船舶电压敏感型负载稳压设备电压补偿策略

孙 亮， 徐合力, 高 岚

(武汉理工大学 a.能源与动力工程学院; b.船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉 430063)

海上货物运输船舶需要船舶电力系统提供电力供应，以便维持机舱、通信、导航和船员日常生活等系统的正常运行。一旦船舶电网出现较大扰动，通信设备、导航设备、计算机设备等电压敏感型船舶负载(简称敏压负载)端电压也会不稳，若没有稳压设备，其端电压会持续产生波动，从而导致电压敏感型设备失稳甚至失效。这不仅导致船舶失稳失联，甚至会危及船舶安全和船员生命安全。因此，维持船舶电力系统以及敏压负载的电压稳定对保障船舶安全和人身安全具有十分重要的意义。[1]

当前，船舶上使用的稳压设备多为不间断电源装置(Uninterruptible Power System, UPS)，其技术途径基本上有两种[2]：

1) 选取合适的陆用UPS整机，并对其进行加固和船用化处理。

2) 根据船用标准选用船用元器件重新设计和制造。虽然很多专家对UPS进行不断的研究，并提出很多改进方案，但对于UPS本身，由于其背靠背的结构选用器件相对较多，导致高容量情况下造价相对较高，所以仍仅适用于小容量设备中。

相较于UPS，动态电压恢复器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)具有响应速度快、成本相对较低及维护保养方便等[3]优势。DVR在陆地上已有广泛应用，常用控制策略有跌落前电压补偿控制法、同相电压补偿控制法和最小能量补偿控制法等3种。[4-6]文献[7]以电压与电流之间相角差来确定暂降补偿后电压的最小能量的补偿区域点，可通过调整补偿电压相位来渐渐实现能量的最小补偿。文献[8]通过缓慢移相，补偿过程由完全电压补偿模式平滑地过渡到同相电压补偿模式，能够保证负载侧电压相位的稳定不发生突变。文献[9]通过运用旋转参考电压的方法提高DVR的补偿极限，同时考虑负序和零序电压对输出电压的影响。文献[10]在文献[9]的基础上，运用对称分量法，在考虑负序和零序补偿电压的同时，在负荷所能容忍的电压幅值和相移范围内确定DVR的最优电压控制策略。

上述各种补偿模式均是针对陆用DVR而设计的。由于陆地电网相对复杂且控制设备较多，其补偿策略也较繁琐，而船舶电网相对于陆地电网而言容量小、复杂度低，无需复杂设备和补偿策略即可实现电压的补偿。因此，本文所提出的两种补偿策略仅通过对负载端三相电压幅值、变压器输出侧的电压和系统电流进行检测与调节，即可在电网电压波动情况下快速恢复负载端电压，设计思路简单且易于操作。此外，无功功率补偿策略仅让稳压设备提供无功功率，节省能量的损耗。

1 电压敏感型船舶负载稳压设备

1.1 稳压设备基本结构

陆用DVR基本结构[11]包括：储能单元、电压型逆变器、控制单元、输出滤波器和耦合单元(见图1)。当DVR进行补偿时，控制单元控制逆变器产生串联补偿电压，然后经耦合单元注入到线路中。输出滤波器用于滤除逆变器所产生的高次谐波，储能单元用于提供补偿所需的有功功率。

由于大部分船舶电网线制为中性点不接地的三相三线制，且蓄电池在船舶上应用十分广泛，技术相对成熟，本文选用的储能单元采用蓄电池结构，逆变

图1 动态电压恢复器基本结构图

器选用三相全桥结构，滤波器采用RLC结构，耦合单元采用变压器。

1.2 稳压设备稳压基本原理

敏压负载稳压设备应用在船舶上的等效电路图见图2，当发电机端电网电压正常时，旁路开关L1闭合，L2和L3断开，稳压设备处于旁路状态。

图2 稳压装置系统电路图

正常工况下，系统电流I为

(1)

式(1)中：UP为公共端处电压；RL和XL分别为负载的电阻和感抗。

由于此时稳压设备尚未工作，则敏压负载端电压UL为

UL=UP=I(RL+jXL)

