李士刚，杨奕飞，赵 磊，丁笑寒

(1. 海装上海局驻南京地区第一军事代表室，江苏 南京 210018；2. 江苏科技大学海洋装备研究院，江苏 镇江 212003；3. 镇江船舶电器有限责任公司，江苏 镇江 212004；4. 江苏中智海洋工程装备有限公司，江苏 镇江 212002)

1 引言

船舶辅机燃油发电所产生的环境污染日渐严重，而靠港船舶采用岸上电能替代燃油辅机发电成为了一种行之有效的解决方案[1-2]。随着国家对节能环保的重视，交通运输部于2017年发布《港口岸电布局建设方案(征求意见稿)》，标志着船舶靠港使用岸电已成为航运业的重要发展趋势，船舶岸电系统的国内外市场需求将日益增长。

船舶靠港使用岸电期间，船舶负载会伴随船载用电设备的关断而变化，而船舶负载的波动会伴随船舶电网的电压波动，这种电压波动可能对岸船两侧的电气设备正常运行造成影响甚至损坏用电设备。在微电网孤岛运行控制策略的研究方面，文献[3]中提出了一种改进下垂控制，对逆变电源加入惯性环节，这种方法虽然可以较好的抑制负载变化时刻的功率波动，但无法保证不同工况下供电电压和频率的稳定。文献[4]中构建了下垂控制系数与功率的一次函数项和功率微分项，可增加微电网系统阻尼抑制系统振荡，但存在系数取值困难、调节精度较差等弊端。针对岸电系统功率变化而产生的电压波动，文献[5]中提出了一种功率阶跃补偿环节，对下垂控制的参考输出功率进行调节，但下垂控制的控制目标存在稳态静差，调节效果受静差影响较大。

为了尽量减少负载变化过程中产生的电压波动，保护岸电电源和船舶设备，基于上述控制策略存在的不足和局限性，提出一种适用于船舶岸电系统的功率波动平抑策略。通过结合主从控制和恒定电压反馈跟踪(CVFT)法，在提升岸电系统额定功率的同时，保证了船舶电网的电压稳定性。

2 船舶岸电系统建模分析

2.1 船舶电网负载分析

船舶电力是决定船舶安全性能和电气性能的关键因素之一。同样的，船舶靠港后使用岸电，岸电电源取代船载发电辅机，也对岸电电能质量和系统容量有着极高的要求。影响船舶电网负载的因素很多，包括靠港船舶用电设备的类别、工况、数量等，需要采用适当的方法进行计算，根据计算结果对岸电电源容量和输出功率进行分配。

使用需要系数法，对某出口船靠港时刻船舶负载进行计算，具体功率如表1所示，可得该船靠港时刻对岸电电源的容量需求。

表1 某散货船电力负载表

2.2 船舶岸电系统建模分析

岸电系统为靠港船舶提供电能，是一种结构复杂的电力系统，岸电系统可以细分为多个不同的子系统。而在这些子系统之中，最重要的是岸基供电系统、船载受电系统和电缆连接设备，其结构如图1所示。

简化图1，可得船舶岸电系统等效电路及电气参数图，如图2所示。图中E、U0分别为岸电电源输出电压值和船舶电网电压值；∠θ和∠θ0分别为岸电电源电压相位角和船舶电网电压相位角；R+jX为岸电逆变器的等效输出阻抗和船岸连接线等效阻抗之和；R0+jX0为船舶负载等效阻抗。

图1 船舶岸电系统结构图

将R+jX记为Z1∠θZ1，R0+jX0记为Z0∠θZ0，可计算岸电系统等效阻抗Z∠θZ，系统电流I和岸电系统负荷S：

图2 船舶岸电电网结构

Z1∠θZ1+Z0∠θZ0=Z∠θZ

(1)

(2)

(3)

因为船舶岸电系统主要呈感性且岸侧和船侧电压相位差极小，相位角可近似为

(4)

可得岸电逆变器输出有功P、无功功率Q

(5)

(6)

(7)

