基于虚拟同步发电机的船舶光伏并网逆变控制策略

汤旭晶, 喻 航, 孙玉伟, 袁成清, 严新平, 邱爰超

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院;b.国家水运安全工程技术研究中心;c.交通运输部船舶动力工程技术交通行业重点实验室, 武汉 430063)

基于虚拟同步发电机的船舶光伏并网逆变控制策略

汤旭晶a,b,c, 喻 航a, 孙玉伟a,b,c, 袁成清a,b,c, 严新平a,b,c, 邱爰超a

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院;b.国家水运安全工程技术研究中心;c.交通运输部船舶动力工程技术交通行业重点实验室, 武汉 430063)

在船舶电力系统中集成并网型太阳能光伏系统，当传统恒功率(PQ)控制策略光伏逆变器与船舶电站并联运行时，存在惯性小、阻尼低且不易实现光伏能量合理调度等问题。针对PQ控制策略存在的缺陷，提出一种基于虚拟同步发电机(Virtual Synchronous Generator,VSG)的光伏并网逆变控制策略，在控制算法中引入功-频下垂特性和虚拟转动惯量，使并网逆变器具有与同步发电机相似的输出下垂特性及惯性阻尼；利用PSCAD/EMTDC建立船舶光伏电-船电并网电力系统仿真模型，分别对PQ和VSG模式下的电网频率/电压波动、光伏并网逆变器和同步发电机组承担的有功功率/无功功率进行分析，研究系统参数的暂态变化。结果表明：采用VSG控制策略能有效抑制系统频率波动，实现光伏并网功率的自动调节，并显著提高电网的稳定性。

船舶；光伏系统；并网；虚拟同步发电机；下垂控制

太阳能光伏发电作为当今世界上开发利用可再生能源的主要形式之一，具有无污染、无噪声和维护简单等优点，应用前景广阔。近年来，随着各国对绿色船舶越来越重视，以太阳能为辅助电力能源的新能源船舶逐渐增多，并得到广泛关注和研究。[1]根据电能流向的不同，光伏发电在船舶上的应用可分为离网型、并网型和离并网混合型等3种模式[2]，其中离网型光伏系统因需配置大容量储能装置，投资成本较高，且光伏逆变功率由后级负载决定，无法实现光伏能源的即发即用，会降低光伏能源的利用效率。随着光伏能源占全船电力能源的比例不断增大，将光伏系统与船舶电站并联运行是减少储能装置投资、提高全船能源利用效率的有效途径。[3]逆变器(INVerter, INV)作为光伏并网应用的核心，其控制策略与逆变器的工作模式和调制效果息息相关。目前陆用光伏系统通常采用恒功率(PQ)控制逆变并网。然而，当光伏能源并入相对孤立、容量有限、强耦合和非线性的船舶电力系统时，若仍采用PQ控制逆变，则当船舶电网电能质量参数(电压或频率)大幅波动时，会因并网运行条件限制而突发逆变器脱网停机的现象，带来同步发电机 (Synchronous Generator, SG)输出功率陡增和暂态电流冲击的问题，影响船舶电力系统的稳定运行。此外，PQ控制逆变电源的输出特性与同步发电机组有显著区别，难以由船舶能量管理系统(Power Management System, PMS)合理地为其分配输出功率。[4]

这里针对PQ控制存在的上述问题，提出基于虚拟同步发电机算法(Virtual Synchronous Generator, VSG)的船舶光伏并网逆变控制策略。通过借鉴同步发电机组功-频下垂特性基本原理，引入一次调频功率指令，使逆变电源从外特性上模拟同步发电机的一次调频特性，实现并网功率的自动调节[5]；通过构造虚拟转动惯量，为逆变器提供一定的旋转惯性和阻尼分量，使其具有与柴油发电机组相似的电气和机械特性[6]，从而改善光伏系统的并网条件，提高电力系统的稳定性。利用PSCAD/EMTDC搭建光伏电-船电并网电力系统仿真模型，试验结果验证了VSG控制策略的合理性和有效性。

1 船舶光伏并网电力系统结构

船舶光伏并网电力系统结构原理见图1。光伏阵列发出的直流电经光伏控制器降压及最大功率追踪之后，由逆变器将直流电转换为交流电并入船舶电网。[7]船舶PMS对整个电力系统的运行过程实施监测、控制、保护和能量调度。

图1 船舶光伏并网电力系统结构原理

2 虚拟同步发电机控制策略

2.1 等效虚拟转动惯量控制

根据同步发电机的基本原理，忽略其定子电气特性以避免复杂的电磁暂态计算过程，建立虚拟同步发电机二阶暂态模型，其中转子机械方程为

(1)

