基于双下垂控制的船舶直流组网储能变流器控制方法

徐 戎，王 跃，潘高峰，洪学武，邓建华，赵海斌

（1.招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226116；2.中车株洲所电气技术与材料工程研究院，湖南 株洲 412001；3.上海中车汉格船舶与海洋工程有限公司，上海 200082）

0 引言

随着电力电子功率器件技术、新能源发电以及储能技术的日趋成熟，直流综合电网（系统）的技术和经济优势逐渐显现，船舶、海上平台等直流组网已成为新一代船舶配电系统领域研究的热点[1-2]。与交流组网系统相比，直流组网系统在节能、体积、重量和系统复杂性方面有明显优势[3-4]。直流组网系统储能双向DC-DC变流器完成直流母线电压匹配、蓄电池充放电管理以及电网能量调节等功能，其控制性能优劣直接关系到船舶直流组网系统中多类型电源并联运行优化控制、动态能量协调控制以及多运行模式稳定切换的成败[5-8]。然而目前已有的控制方法，如主从控制、分布式控制等难以实现不同类型变流器联合运行下能量分配/转移的快速和精确控制，且不同变流器之间需要通信，这样既增加了系统成本，又降低了系统可靠性。

本文首先介绍船舶直流组网系统构成、工作原理以及储能双向DC-DC变流器基本功能；接着提出一种基于P-V和SOC-I的双下垂控制策略，以实现DC-DC变流器模块间及其与船载柴油发电机变流器间功率分配/转移的精确控制；在DC-DC变流器对储能电池组的充放电双向运行控制中，通过采用多重化载波移相调制以减小输出纹波；最后搭建仿真模型，验证了该控制策略的正确性以及可行性。

1 船舶直流组网系统构成

1.1 直流组网系统拓扑结构

某型号船舶直流组网系统主电路拓扑如图1所示，分为左舷直流组网和右舷直流组网2个子系统；每个直流组网子系统包括发电机整流器①、蓄电池储能或太阳能板双向DC-DC变流器②、日用负荷供电变流器③、主推进电机逆变器④及侧推进电机逆变器⑤。

图1 船舶直流组网系统主电路拓扑Fig. 1 Main circuit topology of the onboard DC-grid system

子系统直流侧以直流母线（左、右舷直流母线分别记为直流母线1和直流母线2）作为公共连接点，左、右舷直流母线可通过直流断路器进行分、合，从而实现组网运行或单网独立运行。日用负荷三相供电变流器将直流母线电压转换成幅值、频率可控的交流电压，通过变压器连接三相380 V工频交流母线给船舶日用负荷供电，左、右舷交流母线（分别记为交流母线1、交流母线2）通过交流断路器进行分合，同样可实现组网运行或独立运行。此外，船舶直流组网系统可通过右舷直流母线与直流岸电并网或通过交流母线与交流岸电并网，从而实现船舶靠岸期间的电力不间断供应。

1.2 储能双向DC-DC变流器

为实现能量双向流动以及储能单元的合理充放电，储能蓄电池通过双向DC-DC变流器接入直流母线，该双向DC-DC变流器主电路拓扑如图2所示。图中，Ubat和Udc分别为变流器低压侧和高压侧电压，对应储能蓄电池端电压和直流母线电压；L为滤波电感；T1～T6为开关器件，D1～D6为反并联续流二极管；ia,ib,ic分别为三相桥臂电流，以从储能电池组流出方向为电流正方向。

图2 船舶直流组网储能双向DC-DC变流器电路拓扑Fig. 2 Topology of energy storage bi-directional DC-DC converter in the onboard DC-grid system

双向DC-DC变流器根据直流组网系统对储能电池组充放电的需要，分别以Boost（放电）和Buck（充电）两种工况控制能量按不同方向流动。当变流器处于Boost工况时，T2, T4和T6作为主控开关，T1, T3和T5保持关断状态，能量由储能电池流向直流母线，电池组处于放电状态；当变流器处于Buck工况时，T1, T3和T5作为主控开关，T2, T4和T6保持关断状态，能量由直流母线流向储能电池，电池组处于充电状态。

