直流组网船舶供电变流器运行与控制策略研究

洪学武，邓建华，姚 涛，雷黎明，陈 剑，张美玲

（1.招商局邮轮制造有限公司，江苏 南通 226116；2.上海中车汉格船舶与海洋工程有限公司，上海 200082；3.中国船级社武汉分社，湖北 武汉 430022；4.深圳招商迅隆船务有限公司，广东 深圳 518067；5.中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

纯电力推进船舶因具有经济性佳、零排放、低噪声等优点，成为目前船舶行业的研究热点。但受储能技术、电池容量的限制，纯电力推进船舶的动力和续航能力不足，无法满足高速远程航行的要求。船舶混合动力技术作为经济性、动力性、环保性的最佳折中，成为船舶从传统内燃机推进向绿色能源推进过渡的可行性方案。此外，与交流组网系统相比，直流组网系统在节能、体积、重量和系统复杂性等方面有明显优势。因此，直流组网型混合动力推进成为高端游轮、公务船、内河船、海上作业船等的研究和应用趋势[1-2]。

随着电力电子技术和数字控制技术的发展，混合动力推进船舶的日用负载越来越多采用基于有源开关器件的供电变流器进行供电。此供电方式具有供电容量配置灵活、电能质量优、与岸电电网对接方便等优势。供电变流器主要负责为船载推进电机的散热风机、水泵、照明设备、空调、厨房电器及娱乐电子产品等单相或三相用电设备提供三相交流380 V电源[3]。

日用负荷中某些不平衡负载或者单相负载的存在，会造成供电变流器输出三相电压不平衡；而供电电压的不平衡不仅会造成中线电流过大，从而使线缆过热，而且会降低变压器的容量利用率，增加变压器损耗，危及变压器的运行安全。更严重的是，不平衡的三相输出电压会干扰电机、电力电子变换器等负载设备的正常工作，最终降低其使用寿命，增加运维成本[4-5]。

目前，针对三相供电变流器输出电压的不平衡，主要从逆变器拓扑结构、控制策略两个方面着手进行矫正。改变逆变器拓扑结构会造成主电路拓扑结构复杂、可靠性降低、体积/重量增加等负面影响[6-7]。在控制策略方面，目前常见的做法是在传统比例积分控制器中引入内膜控制器，如谐振控制器、重复控制器等，以零稳态误差地跟踪高次脉动分量。谐振控制器对脉动分量的增益直接受系统频率影响；重复控制器由于存在一个工频基波周期的固有延时，会影响系统动态响应性能[8]。此外还有在正序、负序坐标系下分别控制正、负序变量的方法，由于各自坐标系下被控变量均表现为直流分量，基于传统的比例积分控制器即可实现无静差跟踪；然而输出不平衡电压的正序、负序分离通常依赖数字滤波器，影响系统动态响应性能以及控制稳定性[9-10]。

为保证三相供电变流器带不对称负荷时输出电压平衡，本文基于一种直流组网型混合动力船舶推进变流系统，针对日用负载供电变流器的多运行模式及其控制策略，提出一种正序、负序分序控制方法，其通过坐标变换构造负序指令，无须配置数字低通滤波器。最后，文章通过仿真和实验验证了该控制策略的可行性及有效性。

1 混合动力船舶直流组网电力推进变流系统

1.1 直流组网电力推进变流系统拓扑

某型号混合动力高端游船的直流组网电力推进变流系统拓扑如图1所示，分为左舷和右舷2套子系统。左舷直流组网变流系统包括储能蓄电池DC-DC变流器（标号①）、柴油发电机整流器（标号②）、日用负载供电变流器（标号③）、侧推进电机逆变器（标号④）以及主推进电机逆变器（标号⑤）等不同类型变流器。相比于左舷直流组网变流系统，右舷直流组网变流系统没有侧推进电机逆变器；左、右舷侧推电机均由左舷侧推进逆变器驱动，通过选择开关进行切换。

