孫 亮， 徐合力, 高 嵐

(武漢理工大學(xué) a.能源與動力工程學(xué)院; b.船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，武漢 430063)

海上貨物運輸船舶需要船舶電力系統(tǒng)提供電力供應(yīng)，以便維持機艙、通信、導(dǎo)航和船員日常生活等系統(tǒng)的正常運行。一旦船舶電網(wǎng)出現(xiàn)較大擾動，通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備、計算機設(shè)備等電壓敏感型船舶負(fù)載(簡稱敏壓負(fù)載)端電壓也會不穩(wěn)，若沒有穩(wěn)壓設(shè)備，其端電壓會持續(xù)產(chǎn)生波動，從而導(dǎo)致電壓敏感型設(shè)備失穩(wěn)甚至失效。這不僅導(dǎo)致船舶失穩(wěn)失聯(lián)，甚至?xí)＜按鞍踩痛瑔T生命安全。因此，維持船舶電力系統(tǒng)以及敏壓負(fù)載的電壓穩(wěn)定對保障船舶安全和人身安全具有十分重要的意義。[1]

當(dāng)前，船舶上使用的穩(wěn)壓設(shè)備多為不間斷電源裝置(Uninterruptible Power System, UPS)，其技術(shù)途徑基本上有兩種[2]：

1) 選取合適的陸用UPS整機，并對其進(jìn)行加固和船用化處理。

2) 根據(jù)船用標(biāo)準(zhǔn)選用船用元器件重新設(shè)計和制造。雖然很多專家對UPS進(jìn)行不斷的研究，并提出很多改進(jìn)方案，但對于UPS本身，由于其背靠背的結(jié)構(gòu)選用器件相對較多，導(dǎo)致高容量情況下造價相對較高，所以仍僅適用于小容量設(shè)備中。

相較于UPS，動態(tài)電壓恢復(fù)器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)具有響應(yīng)速度快、成本相對較低及維護(hù)保養(yǎng)方便等[3]優(yōu)勢。DVR在陸地上已有廣泛應(yīng)用，常用控制策略有跌落前電壓補償控制法、同相電壓補償控制法和最小能量補償控制法等3種。[4-6]文獻(xiàn)[7]以電壓與電流之間相角差來確定暫降補償后電壓的最小能量的補償區(qū)域點，可通過調(diào)整補償電壓相位來漸漸實現(xiàn)能量的最小補償。文獻(xiàn)[8]通過緩慢移相，補償過程由完全電壓補償模式平滑地過渡到同相電壓補償模式，能夠保證負(fù)載側(cè)電壓相位的穩(wěn)定不發(fā)生突變。文獻(xiàn)[9]通過運用旋轉(zhuǎn)參考電壓的方法提高DVR的補償極限，同時考慮負(fù)序和零序電壓對輸出電壓的影響。文獻(xiàn)[10]在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上，運用對稱分量法，在考慮負(fù)序和零序補償電壓的同時，在負(fù)荷所能容忍的電壓幅值和相移范圍內(nèi)確定DVR的最優(yōu)電壓控制策略。

上述各種補償模式均是針對陸用DVR而設(shè)計的。由于陸地電網(wǎng)相對復(fù)雜且控制設(shè)備較多，其補償策略也較繁瑣，而船舶電網(wǎng)相對于陸地電網(wǎng)而言容量小、復(fù)雜度低，無需復(fù)雜設(shè)備和補償策略即可實現(xiàn)電壓的補償。因此，本文所提出的兩種補償策略僅通過對負(fù)載端三相電壓幅值、變壓器輸出側(cè)的電壓和系統(tǒng)電流進(jìn)行檢測與調(diào)節(jié)，即可在電網(wǎng)電壓波動情況下快速恢復(fù)負(fù)載端電壓，設(shè)計思路簡單且易于操作。此外，無功功率補償策略僅讓穩(wěn)壓設(shè)備提供無功功率，節(jié)省能量的損耗。

1 電壓敏感型船舶負(fù)載穩(wěn)壓設(shè)備

1.1 穩(wěn)壓設(shè)備基本結(jié)構(gòu)

陸用DVR基本結(jié)構(gòu)[11]包括：儲能單元、電壓型逆變器、控制單元、輸出濾波器和耦合單元(見圖1)。當(dāng)DVR進(jìn)行補償時，控制單元控制逆變器產(chǎn)生串聯(lián)補償電壓，然后經(jīng)耦合單元注入到線路中。輸出濾波器用于濾除逆變器所產(chǎn)生的高次諧波，儲能單元用于提供補償所需的有功功率。

由于大部分船舶電網(wǎng)線制為中性點不接地的三相三線制，且蓄電池在船舶上應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)相對成熟，本文選用的儲能單元采用蓄電池結(jié)構(gòu)，逆變

