关键词：船舶；直流组网；下垂；DC-DC；并网

1  引言

    随着船舶动力系统的发展，出现了混合动力船舶，通过电力电子变换器件将传统动力和储能电池动力进行物理组网，船舶能源管理系统PMS通过一定的控制策略控制两种动力源的投切，以满足船舶在不同工况下的动力需求。DC-DC变流器能满足储能电池的充放电需求，但是由于输出电压幅值与船舶公共母线电压的差异，其在并网瞬间可能产生电流冲击，给系统造成严重危害。该危害不但影响船舶运行安全，还可能带来巨大的经济损失。

    《基于双下垂控制的船舶直流组网储能变流器控制方法》^[1]提出了一种基于P-V和SOC-I双下垂控制的DC-DC变流器控制方法，解决了下垂特性下不同工况时直流组网变流器的额定功率分配问题，但是并没有介绍下垂特性变流器向直流微网并列时的控制策略。基于上述，因此有必要对DC-DC变流器直流组网时的并网特性进行分析，找到一种有效的并网策略。

本文首先介绍了新能源船舶直流组网系统组成及DC-DC变流器的基本功能，接着介绍P-V下垂控制原理，然后提出一种下垂特性可动态调节的并网控制策略，最后通过建立仿真模型验证了该策略的可行性。

2  船舶直流组网系统图

图1是某新能源船舶直流组网系统框图，分为左、右两个子系统，每个子系统其动力源侧有柴油发电机和储能电池组成，通过不同类型的电力电子设备组网到一起，左右子系统也可组网，形成公共直流母线；负载侧有主驱动器和辅助电源等。

当船舶慢速航行时，公共直流母线只投入一组蓄电池，蓄电池通过DC-DC单元给负载供电；当船舶航速提高时，公共母线投入另一组蓄电池，蓄电池通过DC-DC单元实现并网。当航速继续提高时，柴油辅助发电机投入，其通过AC-DC单元实现并网。

图1  船舶直流组网系统框图

3  DC-DC单元基本功能

DC-DC单元采用标准的三相逆变单元拓扑，外置直流电抗器。如图2所示。

电池充电模式，通过控制三相上桥IGBT的开关，实现把公共母线电压做降压处理，输出给电池；电池放电模式，通过控制三相下桥IGBT的开关，实现对电池电压的泵升以实现能量从电池侧流向负载侧。

三相IGBT桥臂，通过交错并联的控制模式实现输出电流的纹波脉动抑制。

图2  DC-DC拓扑

4  P-V下垂控制

在无联络线式逆变器并联系统中，借鉴了电力系统中同步发电机的自下垂特性，即以各并联逆变器输出的有功功率和无功功率为控制变量，来调整各逆变器输出电压的幅值和频率，从而使得各并联逆变器电压得以同步，最终实现消除环流、均分负载的目的^[2]。船舶直流电网中的DC-DC单元可以采用类似的下垂特性进行组网，其控制变量只有有功功率，通过调整DC-DC单元输出的电压幅值，从而自动实现电压同步及功率分配。

图3刚性曲线，描述了DC-DC单元输出电压随着负载功率变化是恒定不变的。如果两个输出电压刚性的DC-DC单元组网，只要其输出电压稍有差异，就会存在单元间环流问题。因此该类型不适合并联组网。

图3柔性曲线，具有下垂特征，描述了DC-DC单元的输出电压随着功率变化以某一斜率线性变化。公式如（1），Uref为下垂曲线P=0时的参考电压，K为下垂曲线斜率。

             U=Uref-P*K                公式（1）

图3  电压功率曲线

5  DC-DC并网控制策略

如前所述，刚性特征的DC-DC单元工作在电压源模式下，不利于组网。因此以下分析基于具备下垂特性的DC-DC单元进行并网策略分析。

5.1  DC-DC直接并网分析

5.1.1  软件控制框图

图4是电池放电时，具备下垂特性的DC-DC软件控制框图，控制采用双闭环控制策略：电流内环和电压外环。电压外环的参考电压V*来自功率下垂模块的输出。功率下垂模块公式见公式1。Is为0时，输出电压Vdc对应下垂曲线最大值Vref。Vref来自外部上位机PMS的给定。V*与输出电压Vdc反馈值做差，通过PI调节后生成电流内环的指令值I*，然后I*与三路电流采样值的和Is做差，经过PI调理后生成调制信号，该调制信号与经过移相处理的三路载波分别比较后，生成三组PWM信号。

V*=Vref-Is*Kp                公式（2）

图4  软件控制框图

5.1.2  并网过程分析

假定直流电网中两个DC-DC单元具备图5的下垂特征。那么已经带载运行的DC-DC1工作在图5的W0点，公共直流母线电压值为U0；即将并网的DC-DC2空载运行在W3点，输出电压为U3。

