本發明涉及船舶電網并網逆變器控制方法領域，具體涉及一種船舶電氣系統并網時的逆變器控制方法。

背景技術：
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隨著化石能源的日漸枯竭、大氣污染以及氣候問題的日益嚴重，可再生能源的開發和利用受到了越來越廣泛的重視。

而船舶停靠港口期間，使用岸電的供電模式，為傳統船舶靠港期間的污染防治與節能降耗，提供了可能。岸電技術是指船舶在停靠港口碼頭時，停止使用船舶輔機發電機供電，改用港區碼頭上的岸電電源，通過電纜對船舶上的設備進行供電。而在使用岸電時，船舶電氣系統的并網操作一直是該過程中的難點與重點，原因在于若并網操作不及時，將會導致船舶電氣系統在高負荷的情況下運行，會嚴重影響船舶運行的經濟性以及機組壽命，尤其是當電網電壓出現三相不平衡情況時，需要行之有效的逆變器控制技術，使得電網能夠平穩運行，從而保證船舶電氣系統并網時的電能質量與敏感負荷的穩定運行。而在實際應用中，船舶在并網中使用的傳統PQ控制技術，已經難以滿足船舶對供電切換時的靈活性、可靠性以及安全性要求。因此，需要一種新的逆變器控制技術，對上述問題加以解決。

技術實現要素：
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為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種基于電壓補償的船舶電氣系統并網逆變器的控制方法；并網時，設計基于廣義積分器的正、負序電壓分量計量方法，并引入新型廣義積分鎖相環，實現對電網電壓幅值、相位和頻率的快速檢測；同時，設計一種含電壓補償的PQ控制方法，應用于船舶電氣系統并網的逆變器控制技術中，完成在船舶電網電壓不平衡時的輸出功率抑制，從而實現船舶敏感負荷的穩定運行，保證船舶并網逆變器在電網電壓及頻率頻繁波動情況下的穩定工作。

一種基于電壓補償的船舶電氣系統并網逆變器的控制方法，包含以下幾個步驟：

步驟1、構建船舶并網時三相并網逆變器的拓撲結構；

步驟2、根據船舶并網時三相并網逆變器拓撲結構，對電網電壓的幅值、相位和頻率進行檢測，獲取船舶電網電壓兩相坐標系下正負序電壓分量，具體如下：

步驟2-1、采集電網中三相電壓信號，將三相電壓信號進行CLARK變換，獲得αβ兩相電壓信號；

步驟2-2、對獲取的兩相電壓信號進行積分處理，分別獲得相位互差90°的正交電壓信號；

步驟2-3、通過單同步坐標系鎖相環對兩相坐標系下的正交電壓信號進行PI控制調節，獲得調節后正交電壓信號的幅值、相位和頻率；

步驟2-4、將獲得的正交電壓信號進行正負序電壓計算，獲取船舶電網電壓兩相坐標系下正負序電壓分量；

步驟3、將步驟2獲得的αβ兩相坐標系下的正負序電壓分量進行dq坐標變換，通過二階低通濾波器獲得低頻的正負序電壓信號；

步驟4、將獲得的低頻的正負序電壓分量進行電壓不平衡度計算，獲得電壓不平衡度；

步驟5、將獲得的電壓不平衡度與給定的電壓不平衡度進行作差處理，采用PI控制方法獲得電壓反饋系數；

步驟6、將獲得的電壓反饋系數給定到船舶電氣系統PI控制單元中的電壓環，實現對船舶電氣系統電壓不平衡時的電壓補償。

步驟2-2所述的對獲取的兩相電壓信號進行積分處理，具體為：采用基于廣義積分器的正交信號發生器，分別對電網電壓兩相坐標系下正負序電壓分量進行滯后90°的相位偏移處理；

所述廣義積分器的傳遞函數，具體公式如下：

其中，D(s)表示基于廣義積分器的正交信號發生器輸出電壓信號U′的傳遞函數，U為輸入的交流電壓信號，U′為基于廣義積分器的正交信號發生器輸出的電壓信號，k表示正交信號發生器的阻尼系數，ω′表示正交信號發生器的諧振頻率，Q(s)表示基于廣義積分器的正交信號發生器輸出電壓信號qU′的傳遞函數，qU′為滯后U′電壓信號90°的輸出電壓信號，表示積分單元；