(2)

(3)

(4)

由式(4)可知:可通过改变系统中电流来恢复负载端电压UL至额定值，而改变系统的电流可通过改变系统整体阻抗值来实现。

2 敏压负载稳压设备两种补偿策略

2.1 无功功率补偿策略

由于负载感抗不变，所以阻抗角φ也不变，负载端电压UL与电流I之间夹角始终不变，补偿过程见图3。

图3 无功功率补偿下系统参数向量图

(5)

负载端电压变化为

(6)

2.2 无功功率补偿策略补偿范围分析

图4 无功补偿下补偿极限向量图

综上所述，在无功功率补偿策略下，系统公共端电压补偿范围为

(7)

2.3 有功功率补偿策略

由式(5)可知：当公共端电压低至无功补偿策略补偿范围之外，此时若想使负载电压恢复至额定值，除输入一定的无功功率抵消负载处的电感值外，还必须让稳压器输入一定的有功功率，此时的稳压器还要相当于一个阻值为-R的电阻串联在电路中，从而继续使电流增大， 此时，系统电流变为

(8)

负载端电压变化为

(9)

从而实现对负载端电压的补偿，使负载电压达到规定的电压值。整个补偿过程见图5。

a)极限状态

b)有功补偿后图5 有功补偿下系统参数向量图

上述补偿策略在此记为有功功率补偿策略。该策略的提出是为解决无功功率补偿策略补偿范围有限的缺点，即在无功功率补偿策略无法实现的公共端电压跌落或者电压升高情况下对负载端电压进行补偿。

2.4 两种补偿策略控制框图

综上所述，可将两种控制策略在同一张控制框图上表现出来，见图6。

图6 两种补偿策略的控制框

锁相环(Phase-Locked Loop, PLL)作为电力系统中重要环节，一直是专家学者研究的重点。如文献[12]提出电网同步相位的快速开环捕获方法，可显著提高电网电压不对称条件下的相位同步速度。文献[13]为应对同时的幅值、相位、频率的突变提出基于旋转坐标变换的单相电力信号同步相位快速开环捕获方法。本文只针对对称性的电网电压幅值突变问题进行试验，所以只需利用传统的单同步坐标系软件锁相环即可实现对电网三相电压相位角θs的检测，用作图6中涉及的所有dq坐标与abc坐标之间的转换。

2.4.1无功功率补偿控制策略

(1)有功功率部分：为保证在无功功率部分补偿模式下变压器没有有功的输出或吸收，节省能量损耗，调制波的有功功率部分是把变压器输出侧电压d轴分量UdT与指令值-UqTIq/Id(UqT为变压器输出侧电压q轴分量，Id为系统电流d轴分量，Iq为系统电流q轴分量)进行比较，将其差值做比例微分(Proportional Integral,PI)控制器调节后再作为调制波有功指令值Ud。这里与-UqTIq/Id进行比较原因如下：

根据瞬时功率理论可推出，变压器输出侧有功功率为

P=UaIa+UbIb+UcIc

(10)

式(10)中:Ua、Ub、Uc分别为变压器输出侧电压abc坐标系下的电压值;Ia、Ib、Ic分别为电流在abc坐标系下的电压值。

等幅值坐标变换为

(11)

式(11)中:x可替换成U和I(U和I分别为电压和电流)，从而经过推导可求出

(12)

为让变压器端无有功功率交换，即P=0，此时便相当于

UdTId+UqTIq=0

(13)

推导可得

(14)

因此，可利用UdT与-UqTIq/Id比较得到调制波的有功功率部分指令值Ud，从而实现对系统不输入有功功率。

2.4.2有功功率补偿控制策略

(2)无功功率部分：将0与Iq做差，从而保证系统中的无功功率部分得到全部补偿，再经过PI控制器调节，其结果作为调制波无功功率部分指令值Uq。

3 仿真结果分析

系统各参数数值见表1。

3.1 无功功率补偿模式仿真结果

将图6的控制框图在MATLAB/Simulink环境中进行仿真，规定负载额定电压为220 V，公共端电压在0.10 s下降到初始值90%，0.15 s后又恢复至初始值，各参数波形见图7和图8。

