高压岸电系统多路输出功率均衡控制方法

潘雄文，陈辉，徐玉刚，姚琼，宋先勇

（国网岳阳供电公司，湖南岳阳 414000）

由于内陆湖泊亟需从现在比较低效、粗放、污染的柴油机供电体系逐步转变为洁净、高效、节约、多元、安全的现代化锚地岸电供电体系，因此，锚地岸电电源系统建设已经成为了电力事业发展的核心研究方向。锚地岸电就是一种新型的系统供电技术，要求靠泊船必须依靠船舶自备发电机进行供电[1-2]。相比于常见的柴油发电方式，锚地岸电系统不但能够充分缓解内陆湖泊的污染问题，也可以抑制氮硫化物的排放，在节能减排方面具有较强的促进性作用。

传统的柴油发电方式以电动机作为主要供电设备，为适应高压电能变频传输的需求，主柴油发电机往往具备极强的电子输出能力，然而随着电力供应时间的延长，稳定电压的变更能力开始逐渐下降，这也在一定程度上导致岸电电网供电制度陷入了相对混乱的执行状态。为解决此问题，设计新型的高压岸电系统多路输出功率均衡控制方法，在主电路参数条件下，分别从电流内环、电压外环两方面入手，计算输出功率的均衡量数值，再按照直流母线电压的实际波动形式，得到准确的惯性控制系数结果。

1 高压岸电系统的多路输出环境

高压岸电系统的多路输出条件由主电路参数、电流内环、电压外环三部分共同组成，具体研究分析方法如下。

1.1 主电路参数

锚地岸电电源系统的主电路参数包含直流侧电容值、主电源容量等多种类型。其中，交流侧电感能够影响高压岸电系统的动态与静态电量输出性能，在直流电压取值方面具有较强的促进作用。在面对频繁的电量输出功率调制任务时，由于传输电子的大量累积，变流器网侧的电流波形会不断向着正弦波靠近，且在此过程中，直流侧电容能够滤除高频电压谐波的影响，从而避免高压岸电系统缓冲整流能力下降，这也是导致高压岸电系统缓冲整流能力不断下降的主要原因[3-4]。针对此问题，在实际应用过程中，应将直流侧电容C作为定值参考条件，在电感应时间T1、岸电系统功率定频时长T2两项物理量的作用下，可将锚地岸电系统的主电路参数计算结果表示为：

其中，Emax代表主电源的最大输出值，ΔU代表单位时间内的输出功率变化量。

1.2 电流内环

在锚地岸电系统中，电流内环对电量输出功率起到非线性调制作用，一般来说，在交变电流保持正向耦合关系的情况下，闭环内的输出功率数值会产生急速下降的变化形式[5-6]。在此过程中，锚地岸电电源系统始终处于相对稳定的充电形态之中，且由于电子前馈感知行为的存在，任何一个明显的直流量静态调节差都有可能造成连续的电流偏转形态。因此，为使锚地岸电电源系统电流内环保持连续稳定状态，应设置电量输出功率的极限数值，并要求所有电流感知量都不得超过该项指标的预设数值水平[7-8]。设代表锚地岸电系统中的连接电阻均值，联立式（1），可将电流内环的输出功率稳定形态表示为：

式中，uer代表r输出点与e输出点之间的电压差数值，ω代表高压电量的多路输出系数。

1.3 电压外环

电压外环则能够对电量输出功率起到反向约束作用，在锚地岸电系统中，传输电量的单次输出功率值越大，外环环境中的理想电压数值水平也就越高，高压主机所具备的均衡性电感能力也就越差。若将电子量的多路输出看作一个相对稳定的电压传输环境，则可认为随着岸电系统外部传输电压数值的升高，其内部传输电子量之间的感应能力也会不断增强，直至将锚地岸电系统高压输入端与低压输出端之间的压差数值水平缩小至0[9-10]。规定ω1、ω2分别代表两个不同的锚地岸电系统电压表转动数值，在电压量多路输出的情况下，ω1≠ω2≠0 的不等式条件恒成立。在上述物理量的作用下，联立式（2），可将电压外环的输出功率稳定形态表示为：