DC-DC单元拓扑输出都会配置直流电容，该电容用来平抑输出直流电压的纹波脉动，因此DC-DC2母线电容上的电压为U3。由图5可知U3>U0，所以如果此时DC-DC2输出开关K4闭合（图6），会在DC-DC2和DC-DC1的输出直流电容之间产生瞬时浪涌电流，危害系统安全。

5.2  DC-DC并网策略优化

基于上述问题，下文提出一种优化的并网控制策略，将公式（2）中的Vref给定进行优化，通过并网前比较公共母线采样值与预设Vref值大小，由DC-DC主控决定其下垂曲线Vref的写入值，动态调整下垂曲线。

5.2.1  优化的控制策略框图

基于图4功率下垂模块，增加Vref给定的比较模块。并网前，主控检测到Vdc’<预设值Vref’，主控选择Vdc’采样值写入寄存器作为Vref的值，完成下垂曲线的向下平移；主控检测到Vdc’>预设值Vref’，主控选择Vdc’采样值写入寄存器作为Vref的值，完成下垂曲线的向上平移（见图8）。

通过下垂曲线平移，DC-DC可以进行锁幅空载运行，保证并网瞬间无冲击发生；且DC-DC并网后，外部上位机PMS按照当前公共母线电压值写入Vref’，DC-DC单元主控检测到Vref’=Vdc’（某阈值范围内），选择Vref’数值写入Vref寄存器，完成下垂曲线的再次调整。之后外部PMS通过调整Vref’数值就可以控制DC-DC单元的功率输出。

图7  优化的控制策略框图

5.2.2  优化的控制策略并网过程分析

DC-DC2增加K2右侧电压采样Vdc’（见图7）。K2闭合前，DC-DC1带载运行在工作点W0（见图8，此时负载功率为P0），DC-DC2检测到公共母线电压值U0后自动调节其下垂曲线的参考电压Vref=U0，使得下垂曲线从DC-DC2向下平移到DC-DC2’。之后DC-DC2单元按照新的下垂曲线DC-DC2’空载运行，工作点在W4。如果DC-DC2主控检测其输出电压和公共母线电压值一致，则闭合图5的K2，完成并网。之后，DC-DC2通过一定条件判断选择Vref’作为Vref的给定值，上位机PMS调节下垂曲线的Vref值，使得下垂曲线在图8坐标系中向上平移，当Vref值等于U3时，DC-DC2工作在W1工作点，吸收P1负荷，DC-DC1沿图6曲线从W0点上移到W2工作点，吸收负荷P2。此时完成负载功率在两个DC-DC单元间的重新分配，并网完成。

P1+P2=P0    公式（3）

图8 下垂曲线平移

6  仿真验证

为了验证下垂曲线动态调整策略下DC-DC的并网特性，基于图7的控制框图搭建了仿真模型。模型中两个DC-DC单元下垂曲线的Vref及Kp具有相同的预设值。仿真结果如图9所示。

图9  仿真结果

曲线1，公共母线电压；曲线2，DC-DC2输出电压Vdc。

曲线3，DC-DC1电流Is1；曲线4，DC-DC2电流Is2。

（1）时刻t=1s之前，图6的K2断开；DC-DC1带负载运行，下垂特性Uref=700-Is1*0.7；DC-DC2空载运行，采样公共母线电压Vdc’，将其作为Vref的给定值。下垂特性V*=Vdc’-Is2*0.7。

（2）时刻t=1s时，K2闭合，无电流冲击。DC-DC2输出侧有少量的母线电容环流电流（来自DC-DC1输出电压纹波影响）。

（3）时刻t=2s，将Vref’写入DC-DC2的Vref寄存器（Vref’为当前公共母线电压值），之后上位机PMS以一定速度线性增加Vref’到700V，在2.1s时，DC-DC2下垂曲线变为V*=700-Is2*0.7，和DC-DC1拥有一样的下垂特性。此时两个DC-DC平均分配负载功率。

7  结语

本文提出了一种DC-DC变流器下垂曲线动态调整的并网控制策略，引入了下垂曲线Vref参考值的动态调节模块，通过动态调整下垂曲线的幅度，可以实现并网前DC-DC按照其下垂特性进行锁幅空载运行，之后可以做到完全无冲击电流并网到船舶公共直流母线。最后DC-DC根据条件判断主动切回到Vref的上位机给定状态，依据上位机PMS的给定值完成对公共母线负载的吸收。最后通过仿真验证了该并网控制策略的可行性，仿真结果显示并网瞬间完全无冲击电流，过渡平稳。

参考文献：

[1] 徐戎，王跃，等. 基于双下垂控制的船舶直流组网储能变流器控制方法[J]. 控制与信息技术，2020，第3期.

[2] 杨淑英，张兴，张崇巍. 基于下垂特性的逆变器并联技术研究[J]. 电工电能新技术，2006（4），第25卷2期.

作者简介：

张盛（1981-），男，籍贯河南平顶山人，学历本科，上海辛格林纳新时达电机有限公司系统工程师，主要从事高、低压变频器的设计开发。