章建峰+張艷軍+楊禎+戴訓(xùn)龍

摘 要： 討論船舶單相交流負(fù)載的特性情況，重點(diǎn)研究能夠承受船舶220 V交流非線性負(fù)載引起的強(qiáng)沖擊電流的高性能逆變技術(shù)，通過電壓開環(huán)伯德圖對比分析數(shù)/?；旌峡刂撇呗耘c數(shù)字控制策略的響應(yīng)速度，并搭建一臺220 V/10 kW的單相全橋逆變電源樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了船舶抗負(fù)載沖擊高性能逆變技術(shù)的可行性。

關(guān)鍵詞： 船舶； 單極倍頻； 沖擊電流； 單相逆變電源

中圖分類號： TN705?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0039?03

0 引 言

DC?AC逆變技術(shù)是將直流電能變換成交流電能的變流技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國的太陽能發(fā)電、航空航天、船舶等各個(gè)領(lǐng)域[1?3]。逆變技術(shù)種類繁多，其中使用場合最多、應(yīng)用最穩(wěn)定的當(dāng)屬電壓源全橋拓?fù)淠孀兗夹g(shù)[4?6]。目前，我國船舶上電力、動(dòng)力系統(tǒng)的監(jiān)控裝置大量使用單相交流電源，但負(fù)載特性比較惡劣，負(fù)載多數(shù)為非線性負(fù)載，電流波峰因數(shù)可達(dá)3∶1，負(fù)載突加帶來的沖擊電流可達(dá)20倍額定電流值，且要求逆變電源不保護(hù)停機(jī)，輸出電壓暫降不大于5 ms。電壓單環(huán)控制方法帶非線性負(fù)載能力差，輸出電壓諧波大，難以滿足要求。常規(guī)的數(shù)字電壓電流雙環(huán)控制方法提高了帶非線性負(fù)載的能力，但由于數(shù)字延時(shí)降低了系統(tǒng)的控制帶寬，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢，負(fù)載突加沖擊電流使輸出電壓暫降大于5 ms，也不滿足船舶負(fù)載對逆變電源的要求。

為了滿足船上220 V非線性負(fù)載特殊的使用要求，并且逆變電源能夠承受20倍額定電流的沖擊，保證負(fù)載順利啟動(dòng)及掛網(wǎng)負(fù)載正常工作，本文提出了一種新的船舶抗負(fù)載沖擊高性能逆變技術(shù)；采用基于單極倍頻SPWM調(diào)制的電壓電流雙環(huán)數(shù)/?；旌峡刂撇呗?，電壓電流環(huán)由模擬實(shí)現(xiàn)，無數(shù)字控制的延時(shí)，單極倍頻SPWM調(diào)制等效開關(guān)頻率是開關(guān)頻率的2倍，控制帶寬高，電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)速度快。通過搭建一臺220 V/10 kW的單相逆變電源用作實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的控制策略具有較好的抗負(fù)載沖擊能力。

1 單相逆變電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單相逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，單相逆變電源由單相全橋、隔離變壓器、輸出濾波電感和電容構(gòu)成。單相全橋的開關(guān)器件為IGBT，隔離變壓器將直流側(cè)電源與交流側(cè)負(fù)載電氣隔離，輸出濾波電感、電容濾除高次開關(guān)諧波。

2 船舶抗負(fù)載沖擊高性能逆變技術(shù)

本文研究的高性能逆變技術(shù)，控制策略采用基于單極倍頻SPWM調(diào)制的電壓電流雙環(huán)數(shù)/?；旌峡刂萍夹g(shù)，開關(guān)頻率20 kHz，原理示意圖如圖2所示。DSP通過DA芯片產(chǎn)生的指令電壓和輸出電壓[uo（s）]作差經(jīng)PI控制器[G1（s）]形成電壓環(huán)，電壓環(huán)輸出為電流環(huán)的給定，電流環(huán)輸出的調(diào)制波與三角載波進(jìn)行單極倍頻調(diào)制，生成的PWM驅(qū)動(dòng)IGBT。

圖1 逆變電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 逆變電路原理示意圖

單相全橋輸出電壓[uab（t）]的基波[uab1（t）]與調(diào)制波[ug（t）]有如下關(guān)系：

[uab1（t）=UdUcmug（t）=kmug（t）] （1）

式中[km]為直流母線電壓[Ud]與三角載波幅值[Ucm]之比。

由拉氏變換可得，逆變器主電路傳遞函數(shù)：

[uab1（s）ug（s）=km] （2）

經(jīng)過理想變壓器后，輸出電壓基波為[uab1′（s）]，變壓器變比[kT]，則有：

[uab1′sugs=kT·uab1sugs=kmkT] （3）

變壓器副邊與負(fù)載之間，由變壓器漏感和濾波電容構(gòu)成[LC]低通濾波器，則負(fù)載上電壓[uo（s）]與[uab1′（s）]的傳遞函數(shù)為：

