節(jié)能及環(huán)境保護的需求使得船舶不斷提高其對傳統(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用。清潔能源如風能、太陽能等通過電力變換器接入船舶電站，是船舶電能的一個有益補充，并且通過儲能系統(tǒng)，把柴油發(fā)電機的電能進行存儲，為柴油發(fā)電機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行能量變換，還可以參與船舶電網電壓和頻率的調節(jié)。事實上，用逆變器調節(jié)微電網電壓和頻率在陸地電網中已經得到大量研究，當電網負載變化時，電網頻率和電壓均出現(xiàn)不同程度的波動，通過并網逆變器的快速補償作用能夠削弱負載突變的影響。

例如：文獻[2]利用并網逆變器實現(xiàn)功率補償，提高電網故障情況下的性能。文獻[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[4]通過無功功率協(xié)調控制提高節(jié)點電壓穩(wěn)定性。文獻[5-6]則采用虛擬同步機（Virtual Synchronous Generator, VSG）技術穩(wěn)定電網電壓和頻率。文獻[7]通過一種電壓型功率控制同時調節(jié)電網電壓和頻率。

上述方法由于應用于傳統(tǒng)電網，能夠獲取的信息僅僅是電網頻率和電壓，在實際應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，前者實現(xiàn)起來成本較高，即使采用等效計算也需要實時采集大量電網參數(shù)，而后者則容易引起功率振蕩，需要精心設計控制參數(shù)，并適應不同負載情況，算法較為復雜。

在由柴油發(fā)電機構建的微電網中同樣面臨著柴油機與逆變器的協(xié)調控制問題。由于柴油發(fā)電機調整過程慢，對能量瞬時突變的適應能力差，逆變器可以利用其能量控制的快速性，抵消負載能量的突變，從而提高微網運行的穩(wěn)定性。

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

實際應用中，并網逆變器和柴油機還應考慮工作模式及其切換問題，二者既可以獨立工作也可以協(xié)同運行，類似的陸地微網中也要考慮并網與孤島兩種運行模式問題。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)實現(xiàn)，也可以采用同一種控制方法以適應不同工作狀態(tài)，但控制器參數(shù)或結構通常也需要調整。

就并網而言，兩電網并入前進行預同步處理是一個容易實現(xiàn)的方法，有利于減少并網沖擊。在柴油發(fā)電機微網應用中，文獻[15]探討了柴油機與逆變器協(xié)調工作的幾種模式，但對各種模式下的控制方法缺乏深入研究。文獻[16]研究了并網逆變器與柴油發(fā)電機不同模式下的協(xié)調控制問題，對并網逆變器采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)的控制策略，特別研究了柴油發(fā)電機與逆變器工作模式切換問題，柴油機并網采用了預同步技術，但是該文沒有研究負載對系統(tǒng)的影響。

相對于陸地電網，船舶電站有其特殊性。首先船舶電站中發(fā)電機和并網逆變器數(shù)量少，進行各種狀態(tài)切換時要保證網上至少有一臺設備在持續(xù)供電；其次逆變器和柴油發(fā)電機容量相當且和負載匹配，設備離/并網容易對電網造成沖擊；此外，船舶電站中電能傳統(tǒng)上由柴油發(fā)電機產生，為減小系統(tǒng)噸位，柴油發(fā)電機容量與負載相匹配，電網電壓與頻率極易受負載突變的影響。

針對上述問題，并且考慮到現(xiàn)有船舶電網中發(fā)電機組與負載的控制都集中在船舶電站集控室中，各設備運行參數(shù)容易獲得，本文提出一種船舶柴油發(fā)電機與并網逆變器協(xié)調運行的控制策略：通過負載電流全前饋，解決并網逆變器獨立運行時的負載突變問題；通過提取負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)電機協(xié)調運行時的負載突變問題；通過狀態(tài)鎖定方法解決柴油發(fā)電機離/并網過程中的功率動蕩和不穩(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)電機參數(shù)匹配問題以及不同負載情況下并網的電流沖擊問題，最后給出了系統(tǒng)整體離/并網控制策略。該控制策略為船舶電站中并網逆變器與柴油發(fā)電機組間的協(xié)調控制提供了整套可行方案，提高了船舶電網運行的可靠性與穩(wěn)定性。

圖9 狀態(tài)預鎖定離、并網切換技術

圖10 整體控制框圖（d軸）

圖21 實驗平臺

結論

針對船舶電站中逆變器與柴油發(fā)電機組協(xié)調工作問題，研究了逆變器在孤網、并網、離/并網切換等過程中的控制方法。相比于傳統(tǒng)控制方法，本文結合船舶電站參數(shù)集中的特點，提出了基于負載電流參數(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，針對并網逆變器孤網運行模式，通過推導電網電壓閉環(huán)傳遞函數(shù)，提出了負載電流全前饋的控制方法，以提高逆變器對負載劇烈變化的穩(wěn)定性和適應能力。

其次，針對逆變器與柴油發(fā)電機的協(xié)調運行模式，提出一種負載瞬時電流前饋方法。根據(jù)柴油發(fā)電機組的頻率與電壓控制頻率特性，設計了一種負載電流動態(tài)分量提取方法，并前饋到逆變器電流控制指令。這樣當負載有功或者無功劇烈變化時，逆變器能迅速補償負載電流的變化量，并逐漸把負荷轉移到柴油發(fā)電機。采用這種方法提高了協(xié)調工作模式下電網頻率與電壓的穩(wěn)定性。

針對不同模式之間的切換過程，分析了柴油發(fā)電機離/并網過程的沖擊電流及對電網的影響，并根據(jù)不同參數(shù)獲取條件，在柴油發(fā)電機并網時提出了預同步方法與參數(shù)預鎖定方法，在柴油發(fā)電機離網時提出了轉移負荷方法與狀態(tài)預先切換方法。通過這些方法，克服柴油發(fā)電機離/并網時，接觸器動作時間不能確定，造成瞬間電參數(shù)變化過大問題。

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