圖1 動態(tài)電壓恢復(fù)器基本結(jié)構(gòu)圖

器選用三相全橋結(jié)構(gòu)，濾波器采用RLC結(jié)構(gòu)，耦合單元采用變壓器。

1.2 穩(wěn)壓設(shè)備穩(wěn)壓基本原理

敏壓負(fù)載穩(wěn)壓設(shè)備應(yīng)用在船舶上的等效電路圖見圖2，當(dāng)發(fā)電機端電網(wǎng)電壓正常時，旁路開關(guān)L1閉合，L2和L3斷開，穩(wěn)壓設(shè)備處于旁路狀態(tài)。

圖2 穩(wěn)壓裝置系統(tǒng)電路圖

正常工況下，系統(tǒng)電流I為

(1)

式(1)中：UP為公共端處電壓；RL和XL分別為負(fù)載的電阻和感抗。

由于此時穩(wěn)壓設(shè)備尚未工作，則敏壓負(fù)載端電壓UL為

UL=UP=I(RL+jXL)

(2)

(3)

(4)

由式(4)可知:可通過改變系統(tǒng)中電流來恢復(fù)負(fù)載端電壓UL至額定值，而改變系統(tǒng)的電流可通過改變系統(tǒng)整體阻抗值來實現(xiàn)。

2 敏壓負(fù)載穩(wěn)壓設(shè)備兩種補償策略

2.1 無功功率補償策略

由于負(fù)載感抗不變，所以阻抗角φ也不變，負(fù)載端電壓UL與電流I之間夾角始終不變，補償過程見圖3。

圖3 無功功率補償下系統(tǒng)參數(shù)向量圖

(5)

負(fù)載端電壓變化為

(6)

2.2 無功功率補償策略補償范圍分析

圖4 無功補償下補償極限向量圖

綜上所述，在無功功率補償策略下，系統(tǒng)公共端電壓補償范圍為

(7)

2.3 有功功率補償策略

由式(5)可知：當(dāng)公共端電壓低至無功補償策略補償范圍之外，此時若想使負(fù)載電壓恢復(fù)至額定值，除輸入一定的無功功率抵消負(fù)載處的電感值外，還必須讓穩(wěn)壓器輸入一定的有功功率，此時的穩(wěn)壓器還要相當(dāng)于一個阻值為-R的電阻串聯(lián)在電路中，從而繼續(xù)使電流增大， 此時，系統(tǒng)電流變?yōu)?/p>

(8)

負(fù)載端電壓變化為

(9)

從而實現(xiàn)對負(fù)載端電壓的補償，使負(fù)載電壓達(dá)到規(guī)定的電壓值。整個補償過程見圖5。

a)極限狀態(tài)

b)有功補償后圖5 有功補償下系統(tǒng)參數(shù)向量圖

上述補償策略在此記為有功功率補償策略。該策略的提出是為解決無功功率補償策略補償范圍有限的缺點，即在無功功率補償策略無法實現(xiàn)的公共端電壓跌落或者電壓升高情況下對負(fù)載端電壓進(jìn)行補償。

2.4 兩種補償策略控制框圖

綜上所述，可將兩種控制策略在同一張控制框圖上表現(xiàn)出來，見圖6。

圖6 兩種補償策略的控制框

鎖相環(huán)(Phase-Locked Loop, PLL)作為電力系統(tǒng)中重要環(huán)節(jié)，一直是專家學(xué)者研究的重點。如文獻(xiàn)[12]提出電網(wǎng)同步相位的快速開環(huán)捕獲方法，可顯著提高電網(wǎng)電壓不對稱條件下的相位同步速度。文獻(xiàn)[13]為應(yīng)對同時的幅值、相位、頻率的突變提出基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換的單相電力信號同步相位快速開環(huán)捕獲方法。本文只針對對稱性的電網(wǎng)電壓幅值突變問題進(jìn)行試驗，所以只需利用傳統(tǒng)的單同步坐標(biāo)系軟件鎖相環(huán)即可實現(xiàn)對電網(wǎng)三相電壓相位角θs的檢測，用作圖6中涉及的所有dq坐標(biāo)與abc坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換。

2.4.1無功功率補償控制策略

(1)有功功率部分：為保證在無功功率部分補償模式下變壓器沒有有功的輸出或吸收，節(jié)省能量損耗，調(diào)制波的有功功率部分是把變壓器輸出側(cè)電壓d軸分量UdT與指令值-UqTIq/Id(UqT為變壓器輸出側(cè)電壓q軸分量，Id為系統(tǒng)電流d軸分量，Iq為系統(tǒng)電流q軸分量)進(jìn)行比較，將其差值做比例微分(Proportional Integral,PI)控制器調(diào)節(jié)后再作為調(diào)制波有功指令值Ud。這里與-UqTIq/Id進(jìn)行比較原因如下：

根據(jù)瞬時功率理論可推出，變壓器輸出側(cè)有功功率為

P=UaIa+UbIb+UcIc

(10)

式(10)中:Ua、Ub、Uc分別為變壓器輸出側(cè)電壓abc坐標(biāo)系下的電壓值;Ia、Ib、Ic分別為電流在abc坐標(biāo)系下的電壓值。

等幅值坐標(biāo)變換為

(11)

式(11)中:x可替換成U和I(U和I分別為電壓和電流)，從而經(jīng)過推導(dǎo)可求出

(12)