[uo（s）uab1′（s）=1LCs2+rC+LRLs+rRL+1] （4）

式中：[r]為變壓器擇算到副邊的內(nèi)阻；[RL]為負(fù)載電阻。由式（1）～式（4）可得單極倍頻SPWM逆變電路開環(huán)傳遞函數(shù)[G（s）]為：

[Gs=uosugs=kmkTLCs2+rC+LRs+rR+1] （5）

濾波電感電流[iL（s）]對變壓器輸出電壓基波[uab1′（s）]的傳遞函數(shù)[Gi（s）]為：

[Gi（s）=iL（s）uab1′（s）=1LCs2+rC+LRLs+rRL+1·RLCs+1RL] （6）

輸出電壓[uo（s）]對濾波電感電流[iL（s）]的傳遞函數(shù)[Gv（s）]為：

[Gv（s）=uo（s）iL（s）=RLRLCs+1] （7）

因此可得逆變電源的控制系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

圖3 逆變電路控制系統(tǒng)框圖

通過對電流環(huán)和電壓環(huán)的設(shè)計(jì)，得到數(shù)/?；旌峡刂坪蛿?shù)字控制電壓開環(huán)的伯德圖如圖4所示。數(shù)/?；旌峡刂频南到y(tǒng)截止頻率為1 100 Hz，相角裕度為35°；數(shù)字控制的系統(tǒng)截止頻率為800 Hz， 相角裕度為1°，處于不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)。可見數(shù)/?；旌峡刂茙捀?，相應(yīng)速度更快，更穩(wěn)定。

圖4 單相逆變電源電壓開環(huán)伯德圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證理論研究的正確性，搭建了一臺220 V/10 kW單相船舶抗負(fù)載沖擊高性能逆變器樣機(jī)，電壓源采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，單極性倍頻SPWM調(diào)制電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)/?；旌峡刂萍夹g(shù)，IGBT為CM200DY?12NF，隔離變壓器變比為1∶2，濾波電感為3 mH，濾波電容為50 μF，開關(guān)頻率10 kHz，等效開關(guān)頻率為20 kHz，輸出接不控整流橋接阻容型負(fù)載，電容值1 000 μF/400 V，示波器為泰克TPS2012。

圖5所示為樣機(jī)帶不控整流橋接電解電容非線性負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形，由圖可知，負(fù)載電流波峰因數(shù)達(dá)3∶1。圖6為樣機(jī)突加不控整流橋接電解電容非線性負(fù)載試驗(yàn)波形，由圖可知，負(fù)載沖擊電流迅速上升超過400 A，逆變電壓瞬間跌落，控制系統(tǒng)迅速閉環(huán)動(dòng)作，2 ms內(nèi)逆變電壓基本恢復(fù)正常，不影響負(fù)載正常啟動(dòng)，也不會影響掛網(wǎng)負(fù)載正常工作。

圖5 非線性負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形

圖6 非線性負(fù)載突加實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié) 語

本文針對船舶單相非線性負(fù)載高的電流波峰因數(shù)及突加時(shí)大電流沖擊的實(shí)際情況，研究了基于單極性倍頻SPWM調(diào)制的電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)/?；旌峡刂频母咝阅苣孀兗夹g(shù)。研究結(jié)果表明數(shù)/?；旌峡刂票葦?shù)字控制響應(yīng)速度快，大電流沖擊下電壓恢復(fù)迅速，十分適合應(yīng)用在船舶惡劣工況，最后實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證了船舶抗負(fù)載沖擊高性能逆變技術(shù)的可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳堅(jiān).電力電子學(xué)：電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 陳道煉.DC?AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3] BAO Chenlei， RUAN Xinbo， WANG Xuehua， et al.Design of injected grid current regulator and capacitor?current?feedback active?damping for LCL?type grid?connected inverter [C]// Proceedings of IEEE Energy Conversion Conference and Exposition. North Carolina， USA： IEEE， 2012： 579?586.

[4] 章建峰.電力電子主回路設(shè)計(jì)技術(shù)及控制策略技術(shù)研究[J].船舶工程，2007（3）：13?17.

[5] DANNEHL J， LISERRE M， FUCHS F.Filter?based active damping of voltage source converters with LCL??lter [J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（8）： 3623?3633.

[6] 朱晉，韋統(tǒng)振，李東，等.全橋變橋臂電壓源變流器拓?fù)鋮?shù)及恒壓策略研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33（21）：26?35.