图1 船舶直流组网电力推进变流系统拓扑Fig. 1 Topology of the DC-grid electric propulsion converter system for hybrid ship

各变流器直流侧以直流母线作为公共连接点，发电机整流器、DC-DC变流器可根据系统负荷需求实现单独柴油发电机供电、纯电池供电以及混合动力供电。

1.2 日用负载供电变流器主电路拓扑

日用负载供电变流器主电路拓扑如图2所示，其包括三相逆变器、滤波电感、滤波电容器以及隔离变压器。日用负载三相供电变流器将直流母线电压转换成幅值、频率可调的交流电压，经过隔离变压器（T1和T2）后得到三相380 V工频交流电压，左、右舷供电变流器通过交流断路器（K1和K2）与配电系统连接，为船舶日用负荷供电，实现双备份冗余运行。

图2 船舶日用负载供电变流器主电路拓扑Fig. 2 Topology of power supply converter for onboard daily load

此外，供电变流器系统可通过三相接线器BK与岸电交流电网并网，实现船舶靠岸期间由岸电电网给船舶日用负载供电，并给储能蓄电池充电。

1.3 直流组网电力推进变流系统运行工况

船舶直流组网电力推进变流系统运行工况示意如图3所示。其中，储能电池负功率表示充电，供电变流器负功率表示从岸电电网获取功率。

图3 直流组网电力推进变流系统运行工况示意Fig. 3 Operation diagram of the DC-grid electric propulsion converter system

运行工况具体说明如下：

（1）混合推进模式根据离岸距离、休闲观光等分为纯电池供电和柴油发电机供电2种情况。离岸较近的进、出港过程及停泊休闲观光阶段，关闭柴油发电机，采用纯电池供电运行，以降低噪声并消除有害尾气排放。在离岸较远进行高速航行时，采用柴油发电机供电，并给储能电池充电。

（2）日用负载供电变流器的运行根据离岸航行供电、靠岸充电需求等分为2种模式。船舶离岸航行时，供电变流器从直流母线取电，为船载日用负载提供稳定高品质的交流电；船舶靠岸充电时，供电变流器从岸电电网获取有功功率，为直流母线提供稳定电压，进而由DC-DC变流器给储能蓄电池充电。

2 日用负载供电变流器正、负分序控制策略

日用负载供电变流器具有日用负载供电和靠岸并网取电两种工作模式。为船载日用负载供电时，单相负荷或三相不对称负荷的接入，易造成供电变流器输出三相电压的不平衡，从而降低供电品质。为此，针对日用负载供电和靠岸并网取电两种模式，本文采用输出电压跟踪、并网电流跟踪切换的方法；同时在为日用负载供电时，为保证供电变流器输出电压的平衡，提出一种输出电压正、负分序控制方法，其在正序、负序dq同步坐标系下实现，控制原理如图4所示。图中，ωt为供电变流器A相电压的同步信号角频率，通过数字锁相环（PLL）获得；Vdref为供电变流器输出相电压峰值参考值；uab,ubc,uca为供电变流器输出线电压，ia,ib,ic为输出三相电流；ud+,uq+分别为输出三相电压在正序dq坐标系下d轴分量、q轴分量；id+,iq+分别为输出三相电流在正序dq坐标系下d轴分量、q轴分量。

图4 电压/电流模式切换及正、负分序控制策略Fig. 4 Voltage/current mode switching and positive/negative sequence-dividing control strategy

2.1 输出电压、并网电流跟踪模式切换

记Sw为日用负载供电、靠岸并网取电模式切换选择开关，Sw=1表示日用负载供电模式，Sw=0表示靠岸并网取电模式；Udcref和Udc分别为直流母线电压参考值及实际值，二者差值经直流电压环控制器（PIdc）得到并网有功电流指令Idref；xdref,xqref分别为正序dq同步坐标系下d轴、q轴参考值：