式中，fn、En、Pn、Qn分别为岸电电源额定频率、额定电压值、额定有功功率和额定无功功率；f、E、P、Q为岸电电源输出实际频率、实际电压值、实际有功功率和无功功率值；Kf、KU为系统下垂系数，Kf为P-f下垂系数，KU为Q-U下垂系数。

结合上述岸电控制下垂特性公式，可得常用岸电下垂控制框图，如图3所示。

图中fn为额定频率，f为频率调制信号，θ为频率信号换算后的相位信号，Pmd和Pmq为计算生成的d、q坐标轴参考电压控制信号。

图3 Droop控制框图

Droop控制的功率环控制器既可以采用岸电并网逆变器的输出功率进行控制，也可以采用经滤波器和隔离变压器后向船舶电网输送的功率进行控制。岸电电源输出有功功率与频率的Droop特性如图4(a)示，无功功率与电压Droop特性如图4(b)所示。

图4中，Pmax是岸电系统在输出频率处于下降状态系统可承受的功率最大值；Pn是岸电系统在额定频率下运行输出的功率；fmin为岸电电源输出最大功率时系统可承受的最小频率；Qmax为岸电电源达到可允许输出电压最低值时刻岸电逆变器输出的无功功率；E0为岸电电源输出无功功率为0状态下，岸电系统输出电压的幅值(隔离变压器后)；Emin为岸电系统按照规范的最小电压。

图4 岸电电源Droop控制曲线

3 CVFT-Droop控制

如表1所示，靠港船舶稳定负载为152kW，间断负载总量共70kW，按照使用系数法计算间断负载额定功率为28kW，负载波动为16%。按照码头岸电系统管理经验，通常小额负载波动都依靠电源自身特性自我调节，但主电源负载调节时刻，会产生岸电电网电压波动，而船舶电网电压频繁波动会对船舶电网安全性和人员安全性产生较大隐患。文献[7]中提出了一种基于逆变器的新型功率控制，采用频率作为逆变器电压反馈补偿参数。但所采用频率作为反馈参数具有直观性较差且检测精度较低等缺陷，在补偿时刻响应速度较慢不能对输出功率进行良好地补偿。而系统电压和有功功率存在线性关系且具有直观性和检测容易等特点，因此计划使用恒定电压反馈跟踪法(Constant Voltage Feedback Tracking，简称CVFT)，使用电压信号作为反馈参数对传统Droop控制器进行修正，对岸电能量管理系统进行优化。

恒定电压跟踪(Constant Voltage Tracking，简称CVT)，最初被应用于光伏系统最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)，其思路是维持光伏电池稳定输出电压，目的是将光伏电池的整个工作过程维持在最大功率点出。CVT控制结构简单且易于实现，对于系统电压具有良好的调制作用，但缺点是无法准确追踪光伏电池MPPT点，控制的适应性较差，且当外部环境改变时，对于最大功率点追踪能力较差。

而岸电系统不同于光伏系统，岸电系统通常使用市电电源作为岸电电压源，具有电压恒定且输出功率稳定的特点。因此，采用恒定电压反馈跟踪(Constant Voltage Feedback Tracking，简称CVFT)对船舶电网负载端电压进行跟踪，基于电压反馈值对岸电控制器参数进行修正。根据反馈值和原有下垂特性参数，生成新的下垂控制曲线，原理如图5所示。

图5中符号含义和图4一致，改进后的CVFT-Droop特性图不同于原有Droop控制曲线，不需要人工调节控制器参数，使逆变器输出达到新的平衡状态。具体如下式所示

图5 岸电电源CVFT-Droop特性

(8)

式中，Kf、KU为频率和电压下垂系数，Pn为逆变器原本参考输出功率，Pnew为逆变器增益后的新参考功率，P*为CVFT反馈功率增益，使岸电电源达到新的稳态平衡。

传统的Droop控制，当船舶负载发生变化，岸电电源会根据电源下垂控制曲线进行自我调节，或者人工调节下垂控制曲线，而调节的过程费时较长并会导致岸电系统电压和频率的波动，影响岸电电网的稳定性。而CVFT-Droop控制则是在船舶负载波动时刻，基于实时电压差值对下垂系数和参考功率进行反馈调节，生成新的岸电Droop控制曲线，使岸电电源达到一个新的稳态。以新的P-f、Q-U控制曲线取代原有控制曲线，减少了岸电系统电压、频率的波动幅度，提高了岸电系统的安全性和稳定性。