所述的廣義積分器，其輸入輸出電壓信號的幅值關系，具體公式如下：

其中，ω為輸入電壓信號U的頻率，Q²表示廣義積分器輸出U′電壓信號的幅值變化量，D²表示廣義積分器輸出qU′電壓信號的幅值變化量，∠D表示廣義積分器輸出U′電壓信號的相角，∠Q表示廣義積分器輸出qU′信號的相角。

步驟2-3所述的通過單同步坐標系鎖相環對兩相坐標系下的正交電壓信號進行PI控制調節，獲得調節后正交電壓信號的幅值、相位和頻率，具體如下：

步驟2-4-1、將αβ兩相坐標系下的電壓信號轉換成dq坐標系下的電壓信號；

步驟2-4-2、采用PI控制方法對dq坐標系下的電壓信號進行調節，使正序電壓信號幅值趨近于0，獲得調節后的頻率，將該頻率與設定的角頻率進行疊加，獲得單同步坐標系鎖相環的輸出頻率，將該頻率作為步驟2-2中廣義積分器的諧振頻率；

步驟2-4-3、判斷廣義積分器的諧振頻率與船舶電網三相電壓信號的頻率是否相等，若是，則船舶電氣系統穩定，無需修正；否則，將廣義積分器的諧振頻率與船舶電網三相電壓信號的頻率進行比較，獲得補償量，將該補償量反饋至鎖相環PI控制單元中，使廣義積分器的諧振頻率與船舶電網三相電壓信號的頻率相等。

本發明優點：

本發明中所述的基于電壓補償的船舶電氣系統并網逆變器的控制方法較現有技術，具有以下優勢：

利用廣義積分器的正交信號發生器產生正交信號實現船舶電氣系統三相電壓不平衡時的正負序電壓分量提取，同時在正序電壓信號后加入單同步坐標系鎖相環，輸出頻率可以動態修正基于廣義積分器的正交信號發生器的諧振頻率，實現基于廣義積分器的正交信號發生器的諧振頻率與船舶電網頻率的自適應，應用電壓前饋的控制方法，實現了對網側不平衡電壓的補償，增強了系統對電網電壓畸變的抗擾性能，當船舶電網電壓不平衡時，所述技術手段可以有效地抑制輸出功率波動，從而保證船舶電氣系統敏感負荷的穩定運行。

附圖說明：

圖1為本發明一種實施例的基于電壓補償的船舶電氣系統并網逆變器的控制方法流程圖；

圖2為本發明一種實施例的含LCL濾波器的船舶電氣系統三相并網逆變器拓撲圖；

圖3為本發明一種實施例的基于廣義積分器的正交信號發生器結構圖；

圖4為本發明一種實施例的單同步坐標系鎖相環控制原理圖；

圖5為本發明一種實施例的基于廣義積分器的正負序電壓分量提取原理圖；

圖6為本發明一種實施例的船舶電網正負序電壓信號采集原理圖；

圖7為本發明一種實施例的電壓補償控制原理圖；

圖8為本發明一種實施例的逆變器輸出電壓波形對比圖，其中，圖(a)為逆變器采用傳統控制方法的電壓波形效果圖，圖(b)為采用所述改進控制方法的電壓波形效果圖；

圖9為本發明一種實施例的逆變器輸出有功功率波形對比圖，其中，圖(a)為逆變器采用傳統控制方法的有功功率波形效果圖，圖(b)為采用所述改進控制方法的有功功率波形效果圖；

圖10為本發明一種實施例的逆變器輸出無功功率波形對比圖，其中，圖(a)為逆變器采用傳統控制方法的無功功率波形效果圖，圖(b)為采用所述改進控制方法的無功功率波形效果圖。

具體實施方式：

下面結合附圖和實施例，對本發明進一步說明。

本發明實施例中，基于電壓補償的船舶電氣系統并網逆變器的控制方法，方法流程圖如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1、構建船舶并網時三相并網逆變器的拓撲結構；

