節(jié)能及環(huán)境保護(hù)的需求使得船舶不斷提高其對(duì)傳統(tǒng)能源的利用效率，并逐漸引入清潔能源，這在一些小型船舶中得到越來越多的應(yīng)用。清潔能源如風(fēng)能、太陽能等通過電力變換器接入船舶電站，是船舶電能的一個(gè)有益補(bǔ)充，并且通過儲(chǔ)能系統(tǒng)，把柴油發(fā)電機(jī)的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，為柴油發(fā)電機(jī)的效率提高提供了額外的自由度。

由于其控制的靈活性，電力變換器在船舶電站中除了進(jìn)行能量變換，還可以參與船舶電網(wǎng)電壓和頻率的調(diào)節(jié)。事實(shí)上，用逆變器調(diào)節(jié)微電網(wǎng)電壓和頻率在陸地電網(wǎng)中已經(jīng)得到大量研究，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)載變化時(shí)，電網(wǎng)頻率和電壓均出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，通過并網(wǎng)逆變器的快速補(bǔ)償作用能夠削弱負(fù)載突變的影響。

例如：文獻(xiàn)[2]利用并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)功率補(bǔ)償，提高電網(wǎng)故障情況下的性能。文獻(xiàn)[3]通過無功電流注入，減小三相電壓的不平衡和功率振蕩。文獻(xiàn)[4]通過無功功率協(xié)調(diào)控制提高節(jié)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5-6]則采用虛擬同步機(jī)（Virtual Synchronous Generator, VSG）技術(shù)穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率。文獻(xiàn)[7]通過一種電壓型功率控制同時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓和頻率。

上述方法由于應(yīng)用于傳統(tǒng)電網(wǎng)，能夠獲取的信息僅僅是電網(wǎng)頻率和電壓，在實(shí)際應(yīng)用中需要知道模型參數(shù)如線路阻抗，或者采用閉環(huán)技術(shù)，前者實(shí)現(xiàn)起來成本較高，即使采用等效計(jì)算也需要實(shí)時(shí)采集大量電網(wǎng)參數(shù)，而后者則容易引起功率振蕩，需要精心設(shè)計(jì)控制參數(shù)，并適應(yīng)不同負(fù)載情況，算法較為復(fù)雜。

在由柴油發(fā)電機(jī)構(gòu)建的微電網(wǎng)中同樣面臨著柴油機(jī)與逆變器的協(xié)調(diào)控制問題。由于柴油發(fā)電機(jī)調(diào)整過程慢，對(duì)能量瞬時(shí)突變的適應(yīng)能力差，逆變器可以利用其能量控制的快速性，抵消負(fù)載能量的突變，從而提高微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

文獻(xiàn)[11]在柴油發(fā)電機(jī)模型分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種指數(shù)衰減的有功電流給定方法，以抵消負(fù)載突變影響，但是柴油發(fā)電機(jī)參數(shù)難以確定，因此衰減指數(shù)選取不易。文獻(xiàn)[12]把虛擬同步機(jī)技術(shù)引入柴油發(fā)電機(jī)微網(wǎng)系統(tǒng)，通過VSG的一次調(diào)頻和柴油發(fā)電機(jī)的二次調(diào)頻，提高了系統(tǒng)頻率和電壓的穩(wěn)定性，但兩次調(diào)頻控制之間的交互影響缺乏分析。

實(shí)際應(yīng)用中，并網(wǎng)逆變器和柴油機(jī)還應(yīng)考慮工作模式及其切換問題，二者既可以獨(dú)立工作也可以協(xié)同運(yùn)行，類似的陸地微網(wǎng)中也要考慮并網(wǎng)與孤島兩種運(yùn)行模式問題。如果不同模式下采用不同的控制方法，需要控制方法的平滑切換，可以通過合理初始化不同控制器的參數(shù)實(shí)現(xiàn)，也可以采用同一種控制方法以適應(yīng)不同工作狀態(tài)，但控制器參數(shù)或結(jié)構(gòu)通常也需要調(diào)整。

就并網(wǎng)而言，兩電網(wǎng)并入前進(jìn)行預(yù)同步處理是一個(gè)容易實(shí)現(xiàn)的方法，有利于減少并網(wǎng)沖擊。在柴油發(fā)電機(jī)微網(wǎng)應(yīng)用中，文獻(xiàn)[15]探討了柴油機(jī)與逆變器協(xié)調(diào)工作的幾種模式，但對(duì)各種模式下的控制方法缺乏深入研究。文獻(xiàn)[16]研究了并網(wǎng)逆變器與柴油發(fā)電機(jī)不同模式下的協(xié)調(diào)控制問題，對(duì)并網(wǎng)逆變器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制策略，特別研究了柴油發(fā)電機(jī)與逆變器工作模式切換問題，柴油機(jī)并網(wǎng)采用了預(yù)同步技術(shù)，但是該文沒有研究負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響。

