并網型交直交電源對船舶電力系統暫態穩定性影響的仿真分析

孫玉偉, 劉勇, 吳健, 袁成清, 湯旭晶*

(1. 武漢理工大學船海與能源動力工程學院, 湖北 武漢 430063;2. 武漢理工大學國家水運安全工程技術研究中心, 湖北 武漢 430063;3. 武漢理工大學交通部船舶動力工程技術交通行業重點實驗室, 湖北 武漢 430063;4. 武漢理工大學交通與物流工程學院, 湖北 武漢 430063)

0 引 言

為解決當今船舶所面臨的日益嚴峻的能源與環境問題,全球船舶行業都在致力于研究新能源發電以及如何提高能源利用效率[1-2]。邊曉燕等[3]以安全穩定運行為約束條件,通過建立遠海風電場模型研究風電在船舶上的應用;QIU等[4]選取“中遠騰飛”汽車船研究了光伏系統安裝在船舶電力系統中的可行性;LARSEN等[5]調查了一種獨特的卡琳娜循環技術,用于大型船用發動機的廢熱回收。風能發電、余熱發電等新能源發電方式通過采用高速永磁同步發電機提高能源利用效率,但輸出的高頻交流電需要通過整流逆變裝置后并入船舶電網。根據電能變換側需要經過整流逆變過程的特點,將此類發電裝置稱為并網型交直交電源。當前針對并網型交直交電源在船舶上應用的研究多集中在關鍵設備研制以及整流逆變設備控制研究上,較少關注實際工程應用中的系統暫態穩定性問題,缺乏相關的理論指導。

并網型交直交電源雖然能夠提高船舶電力系統的電力電子化程度,但會加劇電網故障時的不穩定性。并網型交直交電源對船舶電力系統的影響主要體現在以下3個方面:(1)并網型交直交電源改變了船舶電力系統的拓撲結構,使得系統能量傳輸路徑發生變化,同時電力電子設備的投入使得具有多時間尺度控制的船舶電力系統變得更為復雜,加大了解耦分析的難度[6]。文獻[7]從機電暫態過程角度將電力系統劃分為電磁暫態、機電暫態和中長期動態等3組變量,認為電力系統至少是3個時間尺度的動態系統。(2)并網變流器的控制策略直接決定并網型電源的工作特性,可以通過設置不同的控制策略滿足船舶電網的復雜需求。常規控制策略包含恒功率控制策略、恒壓恒頻控制策略、下垂控制策略、虛擬同步發電機(virtual synchronous generator,VSG)控制策略以及根據控制目標制定的針對性控制策略[8-10]。(3)并網型交直交電源通過變流器中的開關器件動作實現變流供電,沒有同步旋轉電源的轉軸和阻尼繞組,輸出的電磁功率不受功角方程制約,不能瞬時分擔系統狀態變化時的擾動功率,使系統抗擾動的能力下降[11-12]。

為研究并網型交直交電源對船舶電力系統暫態穩定性的影響,本文在電力系統計算機輔助設計(power system computer aided design, PSCAD)軟件中搭建集成并網型交直交電源的船舶交直流混聯電力系統暫態仿真模型。通過功率外環和電流內環的雙閉環形式實現VSG控制策略下的恒功率控制,分析并網型交直交電源在不同擾動下對船舶電力系統暫態穩定性影響的規律,研究三相短路故障時并網型交直交電源虛擬慣量對系統頻率的影響,從慣量支撐功率的角度解釋虛擬慣量對功率波動的支撐作用。

1 并網型交直交電源控制策略及系統仿真模型

1.1 并網型交直交電源的控制策略

恒功率控制策略可將并網型交直交電源輸出的有功功率和無功功率解耦后分別通過有功電流和無功電流進行控制,使輸出功率等于參考功率。恒功率控制策略常用功率、電流雙環的方式實現,見圖1[13]。圖1中:uabc、iabc分別為變流器輸出的三相瞬時電壓和電流;ud、uq、id、iq分別為派克變換后的電壓分量和電流分量;Pgrid、Qgrid為功率實際值;Pref、Qref為給定的功率參考值;idref、iqref為電流控制指令;Ped、Peq為輸出調制信號;θ為變流器輸出電壓相位;L為濾波電感值。

