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船舶岸电变流器作为靠港船舶新的供电电源，可极大地降低船舶靠港时船用同步发电机重质柴油燃烧所带来的NOx、SOx和柴油颗粒等污染物。为保证船舶供电的连续性，岸电侧与船电侧电源多采用预同步方式完成不断电切换，然而可能会因两侧电压非理想的相位差而诱发电冲击，进而导致岸电与船电电源切换失败。因此，本文首先提出船舶岸电变流器用构网型电流量控制策略，其实施于锁相环确定的船电两相同步旋转坐标系中，可在无预同步的前提下完成电变流器无冲击自整步并入船电系统，同时通过幅频电压-矢量电流级联闭环完成对船舶岸电变器输出电压幅值和频率的有效调控。
研究背景
现阶段，船舶岸电变流器作为靠港船舶供电的新型电源，可替代船舶辅机电源，为船电系统提供稳定电力供给，同时降低船用同步发电机所产生的NOx、SOx和柴油颗粒等污染物等对港-船节能减排具有重要意义，因而在国内外港口得到广泛应用。
由于船电系统50Hz、60Hz供电频率共存，则船舶岸电变流器多采用AC-DC-AC背靠背变流器形式。其中，市电侧变流器以维持直流母线电压稳定为目标，船电侧变流器以输出频率、幅值可控的三相对称交流电为目标，是完成船-岸互联、实现不间断供电的关键单元。为保证船舶供电的连续性，岸电侧与船电侧电源多采用预同步方式完成不断电切换，然而可能会因两侧电压非理想的相位差而诱发电冲击，进而导致岸电与船电电源切换失败。
论文所解决的问题及意义
该文提出船舶岸电变流器用构网型电流矢量控制策略，其实施于锁相环确定的船电两相同步旋转坐标系中，可在无预同步的前提下完成岸电变流器无冲击自整步并入船电系统，同时通过幅频电压-矢量电流级联闭环完成对船舶岸电变流器输出电压幅值和频率的有效调控。
该控制策略可在零功率输出下确定岸电变流器输出电压相位，避免了常规下垂控制岸电变流器准整步并列中先调制建压、后并联合闸所需的预同步环节；另一方面，该控制策略利用幅频电压外环自主调节岸电变流器电流受控目标，在船电负荷转供与独立供电期间可自主填补功率缺额，维持船电侧电压幅值和频率的无差控制。
论文方法及创新点
本文提出的船舶岸电变流器的构网型电流矢量控制策略首先以常规矢量控制为基础，利用锁相环确定电网电压矢量空间以及同步旋转坐标系空间位置角，构造幅频电压闭环，以获取相应的电流受控目标；而后通过电流闭环生成岸电变流器调制电压，可完成先并联合闸、后调制建压的岸电与船电电源无冲击自整步并列。
图1 构网型电流矢量控制策略
图2给出了构网型电流矢量控制岸电变流器并列流程。在岸电变流器并联合闸后、闭环控制使能前，电压幅频外环受控目标设置为锁相环输出的幅值、频率，则此时其输出的电流受控目标始终保持为零。在岸电变流器使能瞬间，电压幅频外环受控目标u、固定为此刻锁相环输出的船电侧电压幅值、频率而不再改变。
这里需要说明，在闭环控制使能后的岸电变流器过渡过程中，由于锁相环带宽较低，锁相环输出电压幅值、频率仍维持不变，即可认为其所输出的电流受控目标始终为零，则保证了在调制建压过程中岸电变流器无过电流现象出现。在船电负荷转供完成后岸电变流器独立供电期间，岸电变流器幅值、频率受控目标可根据需求确定，并完成对所设定的船电侧幅值、频率的无差控制。
图2 构网型电流矢量控制岸电变流器并列流程
图3岸电变流器并列运行实验结果准整步并列（上图）、自整步并列（下图）
图4岸电变流器负荷转供实验结果有功功率（上图）、无功功率（下图）
图3和图4给出了岸电变流器并列运行以及负荷转供的实验结果。可见，构网型电流矢量控制自整步并列过程中无明显过渡过程，同时也避免了常规下垂控制岸电变流器先调制建压、后并联合闸所必需的预同步环节，操作简捷。
同时，在负荷转供过程中，采用构网型电流矢量控制的岸电变流器可快速响应，填补有功、无功功率缺额，平滑完成船用同步发电机到岸电变流器的负荷转供，即自主填补船用同步发电机出力以降低额度，保证船舶电力系统电压幅值和频率恒定。
结论
本文提出的船舶岸电变流器用构网型电流矢量控制策略，实施于锁相环定向的两相同步旋转坐标系中，通过幅频电压-矢量电流级联闭环，完成对岸电变流器输出电压的调控，可实现先并联合闸、后调制建压的岸电与船电电源无冲击自整步并列。
由于利用锁相环用于替代常规有功-频率环，可在零功率输出下确定岸电变流器输出电压相位，避免了常规下垂控制岸电变流器准整步过程中先调制建压、后并联合闸所必需的预同步环节，并且利用幅频电压外环自主调节岸电变流器电流受控目标，在船电负荷转供与独立供电期间可自主填补功率缺额，维持船电侧电压幅值和频率的无差控制，具备船电系统电压构建能力。
研究成员隶属于华北电力大学国家能源交通融合发展研究院，持续开展电动化交通（e-Transportation）、能源交通融合网（Trans-Energy Network）领域的研究工作。近5年来，团队出版《中国陆路交通基础设施资产能源化潜力研究》、《中国陆路交通能源融合的形态、模式与解决方案》研究专著2部，主持国家重点研发计划项目1项、课题3项，国家自然科学基金项目3项，国家发展改革委、中国工程院委托战略研究项目3项，以及国家电网、中国中车、比亚迪、潍柴动力等横向科研项目10余项。
本工作成果发表在2024年第18期《电工技术学报》，论文标题为“船舶岸电变流器用构网型电流矢量控制“。本课题得到国家重点研发计划项目的支持。
引用本文
程鹏, 王笑睿, 刘其辉, 张辉, 杨盛祥. 船舶岸电变流器用构网型电流矢量控制[J]. 电工技术学报, 2024, 39(18): 5816-5825. Cheng Peng, Wang Xiaorui, Liu Qihui, Zhang Hui, Yang Shengxiang. Grid-Forming Vector Current Control of Ship Shore Converter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(18): 5816-5825.
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