2 基于双下垂控制的储能双向DC-DC变流器能量调度控制

2.1 充电控制

双向DC-DC变流器充电工况采用如图3所示电压外环-电流内环双环控制策略。为避免蓄电池过充或过流，采用分段式充电模式：充电前期采用恒流充电，电流参考指令设为恒定值iL*，电压外环不工作；当电池端电压上升达到特定阈值，再采用恒压充电，电压控制外环投入工作，电压参考指令设为恒定值u*bat，反馈蓄电池组端电压进行闭环控制，电流参考指令由恒定值切换为电压环输出值（其中电压外环输出初始值定为iL*，以保证恒流充电与恒压充电的平滑切换）。三相DC-DC模块采用移相PWM调制降低输出纹波。

图3 DC-DC变流器分段式充电控制原理框图Fig. 3 Block diagram of segmented charge control for DC-DC converter

在电流控制环中加入SOC-I下垂控制，以保证充电过程中各在线运行DC-DC变流器对应储能电池组SOC状态的均衡。

2.2 放电控制

放电工况，协调控制DC-DC变流器与其他分布式电源的功率输出，以稳定直流母线电压，保证直流组网系统稳定。根据分布式电源不同组合方式以及是否与岸上直流电源并网等，DC-DC变流器放电工况存在4种运行模式：

模式1——DC-DC变流器与柴油发电机变流器并联运行带负载；

模式2——左、右舷DC-DC变流器并联运行带负载；

模式3——DC-DC变流器单独带负载；

模式4——DC-DC变流器与岸上直流电网并网运行带负载。

4种模式下DC-DC变流器能量调度的控制方式如表1所示。

表1 放电工况不同运行模式下DC-DC变流器控制方式Tab. 1 Control modes of DC-DC converter in different discharge operation modes

DC-DC变流器放电工况不同运行模式下的控制策略如图4所示：模式1采用P-V下垂控制实现DC-DC变流器与柴油发电机变流器按容量比例分配功率输出；模式2采用P-V下垂控制实现左、右舷DC-DC变流器的功率分配，采用SOC-I下垂控制实现左、右舷DC-DC变流器按储能电池SOC容量比例分配功率输出；模式3在DC-DC功率允许条件下采用恒定输出电压控制策略，保持直流母线稳定；模式4是在并网前通过调节直流母线电压与岸电电压相同，从而实现与岸电平滑并网。

图4 DC-DC变流器多模式放电控制原理框图Fig. 4 Block diagram of multi-mode discharge control for DC-DC converter

2.2.1P-V下垂控制

模式1中，当DC-DC变流器与柴油发电机变流器并联运行带负载时，采用P-V下垂控制实现两种变流器按各自容量的比例分配功率输出。

下垂曲线如图5所示，其中G1和G2分别表示两个并联的变流器。各变流器的下垂控制曲线方程如式(1)所示。

式中：下标i——并联变流器的编号，i=1, 2；mi——Gi的下垂系数；Vi*——Gi输出的直流电压参考值；Vmax和Vmin——并联变流器所允许的最大和最小工作电压；Pmaxi——Gi所能输出的最大功率；Pi——Gi稳态工作时所输出的功率。

图5 下垂曲线设置示意图Fig. 5 Schematic diagram of droop curve setting

DC-DC变流器向直流母线输出有功功率P0的计算如式(2)所示。将P0经过低通滤波后的数值Pi代入式(1)，可计算输出直流电压参考值Vi*。

2.2.2SOC-I下垂控制

模式2中，当左、右舷DC-DC变流器并联带载运行时，在保留两个DC-DC变流器电压环P-V下垂控制的基础上，在电流环中引入SOC-I下垂控制，以保证放电过程中在线运行DC-DC变流器对应储能电池组SOC状态的均衡。SOC-I下垂控制的基本原理是将各储能电池组SOCi与全部在线运行电池组SOC平均值的差值经比例环节（比例系数为n）后叠加到电流指令中，从而改变储能电池组的充放电电流大小，实现SOC状态的均衡控制。