圖1 恒功率控制策略原理

功率電流雙閉環的VSG控制就是在雙環控制基礎上增加功率的前級控制[14]。VSG控制策略通過模擬同步發電機的機械和勵磁特性對變流器進行控制,從而實現電壓和頻率調節[15]。VSG引入同步發電機轉子運動方程模擬同步發電機的機械特性:

(1)

式中:PT和PE分別為VSG輸入機械功率和輸出有功功率的實際值;J和D分別為虛擬慣量和阻尼系數;ω0和ω分別為額定角頻率和實際角頻率;δ為功角。

圖2為結合原動機調節方程與轉子運動方程形成的有功-頻率控制器,其中Kω為有功-頻率下垂系數。該控制器的傳遞函數為

圖2 有功-頻率控制器

(2)

對式(2)進行變換處理,可得到角頻率與功率之間存在的關系:

(3)

式中:

(4)

由式(4)可知,阻尼系數、轉動慣量和調差系數均會影響τ和ξ的值,進而對并網型交直交電源的控制效果產生影響。

無功-電壓控制器模擬同步發電機的勵磁特性使VSG能夠進行電壓調節[17]。無功-電壓控制器見圖3,其中:U0為VSG的勵磁電壓;Uref為通過無功-電壓下垂環節得到的并網型交直交電源的輸出電壓幅值參考值。Uref計算式為

圖3 無功-電壓控制器

Uref=Un+(Qref-Qgrid)Ku

(5)

式中:Un為額定電壓有效值;Ku為無功-電壓下垂系數。

1.2 船舶電力系統仿真模型

圖4為某型船舶交直流混聯電力系統。該系統額定頻率為60 Hz,主配電板額定電壓為0.44 kV,分配電板額定電壓為0.22 kV,直流配電板額定電壓為0.75 kV。兩臺同步發電機組并聯運行,等比例分配有功功率和無功功率。電壓源變流器(voltage source converter,VSC)采用定直流電壓和定無功功率控制,其輸出功率由直流部分的負荷需求決定。超級電容采用定功率控制,直流電壓由VSC支撐。并網型交直交電源中的高速永磁發電機首先通過不控整流器將高頻交流電變為直流,再經過并網逆變器將直流電變為60 Hz工頻交流電,最后于交流主配電板饋入船舶電力系統。

圖4 某型船舶交直流混聯電力系統

同步發電機、感應電機、直流電機、等效負荷等設備的主要參數見表1～3。變壓器的容量為200 kVA,原副邊變比為0.45/0.22。超級電容的電容量為30 F,等效內阻為0.01 Ω。不控整流器的輸出端電壓為1.01 kV,并網型交直交電源的輸出功率為108.6 kW,并網節點選為主配電板。擾動案例1和2中,VSG控制策略的虛擬慣量為2 kg·m2,阻尼系數為2 N·m·s/rad。

表1 同步發電機參數

表2 交流負載參數

表3 直流負載參數

2 故障擾動時的系統暫態穩定性分析

2.1 三相短路故障影響

設置擾動案例1: 5 s時交流分配電板發生三相短路故障,5.2 s時故障清除。同步發電機的有功功率、同步發電機的功角、主配電板電壓、系統頻率、VSC輸出功率和直流配電板電壓在系統發生三相短路故障時的變化情況見圖5。

(a)同步發電機有功功率

由圖5可知,當系統發生三相短路故障時同步發電機輸出功率和同步發電機功角、交流配電板電壓、頻率等特征參數會在短時間內發生大幅度波動,采用VSG控制策略的并網型交直交電源能夠參與改善系統參數的波動情形。圖5(a)中,VSG控制策略相對于恒功率控制策略能夠更快地實現功率穩定,減小短路電流激增所帶來的影響。圖5(b)中,由于VSG模擬了調速系統的調頻環節并且引入了同步發電機的轉子運動方程,所以同步發電機輸出的功率同樣受功角方程制約。在輸出功率相同的情況下,采用VSG控制策略和恒功率控制策略時功角在經過調節后均穩定在0.162 5 rad,仍可看到采用VSG控制策略時功角偏差幅值較小。圖5(c)和5(d)中,VSG控制策略能夠有效參與電壓調節和頻率調節過程,無功電壓控制器中阻尼系數額外提供的阻尼效果延長了電壓到達峰值0.44 kV的時間,同時有功頻率控制器提供的虛擬慣量能夠在系統頻率跌落時提供短時支撐作用,有效抑制頻率的波動。圖5(e)和5(f)表明分配電板短路故障對主配電板產生的干擾間接影響了直流輸出功率和電壓,而并網型交直交電源對直流部分的影響較小。

