赵莉华，金阳，毕大强，张亚超，梁勇

（1. 四川大学电气信息学院，成都 610065；2.电力系统国家重点实验室，清华大学电机系，北京 100084）

基于双PWM变换器的轴带发电系统控制策略研究

赵莉华1，金阳1，毕大强2，张亚超1，梁勇1

（1. 四川大学电气信息学院，成都 610065；2.电力系统国家重点实验室，清华大学电机系，北京 100084）

本文提出了一种由双PWM变换器构成的新型轴带发电系统控制策略，其整流侧将轴带发电机发出的电压、频率变化的交流电变换为直流电；逆变侧采用虚拟同步发电机控制策略，使逆变器具有与柴油发电机相似的输出下垂特性和电气、机械特性，保证该轴带发电系统能与常规的柴油发电机组长期稳定并联运行。在MATLAB/Simulink环境下搭建了该新型轴带发电系统的仿真模型，对其与柴油发电机组的并联运行进行了模拟，对模型中转动惯量对系统的影响进行了分析，验证了该控制策略的可行性。

轴带发电机 柴油发电机 虚拟同步发电机 下垂特性 并联运行

0 引言

在远洋船舶辅助供电系统中，轴带发电机由于是利用主机的功率裕量发电，具有提高主机的运行效率、减少柴油发电机运行时间、减少燃油消耗、降低维护成本等优点而占有日益重要的地位[1]。

船舶轴带发电机由主机驱动，其转速随主机转速的变化而变化，而主机的转速又是根据船舶航行的需要经常改变的，因此轴带发电机输出电压大小和频率都是不断变化的，不能直接并网发电，所以轴带发电系统首先必须解决恒压恒频的问题。目前使用最广泛的可控硅逆变器式轴带发电系统，应用可控硅逆变装置及控制系统调节频率，用同步补偿机提供无功，维持电压稳定。但这种轴带发电系统输出谐波电流大，参数匹配复杂[2]，在改善电能质量、能耗、体积、重量、控制速度等方面出现了许多不足[3]。

本文提出了一种由双PWM变换器构成的新型轴带发电系统控制策略，其整流侧采用基于矢量控制的PWM整流方式，将交流电变换为直流电，并维持直流侧电压恒定；逆变侧采用虚拟同步发电机控制策略，采用发电机的二阶机电暂态模型，通过模型中转动惯量J的引入，使得逆变器具有与柴油发电机相似的电气和机械特性；并且把实现系统下垂特性的功频控制器模块和励磁控制器模块引入到该控制策略中，使轴带发电系统的逆变器侧具有与柴油发电机相似的输出下垂特性。

1 基于双PWM变换器的轴带发电系统

基于双PWM变换器的轴带发电系统结构如图1所示。

图1所示轴带发电系统中，PWM整流器将轴带发电机发出的电压和频率不断变化的交流电整流成直流，并维持直流侧电压恒定。采用全控桥式PWM整流方式，不仅使同步发电机输出谐波变小，直流侧电压可控且纹波较小，还可使该轴带发电系统在较大的转速范围内正常运行。

2 虚拟同步发电机控制策略

2.1 虚拟同步发电机建模

根据不同的实际问题，同步发电机的模型可以有不同程度的简化。本文期望实现发电机有功功率-频率和无功功率-电压下垂特性，因此，可采用同步电机的二阶机电暂态模型[4]。

式（1）和式（2）中，J为转动惯量，Ω为机械角速度，MT为机械转矩，Me为电磁转矩，为励磁电动势，为电枢端电压，为电枢电流，Ra为电枢电阻，XS为同步电抗。此模型包含电机转子机械特性和定子电气特性，并能有效避免复杂的电磁暂态过程，减少影响逆变电源输出特性的因素，提高模型的实用性。

取同步电机极对数为1，则电机电角速度ω等于机械角速度Ω，对公式（1）变形可得：

式（3）中，ω为电角速度，ωN为同步电角度，PT为机械功率，Pe为电磁功率，θ为电角度。

根据公式（2）、（3），便可在MATLAB/Simulink环境下搭建虚拟同步发电机模型，模型的输入量为机械功率PT、电磁功率Pe、电枢电流、励磁电动势E0，输出量为电枢端电压˙。

2.2 有功功率-频率控制

发电机有功功率-频率静态特性如图2所示，假设发电机初始运行于额定工作点N,对应额定频率fN，额定有功功率PN。当系统负荷增加，使得频率下降到f1，原动机调速系统的作用使发电机组输出功率增加到P1，发电机重新稳定运行于1点。可见对下降的频率Δf，发电机组输出有功功率增加ΔP，即发电机具有有功功率-频率下垂特性。定义调差系数为R，有：

以两台并联运行的发电机组为例，当负荷波动时，两台发电机输出有功功率变化量分别为ΔP1、ΔP2，并联运行时，频率变化量相等，即Δf1=Δf2，因此：

由式（5）可知，发电机组有功功率分配与机组调差系数成反比，因此，根据发电机组的容量大小，来调整各发电机的调差系数，便可实现有功功率的合理分配。

根据以上原理设计的虚拟同步电机的有功功率-频率控制器如图3所示。

图3中，控制器输出量为虚拟同步发电机输出的有功功率P1，忽略发电机损耗，发电机发出的有功功率与原动机机械功率相等，即P1=PT。

2.3 无功功率-电压控制

同步发电机作为系统中最主要的无功电源，其无功输出通过励磁系统控制，通过励磁系统调差环节可改变发电机外特性，以实现无功的合理分配，其电压调节特性如图4所示。

假设发电机初始运行于额定工作点N,对应额定电压VN，额定无功QN。当系统无功负荷增大到Q1，发电机发出无功不足时，系统降低电网电压到V1，以满足无功平衡，发电机重新稳定工作于1点。可见发电机组升高无功ΔQ，输出电压降低ΔV ，即具有无功功率-电压下垂特性。定义调差系数为δ，则有：