式(1)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。

由虚拟同步发电机电角速度ω与机械角速度Ω之间的关系ω=PΩ，取极对数P=1，式(1)可表示为

(2)

式(2)中：PT为机械功率；Pe为电磁功率。

(3)

由式(3)可知,当电网负荷变化时，VSG逆变器等效虚拟惯量功率指令与电网频率及频率变化率之积成正比[8],即:在电网频率暂态变化过程中，当频率低于额定值时，VSG逆变器增加有功功率输出；当频率高于额定值时，VSG逆变器减少有功功率输出。由于电力电子设备开关动作响应时间远少于同步发电机调速器执行机构响应时间，因此当负载变化造成频率突变时，VSG逆变器可迅速增/减并网输出功率，实现对电网频率波动的抑制。当电网频率由暂态过程过渡到稳态过程之后，虚拟惯量功率输出为零。为保证稳态时逆变器输出有效的功率，可在逆变算法中引入下垂控制，实现对船舶电网负载功率的合理分配。

2.2 基于有差调节特性的下垂控制

并联运行船舶同步发电机间有功功率的分配与发电机组的功-频(P-f)特性有关，为使并网机组在任意负载下都能按容量比例自动分配有功功率，原动机调速器一般采用下垂有差特性控制柴油机转速(见图2)。[9]若具有功-频有差特性的并网逆变器与同步发电机并联运行，根据上述原理，也可实现因负荷变化造成系统频率波动时，逆变器并网有功功率的自动调节。[10]

图2 同步发电机功频有差特性

图2中,发电机组初始时刻运行于额定工作点N，随着系统负荷的增加，发电机组工作点逐渐下移，最后在A点稳定运行。电网负荷变化导致的频率变化量为Δf，相应的功率变化量为ΔP，下垂控制倾斜度用调差系数K表示，即

(4)

以光伏逆变器与柴油同步发电机组并联运行为例，当船舶电力负荷发生波动时，逆变器和同步发电机组的有功功率变化量分别设为ΔP1及ΔP2，由于并联运行时二者的频率变化量相等，因此功率变化量与其调差系数K1及K2满足

(5)

可见，光伏逆变器和柴油发电机承担的电力负荷与其调差系数成反比[11]，PMS在对储能装置容量、逆变器当前输出功率及全船电力负荷等重要信息进行实时采集的基础上，根据一定的能量管理策略设定相应的逆变器额定功率PN和调差系统K1，可实现对逆变器输出有功功率的动态控制。图3为引入等效虚拟惯量功率并基于有差调节的下垂控制算法原理，其中：fN为设定的电网额定频率；f为实际运行频率；1/K为比例控制系数；Pinertia为等效虚拟惯量功率；Pdroop为下垂控制输出功率指令值；Pref为解算并网逆变器输出功率指令值。

图3 虚拟同步发电机下垂控制算法原理

2.3 有功功率与无功功率的解耦控制

无论是虚拟惯量控制还是下垂控制，在本质上都需对功率进行实时调节，实现对有功功率和无功功率的有效跟踪。根据瞬时功率理论，将逆变器有功功率P和无功功率Q输出的控制解耦成有功电流及无功电流的控制[12]，在静止dq直角坐标系下可表示为

(6)

假设电网三相电压为理想的正弦波，则有

(7)

式(7)中:Um为电网电压峰值;ω1为基波角频率。将三相电压先后经Clarke变换和Park变换，由三相坐标系转换到静止直角坐标系[13]中，可得

(8)

则式(6)可进一步简化为

(9)

引入比例积分控制环节，可得

(10)

(11)

为提高光伏能源的利用效率，需尽可能地完全转换，以利用其有功功率部分。设定光伏逆变器运行于单位功率因数状态，即仅向电网输送有功功率，系统无功功率均由柴油发电机承担[14]，上述采用功率外环及电流内环的有功功率和无功功率双环解耦控制算法见图4。

图4 有功功率和无功功率双环解耦控制算法

3 仿真与试验分析

在PSCAD/EMTDC仿真平台上建立某汽车滚装船的光伏并网电力系统简化仿真模型(见图5)。柴油同步发电机组的容量为1 200 kV·A，额定功率为960 kW；光伏并网逆变器的额定容量为150 kW。考虑到实船光伏系统集成有较大容量的锂电池储能系统(700 kW·h)，可起到稳定光伏逆变器直流输入端电压和平衡供/耗功率的作用，在仿真模型中采用直流恒压源替代光伏电池阵列予以简化。从验证所提逆变并网控制策略的有效性的角度出发，不考虑多台同步发电机组并联运行过程中自动调频调载装置对电网电压和频率的控制作用，仿真模型中仅设定光伏系统与单台同步发电机组并联组网的算例，相关参数设置见表1。