本發明實施例中，船舶電氣系統并網時，只需要考慮其作為交流側需滿足并網條件即可，無需考慮控制直流側電壓，由此，可選用單級型逆變器結構。同時由于船舶載荷容量大，船舶并網設備屬于大功率并網設備，需滿足船舶電網的三相三線制的接入特性，故逆變器選取三相全橋逆變的拓撲結構。

逆變器輸出端與船舶電網之間通過LCL濾波器相連，適用于船舶電氣系統的低開關頻率的中大功率場合，綜合考慮船舶的應用場合、工作條件以及船舶電氣系統設備的功率級別，本發明實施例中，設計了含LCL濾波器的船舶電氣系統三相并網逆變器拓撲圖，如圖2所示，包括：三組功率開關管T₁～T₆及與之反并聯的續流二極管D₁～D₆，a、b、c表示船舶電網的三相，逆變器側濾波電感L_ia～L_ic，濾波電容C_a～C_c，船舶電氣系統網側濾波電感L_oa～L_oc。R_ia、R_ib、R_ic為逆變器側濾波電感的寄生電阻，R_oa、R_ob、R_oc是網側濾波器的寄生電阻，直流側母線電壓記作V_dc，直流母線流向逆變橋的電流記作i_dc，逆變橋的輸出電流分別記作i_ia、i_ib和i_ic，流入濾波電容的電流記作i_ca、i_cb、i_cc，流經網側濾波電感的電流記作i_oa、i_ob、i_oc，U_ca、U_cb、U_cc表示濾波電容的端電壓，U_ga、U_gb、U_gc是船舶電網各相的相電壓，P表示直流母線正極，N表示直流母線負極，O表示船舶三相電網的中性點。

本發明實施例中，數學模型的建立將不考慮功率開關管的損耗，及同一橋臂上、下兩開關管的死區間隔，逆變器側輸出電壓U_kN同其直流側電壓V_dc間的關系如下：

U_kN＝S_kV_dc (4)

其中，U_kN(k＝a，b，c)為船舶電網的相電壓，S_k為描述逆變器橋臂開關元件導通狀態的二值邏輯函數，S_k＝0表示橋臂下半部分的開關元件導通，上半部分的開關元件關閉，S_k＝1表示橋臂上半部分的開關元件導通，下半部分的開關元件關閉。V_dc為直流母線電壓。

逆變器交流側的電壓、電流方程如下：

其中，k＝a、b、c表示船舶電網的三相，L_ik為濾波器側濾波電感，i_ik表示逆變橋的輸出電流，C_k是濾波電容，U_kN表示各相對直流母線負極的電壓，U_ck表示濾波電容的端電壓，R_ik為逆變器側濾波電感的寄生電阻，U_NO表示直流母線負極到船舶電網三相中性點的電壓，L_ok為船舶電氣系統網側濾波電感，i_ok表示網側濾波電感電流，U_gk表示船舶電網各相的相電壓，R_ok為網側濾波器的寄生電阻，i_ck表示流經濾波電容的電流。

由于逆變器交流側為三相三線制的接線方式，因此通過濾波器的逆變器側濾波電感、網側濾波電感和濾波電容的三相電流求和均為零。

直流母線與船舶電網中性點間的電壓U_NO為：

在一個開關周期內，直流母線電壓連續且近似不變，逆變器交流側的輸出電壓U_gk可以等效為由開關函數S_k控制的電壓源。

并網逆變器交流側的三相電壓方程可表示為：

則有，船舶電氣系統并網逆變器拓撲的數學模型在三相靜止坐標系中，公式如下：

交流逆變器交流側船舶電網電壓方程如下：

電流方程如下：

逆變器直流側電流與各相逆變橋橋路開關管狀態函數，及逆變器交流側的各項輸出電流之間的關系為：

其中，i_dc為逆變器直流側電流，S_k為各相逆變橋橋路開關管狀態函數；

當某相逆變橋橋路導通時，該相開關管狀態函數S_k＝1，關斷時，S_k＝0。

將三相靜止坐標系下的交流側船舶電網電壓方程和電流方程經過CLARK變換，得到船舶電氣系統并網逆變器拓撲的數學模型在兩相靜止坐標系中方程，具體公式如下：

本發明實施例中，所設計的電路拓撲的LCL濾波器各相間參數相同，故有：L_ia＝L_ib＝L_ic＝L₁，R_ia＝R_ib＝R_ic＝R_i，L_oa＝L_ob＝L_oc＝L₂，R_oa＝R_ob＝R_oc＝R_o以及C_a＝C_b＝C_c＝C。CLARK變換矩陣如下：

