中压直流综合电力系统发电机并联控制策略

纪锋， 刘少鹏， 刘鲁锋， 郭云珺

(海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

0 引 言

中压直流综合电力系统将传统的机械推进与电力系统合二为一，代表了舰船动力的发展方向[1]。其中，供电系统为了提高灵活性和经济性，一般采用大、小容量整流发电机并联组网的方式进行供电[2-3]。为提高异构发电机组并联运行的稳定性和可靠性，保证供电安全，需要重点解决整流发电机组全工况稳态功率均分问题。

目前，有大量的学者针对多源并网控制及功率均分问题进行了研究[4-12]。工程应用中多采用直流侧电压-功率下垂控制策略，文献[13-15]利用该下垂控制策略对并联机组重载运行、推进调速以及突加负载工况下的功率均分问题进行了验证，但未针对轻载工况进行说明；在实验室研究中也有提出主辅配合式控制策略，采用能量协调调度模型求得主电机与辅助电机之间的最优功率比，并反馈控制主电机与辅助电机，实现功率分配，但考虑到轻载工况下反馈信号和传感器误差会影响被测信号数据的正常获取，导致能量调度出现偏差，使得发电机组并联后控制存在误差，难以实现功率均分。文献[16-19]对柴油发电机与逆变器、光伏并联以及逆变器并联时的下垂控制策略进行了研究，对基于固定下垂系数的下垂控制策略进行改进，但这些方法模型相对复杂，对关键参数要求高，且多为解决电网功率扰动问题，无法直接应用于整流发电机组并联运行控制。文献[20]通过在闭环系统中加入串联矫正环节，增大了系统的稳定区域以及提高了相角的稳定裕度，但该方法尚未考虑整流输出侧无电容的情况。文献[21]通过对并联发电机组工作原理的分析，基于PLC设计了励磁控制器，在此基础上，文献[22-23]通过采用频率偏差调节通道稳定电网频率，同时，采用CAN总线作为通信方式，实时将各发电机带载情况传递至调频调载装置，实现输出功率的按比例分配，但该方案对通信的实时性要求较高，针对该问题，文献[24]通过对传统下垂控制策略的分析，加入了曲线截距的自动补偿，但该方案未考虑误差因素的影响。文献[25-26]利用频率的有差特性多次调频，使频率稳定于理论值，实现发电机组有功功率的按比例分配，但该方法未在试验中验证。文献[27-28]基于模糊控制算法，将各电机有功功率占总功率的比例作为模糊控制的输入，将各电机的转速作为输出，利用负荷的有功功率-频率静态特性实现功率均分，并保证了并联机组的稳定性。文献[29]将无功功率的标定值与实际无功功率的差值进行积分，替换传统固定的下垂系数，实现了功率变化的自适应调节，但该方法在负荷切换时存在一定局限性，文献[30]针对负载转移设计了一种改进型下垂控制策略，依据负载功率转移状态自适应调节下垂系数，实现了可调速电机在负载突变时的精确调谐。文献[31]分析了船舶机组励磁控制器以及PI调节器的传递函数，得到了功率控制器在abc坐标系下的控制模型，通过将云计算技术应用到该模型控制中，实现了模型的简化以及功率的分配。上述方法在整流发电机组重载并联方面有一定的借鉴作用，但无法有效解决轻载并联时控制精度与测量误差等特殊原因引起的功率分配不均问题。

为此，本文对十二相整流发电机并联运行控制展开研究。首先对十二相电机模型进行等效，以简化分析对象，便于后续仿真验证；然后分析了传统下垂控制策略在轻载工况存在功率分配差度偏大的原因，并通过调整励磁电压控制对象，采用轻载交流侧/重载直流侧双路选择电压反馈的控制策略，实现了轻载发电机正常电压输出；最后，设计并构建了双机并联短路仿真系统，仿真验证了该策略的有效性，并在实验室搭建了相应的试验平台，通过仿真与试验结果对比，进一步验证所采用策略的有效性。