图5 船舶光伏并网电力系统简化仿真模型

算例设置：在初始状态下，连续性负荷有功功率为598.6 kW；通过PMS调控，光伏系统承担有功功率30 kW，柴油发电机组承担有功功率568.6 kW；10 s时刻间断性负荷156 kW全部接入船舶电网；20 s时刻切离间断性负荷78 kW。为防止电网频率小范围频繁波动造成光伏并网逆变器因过度响应而引发电网振荡，在控制算法中设定调节死区范围为±0.3 Hz(当频率变化量在死区内时，Pinertia输出为零)；为防止光伏并网逆变器输出过载，在算例中设定并网逆变器最大输出功率为150 kW；逆变器并网功率因数为1，为纯有功输出。

3.1 对频率和电压波动的抑制作用分析

对比采用PQ控制策略和VSG控制策略的光伏并网逆变器与同步发电机组并联运行之后发生电网负荷大幅突变时的电网频率及电压波动，结果见图6～图9。

从图6～图9中可看出:

1)在第10 s突增156 kW负载之后的波动状况:在PQ模式下,电网频率的波动范围为58.8～60.3 Hz，静态稳定值为59.6 Hz(降幅为0.6%)，瞬态电压突降至432 V(降幅为4%);在VSG模式下,电网频率的波动范围为59.3～60.1 Hz，静态稳定值为59.75 Hz(降幅为0.4%)，瞬态电压突降至428 V(降幅为4.9%);在2种模式下,电压恢复时间(电网电压恢复到与额定值相差3%以内所需时间)均<0.1 s。

图6 在PQ模式下电网频率波动

图7 在VSG模式下电网频率波动

图8 在PQ模式下并网系统电压波动

图9 在VSG模式下并网系统电压波动

2)在第20 s突减78 kW负载之后的波动状况:在PQ模式下,电网频率的波动范围为59.5～60.2 Hz，静态稳定值为59.7 Hz(降幅为0.5%);在VSG模式下,电网频率的波动范围为59.7～60.2 Hz，静态稳定值为59.8 Hz(降幅为0.3%)；在2种模式下,电压波动幅值均为457 V(增幅为1.5%)，电压恢复时间均<0.1 s。

3.2 有功/无功功率输出特性差异分析

在分别采用PQ控制策略和VSG控制策略的条件下，光伏并网逆变器和同步发电机组有功功率输出变化情况见图10及图11，相应的无功功率输出变化情况见图12及图13。

图10 在PQ & VSG模式下INV有功功率输出

图11 在PQ & VSG模式下SG有功功率输出

图12 在PQ模式下INV和SG无功功率输出

图13 在VSG模式下INV和SG无功功率输出

从图10～图13中可看出:

1)采用PQ控制策略，在电力负荷大幅突变的时刻，船舶电网电力负荷的变化完全由柴油发电机承担，光伏并网逆变器输出功率始终保持在30 kW左右，无法实现并网功率的动态自动调节。

2)采用VSG控制策略，逆变器并网功率在第10 s时突增至140 kW，之后在1.5 s内逐步降低并稳定在104 kW(负荷率69.33%，承担变动负荷部分48.05%);同步发电机组输出功率在该暂态过程中先陡增至630 kW左右，之后在3 s内逐步提高并稳定在650 kW(负荷率67.71%，承担变动负荷部分51.95%)。在第20 s时，逆变器并网功率骤减至50 kW，随后逐渐提升并稳定在68 kW(负荷率45.33%，承担变动负荷部分46.15%);同步发电机组输出功率在该暂态过程中先陡降至628 kW，随后在2 s内逐步降低并稳定在608 kW左右(负荷率63.33%，承担变动负荷部分53.85%)。

3)在2种控制策略下，并网逆变器无功功率输出始终为零，系统无功功率变化均由同步发电机组承担。

4 结束语

本文针对采用PQ控制策略的并网逆变器无法实现并网功率自动调节、惯性小和阻尼低的特性，提出一种基于虚拟同步发电机的逆变并网控制策略，通过在控制环节中引入虚拟惯量功率模拟同步发电机组的负荷调节特性，通过采用基于功-频有差特性的下垂控制算法实现系统负荷变化时光伏并网功率的自动调节。研究结果表明：

1)在电网有功负荷突变过程中，光伏并网逆变器采用VSG控制策略对电网频率波动和静态偏差的抑制作用要优于采用PQ控制策略，对电网电压波动和稳定时间的控制效果与PQ控制策略相当。

2)当电网频率由暂态过程过渡到稳态过程之后，基于P-f下垂特性的VSG逆变器能通过静态有差调节实现按比例分担电网变动负荷，与采用PQ控制策略的并网逆变器相比动态调节特性更好。

[1] LAN Hai, WEN Shuli, HONG Yingyi, et al. Optimal Sizing of Hybrid PV/Diesel/Battery in Ship Power System[J]. Applied Energy,2015,158: 26-34.