相對(duì)于陸地電網(wǎng)，船舶電站有其特殊性。首先船舶電站中發(fā)電機(jī)和并網(wǎng)逆變器數(shù)量少，進(jìn)行各種狀態(tài)切換時(shí)要保證網(wǎng)上至少有一臺(tái)設(shè)備在持續(xù)供電；其次逆變器和柴油發(fā)電機(jī)容量相當(dāng)且和負(fù)載匹配，設(shè)備離/并網(wǎng)容易對(duì)電網(wǎng)造成沖擊；此外，船舶電站中電能傳統(tǒng)上由柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，為減小系統(tǒng)噸位，柴油發(fā)電機(jī)容量與負(fù)載相匹配，電網(wǎng)電壓與頻率極易受負(fù)載突變的影響。

針對(duì)上述問題，并且考慮到現(xiàn)有船舶電網(wǎng)中發(fā)電機(jī)組與負(fù)載的控制都集中在船舶電站集控室中，各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)容易獲得，本文提出一種船舶柴油發(fā)電機(jī)與并網(wǎng)逆變器協(xié)調(diào)運(yùn)行的控制策略：通過負(fù)載電流全前饋，解決并網(wǎng)逆變器獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的負(fù)載突變問題；通過提取負(fù)載電流高頻分量并將其疊加至逆變器電流參考量，解決和柴油發(fā)電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載突變問題；通過狀態(tài)鎖定方法解決柴油發(fā)電機(jī)離/并網(wǎng)過程中的功率動(dòng)蕩和不穩(wěn)定問題。

此外，本文還分析了電流變化量提取算法參數(shù)與發(fā)電機(jī)參數(shù)匹配問題以及不同負(fù)載情況下并網(wǎng)的電流沖擊問題，最后給出了系統(tǒng)整體離/并網(wǎng)控制策略。該控制策略為船舶電站中并網(wǎng)逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組間的協(xié)調(diào)控制提供了整套可行方案，提高了船舶電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

圖9 狀態(tài)預(yù)鎖定離、并網(wǎng)切換技術(shù)

圖10 整體控制框圖（d軸）

圖21 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

針對(duì)船舶電站中逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)工作問題，研究了逆變器在孤網(wǎng)、并網(wǎng)、離/并網(wǎng)切換等過程中的控制方法。相比于傳統(tǒng)控制方法，本文結(jié)合船舶電站參數(shù)集中的特點(diǎn)，提出了基于負(fù)載電流參數(shù)的控制方法，極大提高了控制過程的穩(wěn)定性和快速性，為新能源船舶電站提供整套控制策略。

首先，針對(duì)并網(wǎng)逆變器孤網(wǎng)運(yùn)行模式，通過推導(dǎo)電網(wǎng)電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)，提出了負(fù)載電流全前饋的控制方法，以提高逆變器對(duì)負(fù)載劇烈變化的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力。

其次，針對(duì)逆變器與柴油發(fā)電機(jī)的協(xié)調(diào)運(yùn)行模式，提出一種負(fù)載瞬時(shí)電流前饋方法。根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的頻率與電壓控制頻率特性，設(shè)計(jì)了一種負(fù)載電流動(dòng)態(tài)分量提取方法，并前饋到逆變器電流控制指令。這樣當(dāng)負(fù)載有功或者無功劇烈變化時(shí)，逆變器能迅速補(bǔ)償負(fù)載電流的變化量，并逐漸把負(fù)荷轉(zhuǎn)移到柴油發(fā)電機(jī)。采用這種方法提高了協(xié)調(diào)工作模式下電網(wǎng)頻率與電壓的穩(wěn)定性。

針對(duì)不同模式之間的切換過程，分析了柴油發(fā)電機(jī)離/并網(wǎng)過程的沖擊電流及對(duì)電網(wǎng)的影響，并根據(jù)不同參數(shù)獲取條件，在柴油發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)提出了預(yù)同步方法與參數(shù)預(yù)鎖定方法，在柴油發(fā)電機(jī)離網(wǎng)時(shí)提出了轉(zhuǎn)移負(fù)荷方法與狀態(tài)預(yù)先切換方法。通過這些方法，克服柴油發(fā)電機(jī)離/并網(wǎng)時(shí)，接觸器動(dòng)作時(shí)間不能確定，造成瞬間電參數(shù)變化過大問題。

通過上述方法，本文有效解決負(fù)載快速變化時(shí)船舶電網(wǎng)的電壓和頻率波動(dòng)過大問題，為新能源船舶電站中并網(wǎng)逆變器的協(xié)調(diào)運(yùn)行提出了整套控制策略，提高了船舶電站的穩(wěn)定運(yùn)行能力。