1 多相整流发电机等效建模

目前，有大量的文献对十二相整流发电机模型进行了研究[32-34]，但由于十二相同步发电机的阶数高，计算量较大，系统计算时，速度明显降低，尤其在进行开关保护等硬件在回路实时仿真测试时，仿真实时性与准确性的矛盾尤为突出，计算规模受到一定制约，需对十二相电机进行等效三相电机建模处理。

综合考虑绕组耐压、器件选型、电网谐波等因素，十二相同步整流发电机4套三相整流桥在直流侧以“2并2串”方式连接时，若4套3相绕组完全对称，十二相同步发电机可以被4个三相同步发电机代替，模型等效结果如图1所示[2]。假设4套3相Y形绕组端电压、线电流相同，为了维持功率不变，4个三相同步发电机定子端电压、线电流额定值与原十二相同步发电机相应额定值相等，则等效三相同步发电机的数学模型为：

图1 十二相同步发电机整流系统原理图(左)及等效电路图(右)Fig.1 Schematic(left) and equivalent(right) circuit diagrams of 12-phase synchronous generator-rectifier system

(1)

(2)

式中：参数下标d表示直轴；下标q表示交轴；下标k表示阻尼绕组；下标f表示励磁绕组；e表示等效绕组。则等效后每台三相同步发电机参数与原12相同步发电机参数关系如表1所示。

表1 等效三相同步发电机参数计算表达式

2 并联控制策略

2.1 传统下垂控制的局限性

整流发电机取消了系统频率对发电机转速的限制，可将发电机与高速转动的原动机直接相连接，一方面，保留了通过调节原动机转速来改善并网机组稳态功率均分的转速下垂运行方式，另一方面，可通过励磁系统弥补转速调节动态响应方面的不足，改善机组动态功率均分。

整流发电机并联运行时，输出端为直流信号，取消了交流发电机并联运行对频率和相位的限制，只需满足电压幅值相等；同时由于采用二极管整流，整流发电机机端电流不能逆向流动，不存在能量的逆向流动问题，因此传统整流发电机组并网运行时采用输出直流侧电压—功率下垂特性方案，实现负载电流即输出功率的按比例分配，传统的整流发电机控制框图如图2所示。

图2 传统的整流发电机控制框图Fig.2 Traditional control block diagram of rectifier generator

图2中励磁控制器采用输出侧直流电压-功率下垂特性方案，通过调差系数Kdrop对励磁电压PI调节实现有功功率的精确分配，但该方案带轻载运行时容易出现功率分配不均的情况，主要原因如下：

1)励磁控制器的反馈电压存在问题。整流发电机并网运行时，为了降低并网难度，一般采用一台电机先稳定运行，另一台电机后并车的方式，但由于两台电机均采用直流侧电压-功率下垂控制策略，导致了待并网电机并车时，其励磁调节器的反馈信号是在网发电机稳定运行的直流侧电压，则待并网电机未建压但反馈了正常电压信号，使得发电机组并联后控制存在误差，无法实现功率均分。

2)误差因素。采用电压-功率下垂控制后，并联发电机的输出电压给定值为U0-Kdrop·P，其中U0为空载给定电压，P为发电机输出功率。理论上，即使出现(1)中的反馈信号错误，由于待并网发电机空载，电压给定值为U0，高于在网运行发电机的电压给定值U0-Kdrop·P，仍能逐渐升压以转移部分负载功率，最终实现并联发电机功率均分。然而，由于励磁控制器通过电压传感器和电流传感器测量直流侧电压、电流，且整流发电机带轻载稳定运行时，直流侧电流较小，则在被测信号的纹波和传感器误差足够大的条件下，会干扰励磁控制器的电压给定值，造成轻载工况下整流发电机功率均分控制失败。

以上2种因素的综合作用可导致采用传统下垂控制策略的发电机组在低工况运行时功率无法按比例分配，极端情况下，由于整流发电机单相输出特性，可导致并网系统中一台发电机承担全部负荷，其余发电机空载运行。