[2] 严新平,孙玉伟,袁成清.太阳能船舶技术应用现状及展望[J].船海工程,2016(1):50-54.

[3] 袁成清,张彦. 大型滚装船船电-光伏并网系统构建及电能质量分析[J]. 中国航海, 2014, 37(3): 21-24.

[4] 郜克存,毕大强, 戴瑜兴. 基于虚拟同步发电机的船舶岸电电源控制策略[J]. 电机与控制学报, 2015,19(2): 45-52.

[5] 张兴,朱德斌,徐海珍. 分布式发电中的虚拟同步发电机技术[J]. 电源学报, 2012(3):1-6.

[6] HIRASE Y, ABE K, SUGIMOTO K, et al. A Grid-Connected Inverter with Virtual Synchronous Generator Model of Algebraic Type[J]. Electrical Engineering in Japan,2013,184(4):10-21.

[7] 陈智. 船舶光伏并网关键技术研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2015.

[8] 罗宏健. 虚拟同步发电机特性的能量型储能系统控制策略研究[D]. 成都：电子科技大学, 2012.

[9] ARCO S D, SUUL J A, FOSSO O B. A Virtual Synchronous Machine Implementation for Distributed Control of Power Converters in Smartgrids[J]. Electric Power Systems Research, 2015, 122(6): 180-197.

[10] 徐湘楚. 基于虚拟同步发电机的光伏并网发电控策略研究[D]. 北京：华北电力大学, 2014.

[11] 王思耕. 基于虚拟同步发电机的光伏并网发电控制研究[D]. 北京:北京交通大学, 2011.

[12] 裴庆磊. 大功率并网型光伏逆变器控制策略的研究[D]. 北京:华北电力大学, 2013.

[13] LOIX T. Participation of Inverter-Connected Distributed Energy Resources in Grid Voltage Control[D]. Leuven: Katholieke Universiteit, 2011.

[14] 薛士龙,叶佳珒. 船舶电力系统及其自动控制[M]. 北京: 电子工业出版社, 2012:1-20.

Grid-ConnectedPhotovoltaicshipInverterControlStrategyBasedonVirtualSynchronousGenerator

TANGXujinga,b,c,YUHanga,SUNYuweia,b，c,YUANChengqinga,b,c,YANXinpinga,b,c,QIUYuanchaoa

(a. School of Energy and Power Engineering; b. National Engineering Research Center for Water Transport Safety; c. Key Laboratory of Marine Power Engineering & Technology (Ministry of Transport), Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

With the integrated application of grid-connected photovoltaic(PV) system in traditional marine electric power systems, the solar PV inverter which adopts the conventional constant power (PQ) control strategy having some inevitable problems when in parallel operation with ship power station, such as low damping, low system inertia and difficulty in achieving rational energy management. Aiming at the shortcomings of PQ control strategy, a kind of innovative control strategy of Virtual Synchronous Generator (VSG) is proposed for PV grid-connected inverter. The virtual rotational inertia and power-frequency droop characteristics are introduced into the control algorithm, so that the output droop characteristics and inertial damping of the inverter are changed as if it were a real synchronous generator. The integrated simulation model of photovoltaic ship power system is established under the environment of PSCAD/EMTDC. In order to study the transient stability of this integrated power system, the grid frequency/voltage fluctuation of the inverter and synchronous generator, the grid frequency/voltage fluctuation and active/reactive power output, are analyzed with PQ and VSG control strategy respectively. The results show that the VSG control strategy can effectively suppress system frequency fluctuation, achieve automatic adjustment of the PV grid power, and improve stability of the grid.

ship; photovoltaic system; grid-connected; VSG; droop control

2017-11-14

国家自然科学基金(51422507)；湖北省高端人才引领培养计划资助项目(鄂科技通[2012] 86号)

汤旭晶(1973—)，男，浙江金华人，副教授，研究方向为船舶新能源技术和微机控制技术在轮机系统中应用。E-mail:txj73@whut.edu.cn

孙玉伟(1985—)，男，湖北十堰人，副教授,博士，研究方向为船舶电力系统及自动化控制、绿色船舶应用技术。E-mail:ywsun@whtu.edu.cn

1000-4653(2018)01-0028-06

U665.1

A