2.2 输出电压正、负分序控制

从三相静止坐标系（abc坐标系）转换到两相静止坐标系（αβ坐标系）的变换矩阵为

2.2.1 输出电压正序控制

在正序控制环中，从两相静止坐标系（αβ坐标系）转换到正序同步坐标系（dq+坐标系）的转换矩阵为

经过正序同步坐标系下PI控制（PI+），得到正序同步坐标系下的控制输出量。三相变流器采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）时，需将正序同步坐标系（dq+）下的控制输出量反变换到两相静止坐标系下：

反变换矩阵为

2.2.2 输出电压负序控制

在负序控制环中，从两相静止坐标系转换到负序同步坐标系（dq-）的转换矩阵为

经过负序同步坐标系下PI控制（PI-），得到负序同步坐标系（dq-）下的控制输出量。同样，将负序同步坐标系（dq-）下的控制输出量变换到两相静止坐标系下：

反变换矩阵为

3 仿真验证

为验证本文所提控制算法的正确性，本文针对某型混合动力推进船舶供电变流器系统进行仿真验证，其主电路拓扑结构如图5所示，交流母线负载由三相对称阻感负载及不对称阻感负载组成，系统主要参数如表1所示。

图5 船舶供电变流器仿真主电路拓扑Fig. 5 Simulink model of the main circuit topology of converter for onboard power supply

表1 船舶供电变流器系统关键参数Tab. 1 Key parameters of the converter for onboard power supply

图6示出供电变流器交流母线电压及其谐波频谱。图6 (a)为供电变流器输出电压波形，在t0时刻前，采用传统的单独正序控制方法；在t0时刻，投入本文所提的正、负分序控制方法。由图6 (b)可见，采用传统的单独正序控制方法时，供电变流器带不对称负载时输出电压明显不平衡，不平衡度约12%。图6 (c)显示投入正、负分序控制方法后，供电变流器输出电压趋于平衡，不平衡度小于0.5%；且由于本方法通过坐标变换构造负序指令，无须依赖数字低通滤波器，在分序控制投入时供电变流器输出电压几乎没有冲击。图6 (d)进一步分析了供电变流器输出电压谐波频谱，电压总的谐波畸变率（THD）仅为1.18%，其中5次、7次谐波含量0.78%和0.60%，供电品质优秀。

图6 供电变流器交流母线电压及其谐波频谱Fig. 6 Output voltage of power supply converter and its harmonic spectrum

4 实验验证

为进一步验证本文所提控制策略的可行性及有效性，在实验室搭建如图5所示的实验平台，在供电变流器直流侧接入直流电压源，负载包括100 kVA三相对称阻感负载及40 kVA单相阻感负载（用于模拟三相不对称）。针对传统单独正序控制以及本文正、负分序控制两种控制策略进行了实验验证，实验波形如图7所示。

图7 供电变流器交流母线电压装船运行试验波形Fig. 7 Onboard experimental output voltage of the power supply converter

如图7 (a)所示，当供电变流器带40 kVA不平衡日用负载时，采用传统单独正序控制，供电变流器输出母线电压明显不平衡、三相负载电流不平衡。由图7 (b)可见，采用本文所提正、负分序控制方法时，因为不平衡负载的存在，三相负载电流仍不平衡，但供电变流器输出母线电压平衡，不平衡度小于0.5%。由此验证了本文所提控制策略的有效性。

5 结语

本文基于混合动力船舶直流电力推进系统，介绍了其系统构成及供电变流器不同运行工况下电压、电流跟踪模式切换的工作原理。针对其日用负载供电变流器，提出一种正、负分序控制方法，以保证三相供电变流器带不对称负荷时输出电压平衡。仿真和实验结果表明，投入正、负分序控制方法后，供电变流器输出电压不平衡度小于0.5%，保证了船舶日用负荷的高品质供电。

本文研究方法可以推广应用于新能源发电并网、不间断供电电源、高速动车组辅助供电等变流器控制中。由于某些船舶在靠岸期间，其供电变流器需要与岸上交流电网进行并网，后续可进一步研究本文控制方法对于柔性并/离网工况的适应性。