同樣的，兩相靜止坐標系下的直流側電流和各相電流滿足以下關系：

步驟2、根據船舶并網時三相并網逆變器拓撲結構，對電網電壓的幅值、相位和頻率進行檢測，獲取船舶電網電壓兩相坐標系下正負序電壓分量，具體如下：

步驟2-1、采集電網中三相電壓信號U_a、U_b、U_c，將三相電壓信號U_a、U_b、U_c進行CLARK變換，獲得αβ兩相電壓信號U_α、U_β；

本發明實施例中，船舶電氣系統電網電壓不平衡時，根據對稱分量法，不平衡電壓分解為正序、負序和零序分量，表示如下：

其中，U^P、U^N、U⁰分別表示船舶不平衡電壓的正序分量、負序分量和零序分量，和分別表示負序電壓分量和零序電壓分量的初始相角。

不平衡電壓中的正序分量簡記為：

其中，

公式(16)中D為對稱陣，δ是變換因子，通過CLARK變換的方式，消除不平衡電壓中的零序分量的影響，獲得在(α，β)坐標系中的不平衡電壓：

步驟2-2、通過對獲取的兩相電壓信號進行積分處理的方法，分別獲得相位互差90°的正交電壓信號；

本發明實施例中，所述的對獲取的兩相電壓信號進行積分處理的方法，具體如下：

引入廣義積分器鎖相環，該鎖相環采用基于廣義積分器的正交信號發生器，結構圖如圖3所示，分別對電網電壓在(α，β)坐標系下的α分量和β進行滯后90°的相位偏移處理，所述廣義積分器的傳遞函數，具體公式如下：

其中，D(s)表示基于廣義積分器的正交信號發生器輸出電壓信號U′的傳遞函數，U為輸入的交流電壓信號，U′為基于廣義積分器的正交信號發生器輸出的電壓信號，k表示正交信號發生器的阻尼系數，ω′表示正交信號發生器的諧振頻率，Q(s)表示基于廣義積分器的正交信號發生器輸出電壓信號qU′的傳遞函數，qU′為滯后U′電壓信號90°的輸出電壓信號，表示積分單元；

所述的廣義積分器，其輸入輸出電壓信號的幅值關系，具體公式如下：

其中，ω為輸入電壓信號U的頻率，Q²表示廣義積分器輸出U′電壓信號的幅值變化量，D²表示廣義積分器輸出qU′電壓信號的幅值變化量，∠D表示廣義積分器輸出U′電壓信號的相角，∠Q表示廣義積分器輸出qU′信號的相角。

步驟2-3、通過單同步坐標系鎖相環對兩相坐標系下的正交電壓信號進行PI控制調節，獲得調節后正交電壓信號的幅值、相位和頻率，具體如下：

本發明實施例中，單同步坐標系鎖相環控制原理圖如圖4所示，將αβ兩相坐標系下的電壓信號轉換成dq坐標系下的電壓信號；

采用PI控制算法對dq坐標系下的電壓信號進行調節，使正序電壓信號幅值趨近于0，獲得調節后的頻率，將該頻率與設定的角頻率進行疊加，獲得單同步坐標系鎖相環的輸出頻率，將該頻率作為步驟2-2中廣義積分器的諧振頻率；

判斷廣義積分器的諧振頻率與船舶電網三相電壓信號的頻率是否相等，若是，則船舶電氣系統穩定，無需修正；否則，將廣義積分器的諧振頻率與船舶電網三相電壓信號的頻率進行比較，獲得補償量，將該補償量反饋至鎖相環PI控制單元中，使廣義積分器的諧振頻率與船舶電網三相電壓信號的頻率相等。