图6 CVFT-Droop控制器结构框图

4 基于主从结构的CVFT-PQ控制

4.1 主从结构

CVFT-Droop可以有效减少随着负载波动而产生的岸电系统电压波动，但局限于Droop控制的特性，输出受限于下垂控制曲线，存在输出功率调节速度较慢，可适应负载波动范围较小等缺点。而PQ控制对于输出功率可以实现较好的控制效果，且动态响应较好，但PQ控制也存在电压调节效果较差，需要电网提供电压和频率支撑等缺点。因此，采用CVFT-PQ控制的从电源和Droop控制的主电源构建主从结构岸电系统，主电源为电网提供电压和频率支撑，从电源对系统有功、无功功率进行补偿。在提高响应速度的同时增加系统容量，提高系统的普适性。

主从结构就是在岸电的控制系统中设置其中一个控制器为主控制器，其他的控制器为从控制器，主从控制器之间一般需要通信联系，且从控制器服从主控制器[8-10]。

图7 主从结构岸电系统结构

4.2 基于主从结构岸电控制器设计

当岸电电源处于并网时刻，主电源逆变器处于Droop控制模式。由船载发电机对船舶电网电压和频率进行支撑，将dq0旋转坐标系中d轴定向于电网电压矢量方向上，就会在电网保持电压近似不变时，逆变器输出有功、无功功率分别和其输出电流的d、q轴分量为正比例关系。因此，将有功、无功功率期望值转化为电流期望值，对逆变器输出d、q轴电流分量进行调节，就可以分别控制岸电逆变器输出至船舶电网的有功、无功功率。

采用主从结构的岸电系统结构如图7所示，给出岸电逆变器输出电压表达式，将其形式略作调整如下式所示

(9)

(10)

上式中，idref和iqref为参考电流，id和iq为实时电流信号，KP和Ki为PI调制信号。比较式(9)和(10)可以得出，电流内环控制方程输出电压，d轴参考量uId和q轴参考量uIq都含有三个组成部分：电压前馈部分、电流耦合部分和电流微分部分或电流闭环积分部分。结合上式，给出岸电从电源PQ控制结构图，如图8所示。

PQ控制本质上是对系统有功、无功功率进行解耦，对电流使用PI控制器进行控制，降低系统稳态误差。为了减少岸电系统主从电源之间电压、频率误差，减少并网时刻电流冲击，从电源接收主电源实时信号进行功率解耦控制。

图8 PQ控制结构图

如图9所示，基于CVFT跟踪器对传统PQ控制进行改进，给出CVFT-PQ控制结构框图。

根据岸电系统额定电压Un和船舶电网实时电压Uabc计算出电压差值，差值经增益KCVFT后得出功率校正信号，对参考功率进行校正。为维持系统稳定，对校正信号阈值进行限制。校正后的参考功率作为从电源的参考功率，对从电源输出功率进行控制，维持岸电系统稳态输出。

图9 CVFT-PQ控制结构图

5 仿真验证

5.1 系统建模

为验证所提并网功率波动平抑策略的有效性，在MATLAB/Simulink平台上搭建岸电一体化仿真模型，通过对仿真结果进行对比分析得出结论，具体仿真模型参数如表2所示。

表2 岸电仿真模型具体参数

5.2 算例分析

例1：船舶靠港，岸电系统准备并网。并网前，岸电并网控制器使用Droop控制进行并网预同步，调节岸侧电源电压、频率和船舶电网保持一致。保持稳态运行至0.5s时并网合闸，船舶负载由船侧发电机转移至岸电电源，岸电并网完成。