由式(3)可见，当两个储能电池组SOC状态不均衡时，ΔIi不为零，这将引起两个DC-DC变流器对应储能电池组充放电功率的差异，使两个储能电池组的SOC不均衡逐渐减小，直至平衡。

2.2.3 与直流岸电并网预同步环节

在储能双向DC-DC变流器接收到与直流岸电并网指令时，其直流母线电压值与直流岸电电压之间可能存在一定的偏差。如果对其直流母线电压不加以控制，则DC-DC储能变流器并入直流岸电后会产生较大的电流冲击，甚至导致并网切换失败。预同步环节用于控制DC-DC储能变流器的直流母线电压跟踪直流岸电电压，以降低并网切换过程中的冲击电流，实现无缝切换。直流母线电压预同步控制原理如式(4)所示。

式中：ΔUsyn——叠加在U0上的直流母线电压同步信号；kdc——直流母线电压的积分系数；Ushore——直流岸电电压。

预同步控制框图如图4所示，将开关S切换至模式4的状态则启动预同步控制；否则，退出预同步控制，并复位直流母线同步积分控制器。

3 仿真验证

为验证本文所研究储能双向DC-DC变流器能量调度控制方法的正确性及有效性，搭建如图2所示双向DC-DC变流器的仿真模型，其主要参数见表2。

表2 储能双向DC-DC变流器主要参数Tab. 2 Key parameters of the energy storage bi-directional DC-DC converter

3.1 充电工况

DC-DC变流器充电工况仿真波形如图6所示：当t＜0.1 s时，DC-DC变流器并未启动；在t=0.1 s时刻，DC-DC变流器投入运行，先进行恒流充电，单相充电电流约500 A，储能电池端电压基本呈线性上升；当储能电池端电压达到设定阈值（480 V）时，切换至恒压充电，充电电流逐渐减小，直至充电结束。

由图6(c)可见，三相直流电流纹波均匀错相，开关频率次纹波相互抵消，降低了总电流谐波畸变率。

3.2 放电工况

DC-DC变流器放电工况仿真波形如图7所示：同样，当t＜0.1 s时，DC-DC变流器并不启动；在t=0.1 s时刻，DC-DC变流器投入运行，直流母线电压逐渐升高，直至额定工作电压1 050 V。

图6 储能双向DC-DC充电工况仿真波形Fig. 6 Simulation waveforms of the energy storage bi-directional DC-DC converter in the period of charge operation

图7 DC-DC变流器放电工况仿真波形Fig. 7 Simulation waveforms of the energy storage bi-directional DC-DC converter in discharge operation period

仿真时，设定左、右舷储能电池SOC初始状态不同，此时SOC-I下垂控制发挥作用，在稳定直流母线电压的前提下，根据SOC状态调节左、右舷DC-DC变流器输出功率，使左、右舷储能电池SOC状态逐渐趋于平衡，从而使左、右舷DC-DC变流器最终输出功率基本均衡。

4 结语

本文提出一种基于电压环P-V、电流环SOC-I双下垂控制的船舶直流组网储能变流器控制策略，它能实现DC-DC变流器模块间、DC-DC变流器与船载柴油发电机变流器间的功率分配/转移，以及DC-DC变流器与岸上直流供电网的平滑并/离网控制。文中给出了不同功率等级变流器并联运行下垂曲线的设置方法，并通过仿真验证了DC-DC变流器对储能电池组的充-放电双向运行控制的可行性以及SOC-I下垂控制的有效性。由于内外双下垂控制方法具有普遍适用性，该控制策略可推广应用至微电网等领域的多变流器协同控制。