其中，λ代表电压差约束参量，|H|代表锚地岸电系统高压输入端与低压输出端之间的实际压差数值。

2 多路输出功率均衡控制方法

在高压岸电系统多路输出环境的支持下，按照直流母线电压波动分析、输出功率均衡量计算、惯性控制系数确定的处理流程，完成新型输出功率均衡控制方法的设计与应用。

2.1 直流母线电压波动分析

若锚地岸电电源负载出现突发性行为，由于高压输出电机并不能立刻感受到传输电子的实际变化情况，因此很难长久维持原有的控制量水平，这也是造成高压岸电系统实际多路输出功率始终不能达到理想数值水平的主要原因。一般情况下，直接由该项物理差值引起的电量补偿行为，就被称为直流母线的电压波动[11-12]。忽略高压锚地岸电系统的其他开关损耗情况，则可认为直流母线的电压波动行为越明显，电量输出功率的均衡性水平越强。联立式（2）、式（3），可将直流母线电压的波动分析结果表示为：式中，Ps表示高压电信号的输入功率，Pt表示稳态电信号的输出功率，ΔAst表示直流电压的变化量，表示高压岸电系统中的均衡性电阻量。

2.2 输出功率均衡量计算

在已知直流母线电压波动分析结果的情况下，可将输出功率均衡量看作一种平衡性负载状态，由于高压岸电系统一贯具有较强的自适应调节能力，因此在功率均衡量与电源输出负载之间总是存在一种固定的数值影响关系[13-14]。多路输出功率的均衡负载原理如图1 所示。

图1 多路输出功率的均衡负载原理

设k代表高压岸电系统中的多路输出功率波动基向量，l1、l2代表两个不同的电功率调节系数，f代表电信号功率的输出给定值，则多路输出功率均衡量计算公式为：

2.3 惯性控制系数

惯性控制系数也叫惯性均衡负载量，在锚地岸电系统中，该项物理指标的数值水平越高，多路输出功率的平均数量值也就越大[15-16]。一般来说，一个稳定的高压岸电系统中能够同时接入n个不同的电信号控制器，且其实际功率输出水平并不受外界干扰条件的影响。设x1,x2,…,xn分别代表n个电信号控制器设备的实时功率输出量，在最小均衡系数等于c0、最大均衡系数等于cn的情况下，联立式（5），可将惯性控制系数计算结果表示为：

其中，Ms表示高压电信号的输出功率反馈系数，Mt表示稳态电信号的输出功率反馈系数。至此，完成各项系数指标的计算与处理，在不考虑其他干扰条件的情况下，实现高压岸电系统多路输出功率均衡控制方法的顺利应用。

3 实例分析

将图2 所示电源负载主机接入锚地岸电系统中，在相同频率条件下，截取等长的高压输出波与低压输出波，并将其分别输入实验组、对照组电源处理主机中，其中实验组电源主机配置多路输出功率均衡控制方法，对照组电源主机配置传统的柴油发电方式。锚地岸电电源负载主机如图2 所示。

图2 锚地岸电电源负载主机

为保证电压波的传输稳定性，在电源负载主机外部还应增设图3 所示的压电转换装置，一方面平衡由功率差降带来的电信号振荡行为，另一方面也可以对锚地岸电系统进行有效的保护。压电转换装置如图3 所示。

图3 压电转换装置

图4 为0～200 Hz 阶段，实验用高压输出波与低压输出波的具体波频变化情况。

图4 电压信号分布情况

稳定电压指的是高压波、低压波之间的电压差值，能够反映岸电系统变频信号的稳定性能力，一般情况下，稳定电压数值的变化速率越快、极值压差越小，则代表变频信号的稳定性越强，系统主机对于输出功率的均衡调控能力也就越强。表1记录了实验组、对照组稳定电压的实际数值变化情况。

表1 稳定电压数值

分析表1 可知，随着电压波输出频率的增大，高电压数值、低电压数值均呈现不断上升的变化趋势。从极限值角度来看，对照组低压输出波所对应的电压数值更低，而高压输出波所对应的电压数值则更高，稳定压差达到了380 V/200 Hz，远高于实验组的稳定压差60 V。

综上可知，应用多路输出功率均衡控制方法后，高压岸电系统的稳定压差数值水平得到了有效控制，不但增强了岸电电源系统变频信号的稳定性能力，也可促进高压系统主机对于电信号输出功率的均衡性调控。

4 结束语

在传统柴油发电策略的基础上，多路输出功率均衡控制方法针对岸电电源系统电能变频能力较差的问题进行改进，在电流内环、电压外环等多个电量感应条件的作用下，通过直流母线电压波动分析法，计算输出功率均衡量、惯性控制系数的具体数值。与传统方法相比，这种新型控制方法能够更好地适应岸电电网的均衡供电制度，在维护电能变频能力方面具有较强的实际应用价值。