為讓變壓器端無有功功率交換，即P=0，此時便相當(dāng)于

UdTId+UqTIq=0

(13)

推導(dǎo)可得

(14)

因此，可利用UdT與-UqTIq/Id比較得到調(diào)制波的有功功率部分指令值Ud，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)不輸入有功功率。

2.4.2有功功率補償控制策略

(2)無功功率部分：將0與Iq做差，從而保證系統(tǒng)中的無功功率部分得到全部補償，再經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)，其結(jié)果作為調(diào)制波無功功率部分指令值Uq。

3 仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)各參數(shù)數(shù)值見表1。

3.1 無功功率補償模式仿真結(jié)果

將圖6的控制框圖在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，規(guī)定負(fù)載額定電壓為220 V，公共端電壓在0.10 s下降到初始值90%，0.15 s后又恢復(fù)至初始值，各參數(shù)波形見圖7和圖8。

表1 系統(tǒng)各參數(shù)值

a) 公共端三相電壓波形

b) 敏壓負(fù)載端三相電壓波形圖7 無功功率補償下公共端與敏壓負(fù)載端三相電壓對比

a) 負(fù)載電壓幅值波形

b) 變壓器輸出側(cè)有功功率波形

c) 變壓器輸出側(cè)無功功率波形圖8 無功功率補償下重要參數(shù)波形

由圖7和圖8可知：在0.10 s時，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓下降至原來的90%，此時負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之上升，再經(jīng)過近0.01 s時間恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.10 s時也出現(xiàn)短時間抖動現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定為0。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.10 s處大幅提升，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定。

在0.15 s時，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓恢復(fù)至初始值，此時負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之上升，再經(jīng)過近0.01 s恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.15 s時也出現(xiàn)短時間抖動現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定為0。變壓器輸出側(cè)無功功率在0.15 s處大幅下降，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定至最初值。

由此可知:在端電壓下降情況下，穩(wěn)壓器僅通過輸出無功功率使得負(fù)載端電壓在短時間內(nèi)恢復(fù)至額定值，有功功率輸出保持為0，符合無功功率補償策略的要求。

3.2 有功功率補償模式仿真結(jié)果

將圖6的控制框圖在MATLAB/Simulink環(huán)境中進(jìn)行仿真，規(guī)定負(fù)載額定電壓為220 V，公共端(即電網(wǎng)處)電壓在0.10 s下降到初始值85%(超過無功補償范圍)，0.15 s后又恢復(fù)至初始值，各參數(shù)波形見圖9和圖10。

a) 壓敏負(fù)載公共端三相電壓波形

b) 敏壓負(fù)載端三相電壓波形圖9 有功補償下公共端與敏壓負(fù)載端三相電壓對比

a) 負(fù)載電壓幅值波形

b) 變壓器輸出側(cè)有功功率波形

c) 變壓器輸出側(cè)無功功率波形圖10 有功功率補償下重要參數(shù)波形

由圖9和圖10可知：在0.10 s時，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓下降至原來的85%，此時負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之下降，再經(jīng)過近0.01 s時間恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)無功功率在0.10 s時也出現(xiàn)短時間抖動現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定在約72.3 Var。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.10 s處大幅提升，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定。

在0.15 s時，電網(wǎng)側(cè)(即公共端)電壓恢復(fù)至初始值，此時負(fù)載側(cè)端電壓幅值先隨之上升，再經(jīng)過近0.01 s恢復(fù)至額定值220 V。變壓器輸出側(cè)無功功率在0.10 s時也出現(xiàn)短時間抖動現(xiàn)象，而在約0.01 s之后逐漸穩(wěn)定在約72.3 Var。變壓器輸出側(cè)有功功率在0.15 s處大幅下降，至約0.01 s后逐漸穩(wěn)定至最初值。

由此可知:在端電壓下降情況下，穩(wěn)壓器此時不僅輸出無功功率還輸出有功功率，無功功率自始至終除電壓變化瞬間有抖動外始終保持不變，而負(fù)載端電壓穩(wěn)定在額定值則是通過輸出有功功率的變化來維持的，符合有功功率補償策略的要求。

4 結(jié)束語

在船舶電網(wǎng)波動情況下，快速準(zhǔn)確地將電壓穩(wěn)定到額定值，對船舶負(fù)載尤其是計算機、通信設(shè)備、導(dǎo)航設(shè)備等敏壓負(fù)載十分重要。針對船舶電網(wǎng)隨船舶工況變化而波動的問題，參考陸地上DVR治理電壓跌落原理，提出無功功率補償策略和有功功率補償策略兩種適用于船舶敏壓負(fù)載的電壓補償策略。前者在一定電壓范圍內(nèi)，通過僅提供無功功率就可保證負(fù)載端恢復(fù)到額定值，后者則是通過有功功率和無功功率共同補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)負(fù)載端電壓恢復(fù)至額定值，并通過在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境下的試驗，證實在一定的電壓范圍內(nèi)，兩種方法均可實現(xiàn)在電壓波動情況下，使負(fù)載端的電壓維持穩(wěn)定。