2.2 双路选择电压源反馈控制策略

针对励磁电压调节对象错误、被测信号的传感器误差足够大会干扰励磁控制器的电压给定值，造成轻载工况下整流发电机功率均分控制失败的问题，本文通过对在网发电机、待并网发电机的控制策略加以区分来进行解决。在网发电机利用输出侧直流电压-功率下垂特性曲线，即采用传统的下垂控制策略，其框图如图2所示；待并网发电机采用轻载交流侧/重载直流侧双路选择电压源反馈的控制策略，该下垂控制策略的控制框图如图3所示。

图3 基于双路选择电压源反馈的控制策略流程图Fig.3 Flow chart of control strategy based on double-channel selective voltage source feedback

图3为改进后的励磁控制原理框图，其主要步骤如下：

1)轻/重载判断。设置输出电流阈值为Idcth，将负载电流Idc与阈值Idcth比较，若Idc≤Idcth，则判定整流发电机组带轻载运行；若Idc>Idcth，则判定整流发电机组带重载运行。

2)确定反馈电压源。若整流发电机组带轻载运行，则反馈电压源为发电机交流侧电压有效值Uacrms，k1为折算系数，即Uc=k1Uacrms；若整流发电机组带重载运行，则反馈电压源为发电机输出电压，即Uc=Udc。

3)励磁调节。将输出侧的直流电压标定值Udcref与反馈电压Uc进行作差，形成误差信号Err，在该误差信号的基础上，叠加电流传感器所测的电流Idc，即Err=Udcref-Uc-Kdrop·P，再通过PI控制器生成励磁电压信号，实现正常建压和稳压输出后的功率按比例分配。

3 仿真验证

为验证所提策略有效性，首先将十二相整流发电机等效为4台三相电机，之后在PSCAD中，按照图4双机并联结构搭建仿真模型。由于轻载时发电机输出电流过小，且受测量精度等因素影响，无法有效区分并网无输出电流和未并网两种工况，因此在仿真和试验验证所提策略时，利用短路电流间接分析发电机建压情况，故待两台电机稳定运行后进行短路仿真，其中，发电机1和发电机2的额定频率分别为50、100 Hz，容量配置比为1∶5，短路后的电流分别表示为idc1、idc2，电流基值分别设置为各整流发电机的额定输出电流。

图4 双机并联结构示意图Fig.4 Diagram of two rectifier generators in parallel

1)采用直流侧电压-功率下垂控制策略

两发电机并车并运行至稳态，4 s发生短路。仿真结果如图5。

图5 传统的下垂控制策略仿真Fig.5 Simulation with traditional droop control strategy

由图5可知，发电机1在短路后9.6 ms电流达到峰值，峰值标幺值为9.104；发电机2在短路后5.0 ms电流达到峰值，峰值标幺值为2.040，与预期短路电流不符。为此，理论分析如下：

十二相同步整流发电机4套三相整流桥在直流侧以“2并2串”方式连接时，交流侧相电流峰值的表达式iφmax以及直流侧短路电流峰值idcp的表达式[35-36]为：

(3)

(4)

十二相同步发电机等效为4个结构、参数完全相同的三相同步发电机，由等效前后功率相等原则知，每个三相同步整流发电机交流侧相电流峰值i3φmax=iφmax，所以多相整流发电机直流侧短路电流峰值为

(5)

将式(3)代入式(5)，得

(6)

2)采用轻载交流侧/重载直流侧双路选择电压源反馈的控制策略。

同样设置两发电机并车并运行至稳态，4s发生短路，仿真结果如图6。

图6 双路选择电压源反馈的控制策略仿真Fig.6 Simulation with control strategy with double-channel selective voltage source feedback