步驟2-4、將獲得的正交電壓信號進行正負序電壓計算，獲取船舶電網電壓兩相坐標系下正負序電壓分量

本發明實施例中，基于廣義積分器的正負序電壓分量提取原理圖如圖5所示，不平衡電壓中的正序分量在(α,β)坐標系下簡記為：

其中，T_abc/αβ是CLARK變換矩陣；

故有：

其中，表示滯后于原電壓相位

船舶電網不平衡電壓中的負序分量同樣可以進行上述變換；

因此，(α,β)坐標系下的船舶電網不平衡電壓的正序分量負序分量公式如下：

步驟3、將步驟2獲得的αβ兩相坐標系下的正負序電壓分量進行dq坐標變換，通過二階低通濾波器獲得低頻的正負序電壓信號；

本發明實施例中，船舶電網正負序電壓信號采集原理圖如圖6所示，電網中三相電壓信號U_a、U_b、U_c，經步驟2處理獲取船舶電網電壓兩相坐標系下正負序電壓分量進行dq坐標轉換，通過二階低通濾波器，獲得低頻的電壓信號二階低通濾波器LPF的傳遞函數如下：

其中，ω_cut表示LPF的截止頻率，ξ為LPF的衰減系數；

步驟4、將獲得的低頻的正負序電壓分量進行電壓不平衡度計算，獲得電壓不平衡度；

本發明實施例中，電壓補償控制原理圖如圖7所示，將步驟3獲得的低頻的電壓信號進行電壓不平衡度計算，獲得電壓不平衡度VUF；

步驟5、將獲得的電壓不平衡度VUF與給定的電壓不平衡度VUF^*進行比較，并采用PI控制方法，獲得電壓反饋系數U_cr；

步驟6、將獲得的電壓反饋系數給定到原船舶電氣系統PI控制單元中的電壓環，實現對船舶電氣系統電壓不平衡時的電壓補償。

本發明實施例中，PI控制單元采用PI控制器，將獲得的電壓不平衡度VUF與給定的電壓不平衡度VUF^*進行比較，并通過PI控制器，通過PI控制方法獲得電壓反饋系數U_cr，將電壓反饋系數U_cr給定到原船舶電氣系統中PI控制器的電壓環，對原船舶電氣系統中PI控制器的給定輸入做補償，實現對船舶電氣系統電壓不平衡時的電壓補償。

本發明實施例中，船舶電氣系統并網逆變器的控制方法仿真圖，如圖8中圖(a)和圖(b)、圖9中圖(a)和圖(b)、圖10中圖(a)和圖(b)所示。基于所述的新型鎖相環結構以及改進的電壓補償控制方法搭建船舶電氣系統電網模型，仿真軟件采用Matlab/Simulink，逆變器功率等級采用100kW，仿真參數中，輸出功率設置為100kVA，船舶電網電壓額定值設置為400V，控制器內環K₁₁、K₁₂分別設定為0.75、22，控制器外環K₂₁、K₂₂分別設定為8、0.79，電壓控制器K₃₁、K₃₂分別設定為0.535、7。

圖8為逆變器輸出電壓波形對比圖，其中，圖(a)為逆變器采用傳統控制方法的電壓波形效果圖，圖(b)為采用所述改進控制方法的電壓波形效果圖；可見采用傳統控制方法時，公共連接點(PCC點)處電壓出現不平衡，采用改進控制方法后，船舶電網電壓不平衡得到有效改善，三相電壓的幅值均等于電壓的給定值。

圖9、圖10分別為逆變器輸出有功功率波形對比圖和逆變器輸出無功功率波形對比圖，其中圖9中，圖(a)為逆變器采用傳統控制方法的有功功率波形效果圖，圖(b)為采用所述改進控制方法的有功功率波形效果圖；圖10中，圖(a)為逆變器采用傳統控制方法的無功功率波形效果圖，圖(b)為采用所述改進控制方法的無功功率波形效果圖；傳統的控制方法未加入電壓補償環節，船舶電網逆變器的功率輸出產生了明顯的波動，采用改進的逆變器控制方法，加入電壓補償器后，逆變器的有功輸出跟隨給定值穩定輸出，同時無功功率的波形也得到了很大的改善。