由图10、11可见，岸电系统在0.5s时刻并网合闸，岸电系统电压发生-30V波动，系统输出功率波动0.05s后逐渐稳定，瞬态误差符合岸电IEEE.80005-3并网相关规范。

图10 岸电系统并网时刻电压波形

例2：并网完成，船侧连续负载150kW由岸电主电源进行供电，控制器调节岸电电源输出功率。系统维持稳态运行至1.3s时刻间断负载启动，船舶电网负载由150kW增至160kW。维持160kW运行至1.5s，1.5s时刻船舶电网负载增至170kW，1.7s时刻由170kW增至200kW。分别采用Droop控制和CVFT-Droop两种控制方式，对岸电电源输出电压、功率进行控制，仿真结果如下图所示。

图11 岸电系统并网时刻输出功率

当负载由150kW变换至160kW时刻，CVFT-Droop相较于传统Droop控制，岸电系统输出电压稳态误差减少6%；当负载由160kW变换至170kW时刻，输出电压稳态误差减少9%；当负载由170kW变换至200kW时刻，输出电压稳态误差减少18%。由此可见，基于CVFT-Droop控制的岸电电源在负载变化时刻，相较于传统Droop控制具有更好的调节效果，岸电系统电压波动较小。

图12 负载波动时刻岸电系统电压

如图13所示，岸电系统在1.3s、1.5s时刻负载波动，输出功率增加。1.7s时刻，负载增加至200kW，超出岸电系统调节阈值，电压骤降并伴随系统输出功率减少。

图13 负载波动时刻岸电系统输出功率

系统输出功率下降原因，主要是岸电系统单机容量限制。计划采用多电源并联的方式为岸电系统增容，增容后的岸电系统采用主从结构，主电源容量200kVA，采用Droop控制，从电源100kVA，采用CVFT-PQ控制。在负载增加时刻，主电源输出功率不变，从电源输出功率增加，维持系统稳定状态，改进后仿真结果如下图所示。

图14 负载波动时刻优化策略电压对比

如图14、15可见，基于CVFT-PQ控制的主从结构岸电系统对于船舶负载波动适应情况良好，且采用主从结构的CVFT-PQ岸电系统在负载小范围波动时刻，岸电电压波动极小。在1.7s时刻，负载由170kW增加至200kW，相较于传统Droop控制和CVFT-Droop控制，CVFT-PQ控制电压稳态误差减少80%。由此表明，基于主从结构的CVFT-PQ控制岸电系统相较于传统岸电系统可以有效抑制负载波动时刻系统电压波动，并且可以适应多种工况下船舶负载波动。

图15 负载波动时刻优化策略功率对比

需要指出的是，在岸电负载增加过程中，主电源输出功率需要保持恒定，为岸电系统提供电压、频率支撑，避免因负载波动导致的岸电系统失稳。除此之外，还需对从电源容量做出限制，即从电源容量不得超过岸电系统总容量30%。经仿真验证，当从电源功率占比超过30%，易对系统整体输出电压、频率产生反向影响，使系统失稳而不符合岸电IEEE.80005-3相关规范。

6 结论

传统的岸电系统在负载变化过程中往往伴随着功率波动，需要对岸电系统进行增容、扩容等操作。传统电力系统中，通常是对下垂参数进行人工修改，而修改和控制过程易导致电压波动、系统失稳甚至导致相关电气设备故障。考虑到实际船舶岸电系统负载变化情况和和岸电系统电源特性，研究岸电系统负载波动平抑控制策略将能产生重要的现实意义和价值。

根据本文所做工作，可以得出以下结论：

1)对传统Droop控制岸电系统加入补偿环节，使用CVFT-Droop控制，有效提高岸电系统稳定性，减少负载变换时刻电压波动。

2)基于主从结构为岸电系统进行增容，提高岸电系统普适性，可以适应不同容量的靠港船舶，符合实际工程中的应用需求。

3)基于主从结构，使用CVFT-PQ控制作为岸电从电源控制方法，相较于CVFT-Droop控制，系统电压、频率波动进一步减小，显著提升负载变换时刻系统稳定性。