表1 系统各参数值

a) 公共端三相电压波形

b) 敏压负载端三相电压波形图7 无功功率补偿下公共端与敏压负载端三相电压对比

a) 负载电压幅值波形

b) 变压器输出侧有功功率波形

c) 变压器输出侧无功功率波形图8 无功功率补偿下重要参数波形

由图7和图8可知：在0.10 s时，电网侧(即公共端)电压下降至原来的90%，此时负载侧端电压幅值先随之上升，再经过近0.01 s时间恢复至额定值220 V。变压器输出侧有功功率在0.10 s时也出现短时间抖动现象，而在约0.01 s之后逐渐稳定为0。变压器输出侧有功功率在0.10 s处大幅提升，至约0.01 s后逐渐稳定。

在0.15 s时，电网侧(即公共端)电压恢复至初始值，此时负载侧端电压幅值先随之上升，再经过近0.01 s恢复至额定值220 V。变压器输出侧有功功率在0.15 s时也出现短时间抖动现象，而在约0.01 s之后逐渐稳定为0。变压器输出侧无功功率在0.15 s处大幅下降，至约0.01 s后逐渐稳定至最初值。

由此可知:在端电压下降情况下，稳压器仅通过输出无功功率使得负载端电压在短时间内恢复至额定值，有功功率输出保持为0，符合无功功率补偿策略的要求。

3.2 有功功率补偿模式仿真结果

将图6的控制框图在MATLAB/Simulink环境中进行仿真，规定负载额定电压为220 V，公共端(即电网处)电压在0.10 s下降到初始值85%(超过无功补偿范围)，0.15 s后又恢复至初始值，各参数波形见图9和图10。

a) 压敏负载公共端三相电压波形

b) 敏压负载端三相电压波形图9 有功补偿下公共端与敏压负载端三相电压对比

a) 负载电压幅值波形

b) 变压器输出侧有功功率波形

c) 变压器输出侧无功功率波形图10 有功功率补偿下重要参数波形

由图9和图10可知：在0.10 s时，电网侧(即公共端)电压下降至原来的85%，此时负载侧端电压幅值先随之下降，再经过近0.01 s时间恢复至额定值220 V。变压器输出侧无功功率在0.10 s时也出现短时间抖动现象，而在约0.01 s之后逐渐稳定在约72.3 Var。变压器输出侧有功功率在0.10 s处大幅提升，至约0.01 s后逐渐稳定。

在0.15 s时，电网侧(即公共端)电压恢复至初始值，此时负载侧端电压幅值先随之上升，再经过近0.01 s恢复至额定值220 V。变压器输出侧无功功率在0.10 s时也出现短时间抖动现象，而在约0.01 s之后逐渐稳定在约72.3 Var。变压器输出侧有功功率在0.15 s处大幅下降，至约0.01 s后逐渐稳定至最初值。

由此可知:在端电压下降情况下，稳压器此时不仅输出无功功率还输出有功功率，无功功率自始至终除电压变化瞬间有抖动外始终保持不变，而负载端电压稳定在额定值则是通过输出有功功率的变化来维持的，符合有功功率补偿策略的要求。

4 结束语

在船舶电网波动情况下，快速准确地将电压稳定到额定值，对船舶负载尤其是计算机、通信设备、导航设备等敏压负载十分重要。针对船舶电网随船舶工况变化而波动的问题，参考陆地上DVR治理电压跌落原理，提出无功功率补偿策略和有功功率补偿策略两种适用于船舶敏压负载的电压补偿策略。前者在一定电压范围内，通过仅提供无功功率就可保证负载端恢复到额定值，后者则是通过有功功率和无功功率共同补偿的方式实现负载端电压恢复至额定值，并通过在MATLAB/Simulink仿真环境下的试验，证实在一定的电压范围内，两种方法均可实现在电压波动情况下，使负载端的电压维持稳定。