以两台并联运行的发电机组为例，当负荷波动时，两台发电机输出的无功变化量分别为ΔQ1、ΔQ2。并联运行的发电机电压变化量相等，即ΔV1=ΔV2，有：

由式（7）可知，发电机组的无功分配与机组的调差系数δ成反比，因此，根据发电机组的容量大小，来调整各发电机的调差系数，便可实现无功的合理分配。根据以上原理设计虚拟同步电机的无功功率-电压控制器（即励磁控制器）如图5所示。

图5中，V为电网实际电压，VM为实际电压的幅值，将其与虚拟同步发电机的电压幅值参考值Vref的差值进行PI调节，输出虚拟同步发电机的励磁电动势幅值E0。

将功频控制器的输出P1（P1=PT）与励磁控制器的输出E0分别接入虚拟同步发电机模型中，便可使该虚拟同步发电机模型拥有与柴油发电机组相似的输出下垂特性。其总控制策略原理如图6所示。

在该控制策略中，通过功频控制器模块和励磁控制器模块的引入，使逆变器具有与柴油发电机相似的输出下垂特性；虚拟同步发电机模型采用公式（2）、（3）所示的二阶机电暂态模型，其转动惯量J的选取，应与柴油发电机的转动惯量一致，使二者拥有相似的暂态响应特性。最后，将虚拟同步发电机模型的输出电枢端电压U作为参考值，输入到SVPWM调制模块中，生成相应的脉冲信号，完成逆变侧的控制。

3 仿真分析

在MATLAB/Simulink环境下搭建了该轴带发电系统的仿真模型，虚拟同步发电机的主要参数如下：转动惯量J=0.1 kg•m2，电枢电阻Ra=0.01 Ω，同步电抗XS=0.25 Ω，额定有功功率PN=20 kW，额定无功功率QN=15 kVar，调差系数R=0.00005，δ =0.00064；与其并联运行的柴油发电机额定有功功率PN'=80 kW，额定无功功率QN'=60 kVar，转动惯量J'=0.1 kg•m2。

系统初始运行在额定负荷下，有功负荷100 kW，无功负荷75 kVar；3 s时减小有功负荷10 kW，无功负荷5 kVar；5 s时再减小有功负荷1 0kW，无功负荷5 kVar。轴带发电系统发出的有功功率和系统频率分别如图7（a）、（b）所示。

由图7可以看出，轴带发电系统的输出特性按照有功功率-频率下垂特性变化，有功负荷减小，系统的频率升高。轴带发电系统发出的无功功率和系统电压幅值分别如图8（a）、（b）所示。由图8可以看出，轴带发电系统的输出特性按照无功功率-电压下垂特性变化，无功负荷减小，系统的电压升高。

轴带发电系统与柴油机并联运行的有功和无功负荷分配如图9（a）、（b）所示。由图9可以看出，两者能长期稳定并联运行，且当负荷发生变化时，能按照各自的容量比（1:4）合理分配变化的负荷△P、△Q。

4 结论

本文提出了一种新型的基于双PWM变换器结构的轴带发电系统，其整流侧将轴带发电机发出的电压、频率变化的交流电变换为直流电；逆变侧采用虚拟同步发电机控制策略，使其具有与柴油发电机相似的输出下垂特性和电气、机械特性。在MATLAB/Simulink环境下搭建了该新型轴带发电系统的仿真模型，对其控制策略进行了验证。与其他轴带发电系统相比，本文介绍的基于双PWM变换器结构的轴带发电系统具有结构紧凑、成本低、可控性强、能耗小、输出电能质量高等优点，具有广泛的应用前景。

[1] Liu Yijian. Development of a new-type shaft-driven generator. electronic measurement and instruments, 8th International Conference on 2007.

[2] T. Kataoka, S.Nislukata. Transient performance analysis of self-controlled synchronous Motors. IEEE Trans.on industry applications. 1981, 17(2)：100-103.

[3] 李亮, 刘以建, 喻多祥. 船舶轴带发电机的发展与新方法的研究. 船电技术, 2009, 29(5):5-9.

[4] Z. Haznadar. Modeling of ship’s shaft generator. International Symposium on Power Electronics, 2006.

Research on Control Strategy of Shaft-driven Generator System with Dual PWM Converter

Zhao Lihua1，Jin Yang1, Bi Daqiang2，Zhang Yachao1，Liang Yong1
(1.College of Electrical Engineering & Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 2. State Key Lab of Power System, Dept of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijng 100084, China)

A new control strategy of marine shaft-driven generator system with dual PWM converter is introduced in this paper. The rectifier side changes varying AC to DC, and the inverter side adopts the virtual synchronous generator based on control algorithm to achieve the droop characteristics and electrical-mechanical characteristics, which are similar with the diesel generator system. This will ensure the marine shaft-driven generator system can operate with the diesel generator system in parallel for a long time. The simulation model of the new shaft-driven generator system is built by using MATLAB/Simulink and the parallel operation with the diesel generator system is simulated, the influence of the rotational inertia in the model is analyzed, and the control strategy is verified.

shaft-driven generator; diesel generator; virtual synchronous generator; droop characteristics; parallel operation

TM34

A

1003-4862（2014）03-0065-04

2013-09-17

赵莉华（1968-），女，硕士，副教授。研究方向：开关电源、电力电子设备控制技术。