由图6可知，发电机1在短路后9.0 ms电流达到峰值，峰值标幺值为8.604；发电机2在短路后4.9 ms电流达到峰值，峰值标幺值为8.733，两台电机均正常建压，仿真验证了双路选择电压反馈控制策略的有效性。

4 试验验证

在本次试验中，受试验条件制约，难以配备真实燃气轮机和柴油机作为原动机，故利用变频调速拖动电机拟合原动机调速特性，与相应整流发电机成套，构成模拟燃发机组与模拟柴发机组，如图7所示。其中，模拟柴发机组利用变压器为自带整流桥的拖动变频器1供电，驱动拖动电机1直接带动整流发电机1至额定转速，拟合柴发机组输出特性；模拟燃发机组利用变压整流装置从10 kV市网取电，为拖动变频器2提供直流电源，拖动电机2经升速齿轮箱带动整流发电机2运行在燃发额定转速，拟合燃发机组输出特性，对前述理论分析和仿真结果进行试验验证。主要参试设备包括1套模拟柴油机发电机组(简称“柴发”)、1套模拟燃气轮机发电机组(简称“燃发”)、1套直流配电板(内含直流断路器)以及电阻负载，在直流配电板负载屏的正负极母排之间利用直流断路器设置短路点，待系统稳定运行后，将短路点断路器闭合，模拟发生短路故障，其中，试验中用到的变频器、拖动电机以及整流发电机的功率，电压参数如表2所示。

表2 试验设备参数

1)采用直流侧电压-功率下垂控制策略。

柴发单独带轻载至稳定状态，燃发并入，稳定运行后发生短路，试验结果如图8所示，其中电流基值分别设置为各整流发电机的额定输出电流。

图8 传统的下垂控制策略试验Fig.8 Experiment with traditional droop control strategy

由图8知，试验结果与图5所示的仿真结果相吻合，柴发在短路后9.2 ms电流达到峰值，峰值标幺值为9.000；燃发在短路后4.9ms电流达到峰值，峰值标幺值为1.960，存在与仿真工况同样的现象，短路电流实测值与理论值相差较大。

2)采用轻载交流侧/重载直流侧双路选择电压源反馈控制策略。

柴发单独带轻载至稳定状态，燃发并入，待柴发、燃发至稳定状态短路，试验结果如图9所示，其中电流基值与1)相同。

图9 双路选择电压源反馈的控制策略试验Fig.9 Experiment with control strategy with double-channel selective voltage source feedback

由图9可知，试验结果与图6所示的仿真结果相吻合，柴发在短路后9.6ms电流达到峰值，峰值标幺值为8.440；燃发在短路后4.8ms电流达到峰值，峰值标幺值为8.240，柴发与燃发端口电压均能正常输出，通过该试验，验证了双路电压反馈控制策略的有效性。

两种工况下已在网发电机、待并网发电机电流峰值的仿真与试验结果对比如表3所示，短路后电流峰值时间的仿真与试验结果对比如表4所示。由表3、表4知，短路电流峰值误差不超过6%，短路后电流峰值时间误差不超过6.5%，试验与仿真结果相吻合，再次验证了仿真和试验结果的正确性。

表4 两种工况下电流峰值时间的仿真与试验结果对比

5 结 论

针对十二相整流发电机组并联轻载运行功率均分问题，本文首先将十二相整流发电机等效为4台三相整流发电机，在PSCAD中建立了机组并联仿真模型，并对基于轻载交流侧/重载直流侧电压信号源双路选择电压源反馈的控制策略进行了仿真和试验对比验证，研究表明：采用直流侧电压-功率下垂控制策略时，待并网电机励磁控制器的反馈电压受电网电压影响，当被测信号纹波与传感器误差足够大时，下垂控制失效，待并网电机无法正常建压；但采用交流侧电压-功率下垂控制策略时，待并网电机励磁调节器的反馈信号是其交流侧电压，不受电网电压影响，可确保待并网电机正常建压，进而有效改善轻载并网时的功率分配差度，可对未来工程化应用提供有效支撑。