2.2 突變負荷擾動影響

設置擾動案例2: 5 s時主配電板負荷突然跌落20%,7 s時恢復至初始負荷。同步發電機的有功功率、同步發電機的功角、主配電板電壓、系統頻率、VSC輸出功率和直流配電板電壓受突變負荷擾動時的變化情況見圖6。

由圖6可知,系統受到突變負荷擾動時同步發電機輸出功率和功角會出現瞬時跌落,交流配電板電壓、頻率等特征參數發生波動,采用VSG控制策略的并網型交直交電源能夠縮短系統恢復穩定的時間。圖6(a)中,當系統受到突變負荷擾動時,采用VSG控制策略時在6.1 s左右功率就可恢復穩定值,采用恒功率控制策略時功率在負荷突變的5～7 s內一直處于不穩定狀態,可見VSG控制策略對同步發電機有功調節的增益效果。圖6(b)中,采用VSG控制策略時功角特性在初始階段即可保持相對高的穩定能力,但當受到突變負荷擾動時功角跌落程度比采用恒功率控制策略時的大。在負荷恢復后,若采用VSG控制策略則功角恢復過程更為平緩,與功角初始值的差值也更小。從圖6(c)可以看出,VSG控制策略的電壓調節過程更為理想,電壓變化幅度為0.02 kV,當負荷突然減小時電壓變化幅值比恒功率控制策略的低了0.01 kV,當負荷突然增大時電壓變化幅值比恒功率控制策略的低了0.004 kV。圖6(d)中,相比于采用恒功率控制策略,采用VSG控制策略時頻率在暫態過程中的變化更小。尤其是在擾動發生的瞬間,VSG控制環節中的虛擬慣量能夠提供一部分電磁功率,防止頻率跌落過快。圖6(e)和6(f)中,由于VSG控制策略改善了系統交流部分的主要參數,間接對VSC輸出功率和直流電壓起到微弱的調節作用。

綜合三相短路故障和負荷突變擾動工況的暫態分析結果可知,采用VSG控制策略時并網型交直交電源的功角、電壓和頻率等特征參數的變化規律與同步發電機的類似,能夠參與功率調節過程,改善系統參數變化。

3 虛擬慣量對船舶電力系統頻率特性的影響

船舶電力系統的慣性主要源于同步發電機和電動機等設備的轉動慣量,表現為阻止頻率變化的能力。在船舶交直流混聯電力系統中,并網型交直交電源和直流部分均會導致系統的慣性減小、抗擾動能力降低。采用VSG控制策略的并網型交直交電源既能向系統提供慣量,又具備電力電子設備的快速響應特性,可以減小由系統發生功率缺額所導致的頻率偏差,從而改善船舶電力系統的頻率穩定性。通過調節VSG控制中的虛擬慣量J,分析并網型交直交電源對船舶電力系統頻率穩定性的影響。以擾動案例1為基礎,保持阻尼系數不變,電力系統的頻率在虛擬慣量分別為1、2、3 kg·m2時的變化情況見圖7。

圖7 頻率在虛擬慣量分別為1、2、3 kg·m2時的變化

由圖7可知,系統頻率受VSG控制策略的影響,在虛擬慣量不同時頻率的響應情況也不同。在故障發生的瞬間,系統頻率在不平衡功率的作用下開始跌落,VSG通過虛擬慣量為系統提供短時的慣量支撐功率。因此在故障持續的5.0～5.2 s內,虛擬慣量越大,系統頻率跌落的程度越小,頻率變化的趨勢也更為平緩。在故障清除后,同步發電機組的調速系統動作,VSG的虛擬慣量持續發揮作用,但慣量支撐功率隨著同步發電機貢獻的增加逐漸減少。系統頻率在故障清除后的0.2 s內達到頻率振蕩的最小值。對應于虛擬慣量為1、2、3 kg·m2,頻率最小值分別為59.812、59.816和59.820 Hz。系統頻率在故障清除后的0.6 s內達到頻率振蕩的最大值。對應于虛擬慣量為1、2、3 kg·m2,頻率最大值分別為60.160、60.155和60.153 Hz。由于并網型交直交電源的滲透率不高,所能提供的虛擬慣量與同步旋轉設備的轉動慣量相比較小,故對系統頻率的影響程度較低。盡管如此,仍可以預見到隨著并網型交直交電源滲透率的提高,虛擬慣量值也會增大,VSG控制對頻率穩定性的影響會更加突出。在6.9 s左右時,同步發電機組和VSG的調速環節和阻尼環節共同促使系統頻率恢復穩定,虛擬慣量提供的慣量支撐功率為0,3種工況下的頻率調節曲線基本相同。

