶电网的电压和频率波动过大问题，为新能源船舶电站中并网逆变器的协调运行提出了整套控制策略，提高了船舶电站的稳定运行能力。