從上述分析可知,采用VSG控制策略的并網型交直交電源能在一定程度上提高船舶交直流混聯電力系統的慣性,并且能夠參與到頻率調節過程中,提高系統的頻率穩定性。VSG控制策略模擬了同步發電機的轉子運動方程,同樣具有虛擬機械功率和虛擬電磁功率,因此并網型交直交電源的慣量支撐功率計算方法與同步發電機的相同。擾動案例1中采用VSG控制策略時的虛擬機械功率和虛擬電磁功率見圖8,慣量支撐功率見圖9。

圖8 VSG的暫態功率響應特性

圖9 VSG的慣量支撐功率

從圖8可以看出,采用VSG控制策略時并網型交直交電源在系統發生三相短路故障時同樣會出現瞬時功率跌落,虛擬機械功率受慣性影響不能及時響應,存在0.01 s的延時,此時虛擬電磁功率已經由108.6 kW跌落至106.0 kW。在5.020 s時VSG檢測到系統頻率跌落,同時迅速增發電磁功率,在5.184 s時達到電磁功率最大值110.6 kW。此時同步發電機調速系統開始動作,頻率在同步發電機調速系統的作用下開始做阻尼運動。在頻率做衰減振蕩時,VSG輸出的虛擬電磁功率減小,同時機械功率與電磁功率的變化幅度趨于一致。從圖9可知,在并網容量為108.6 kW,虛擬慣量為2 kg·m2,阻尼系數為2 N·m·s/rad的情況下,VSG在系統發生暫態事件時能夠增發的最大慣量支撐功率為2.287 kW,能夠吸收的最大慣量支撐功率為1.751 kW。VSG的慣量支撐功率在6.1 s時徹底消失,而系統頻率在6.1 s時仍未恢復穩定。因此,虛擬慣量對系統功率波動的支撐作用只能持續1.08 s,且作用效果不斷衰減。在6.1 s后系統頻率主要由同步發電機進行調節,VSG控制僅通過有功頻率控制器和阻尼作用影響系統頻率,但在調節能力上與同步發電機相差很大。

4 結 論

本文聚焦于并網型交直交電源對船舶電力系統暫態穩定性的不確定性影響問題,分析短路故障和突變負荷擾動情況下并網型交直交電源對船舶電力系統的影響,深入探討采用VSG控制策略時并網型交直交電源的虛擬慣量對船舶電力系統頻率的支撐問題。通過研究得到如下結論:

(1)發生三相短路故障時系統特征參數的波動比受到突變負荷擾動時的劇烈,其中采用VSG控制策略時主配電板電壓的變化在兩種情況下的區別最明顯,受到突變負荷擾動時電壓波動為0.02 kV,僅相當于發生三相短路故障時電壓波動0.11 kV的18.2%。

(2)發生短路故障時采用VSG控制策略的并網型交直交電源能夠抑制特征參數的波動,5.2 s時的系統的頻率跌落幅度比采用恒功率策略時的低0.15 Hz;受到突變負荷擾動時采用VSG控制策略的并網型交直交電源能夠縮短特征參數恢復穩定的時間,特別是在采用VSG控制策略時同步發電機有功功率在6.1 s時恢復穩定,采用恒功率策略時同步發電機功率在5～7 s始終處于不穩定狀態。

(3)當VSG控制策略的阻尼系數為2 N·m·s/rad時,虛擬慣量為1、2、3 kg·m2分別對應的頻率變化范圍為59.812～60.160 Hz、59.816～60.155 Hz、59.820～60.153 Hz,系統頻率偏差隨虛擬慣量增大而減小。

(4)當VSG控制策略的阻尼系數為2 N·m·s/rad、虛擬慣量為2 kg·m2時,并網型交直交電源在系統發生暫態過程中能夠提供-1.750～2.297 kW的慣量支撐功率,在系統頻率變化時能夠起到有效的支撐作用,但只能持續1.08 s,維持時間較短,后續的頻率調節過程主要由同步發電機完成。