一種適用于艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的對稱混合五電平拓?fù)浼捌淇刂撇呗?/h1>
2019-07-25 01:20許曉暉劉念洲鄭澤東李永東
船電技術(shù) 2019年7期
許曉暉，王 奎，劉念洲，鄭澤東，李永東
一種適用于艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的對稱混合五電平拓?fù)浼捌淇刂撇呗?/p>
許曉暉1，王 奎2，劉念洲1，鄭澤東2，李永東2
（1. 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 436000；2. 清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）
為了滿足艦船中壓直流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)對中壓大容量推進(jìn)變頻器的需求，本文提出了一種適用于多相開繞組電機(jī)的對稱混合五電平拓?fù)?，每一相電路均由一個(gè)高頻DC/DC單元和一個(gè)高壓H橋單元組成。介紹了其工作原理和調(diào)制方法，針對其母線中點(diǎn)電壓平衡問題，提出了一種微調(diào)PWM脈沖占空比的中點(diǎn)電壓平衡控制方法。仿真結(jié)果表明該拓?fù)浼捌淇刂品椒ㄕ_、有效。
艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng) 多電平變換器 中點(diǎn)電壓平衡
0 引言
艦船綜合電力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全艦?zāi)芰康木C合利用，被譽(yù)為是艦船動(dòng)力的第三次革命[1, 2]。而中壓直流系統(tǒng)具有更高的功率密度和運(yùn)行靈活性，代表著艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[2-4]。電力推進(jìn)系統(tǒng)作為其中最主要的負(fù)載，其功率約占全艦功率的80% ～ 90%以上[2]，因此其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是中壓大容量推進(jìn)變頻器。
為了適應(yīng)目前中壓直流綜合電力系統(tǒng)3~5 kV DC電壓等級(jí)，同時(shí)提高推進(jìn)變頻器的輸出波形質(zhì)量，通?？刹捎枚O管箝位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而為了減小推進(jìn)電機(jī)體積、提高效率和轉(zhuǎn)矩密度，推進(jìn)電機(jī)通常采用多相電機(jī)。因此，為了適應(yīng)多相電機(jī)場合并提高直流母線電壓利用率，可采用兩個(gè)三電平橋臂接成H橋形式給一個(gè)多相電機(jī)繞組供電，如圖1(a)所示[5]，每相輸出為五電平。但是二極管箝位拓?fù)浯嬖陂_關(guān)管發(fā)熱不均衡、換流回路長、緩沖吸收電路復(fù)雜等問題。為解決這個(gè)問題，可將二極管箝位拓?fù)渲械亩O管替換為有源開關(guān)管，如圖1(b)所示。這樣可增加零電平時(shí)的換流路徑，開關(guān)管損耗更均衡[6,7]。
在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步做了改進(jìn)，提出了一種對稱混合五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。每相橋臂由兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成，前級(jí)為高頻DC/DC單元，后級(jí)為高壓H橋單元。高頻DC/DC變換器使用4只低壓開關(guān)器件，只承受一半的直流母線電壓，工作在高開關(guān)頻率，而高壓H橋單元采用4只高壓器件，承受整個(gè)直流母線電壓，工作在基波頻率。與圖1(b)結(jié)構(gòu)相比，在器件耐壓等級(jí)相同的情況下，兩種拓?fù)涿肯嚯娐肥褂玫拈_關(guān)器件總數(shù)量相等。但是對稱混合五電平拓?fù)淇梢曰旌鲜褂貌煌_關(guān)速度和耐壓等級(jí)的開關(guān)器件，前級(jí)高頻DC/DC單元可采用載波移相PWM，開關(guān)損耗均衡，換流回路短，緩沖吸收電路簡單，可采用SiC Mosfet；后級(jí)高壓H橋單元工作在基波頻率，且可實(shí)現(xiàn)零電壓開通和關(guān)斷，開關(guān)損耗小，可采用高壓IGBT或IGCT。因此，本文所提出的對稱混合五電平拓?fù)湓诙嘞嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)場合具有很大的優(yōu)勢。
2 工作原理與特性分析
如圖1(c)所示，本文所提出的對稱混合五電平拓?fù)浞譃閮杉?jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)為高頻DC/DC單元，由兩個(gè)半橋單元串聯(lián)得到三電平直流輸出；后級(jí)為高壓H橋單元，用于翻轉(zhuǎn)前級(jí)的直流電壓從而得到交流輸出。其基本工作原理如下：
1）開關(guān)Sx1–Sx4與Sx1'–Sx4'分別工作在互補(bǔ)狀態(tài)；
2）H橋單元工作在雙極調(diào)制狀態(tài)，即Sx3和Sx4'同時(shí)開通和關(guān)斷，Sx3'和Sx4同時(shí)開通和關(guān)斷。
假設(shè)直流母線每個(gè)電容的額定電壓均為E，基于上述開關(guān)原則，該拓?fù)湟还灿?種開關(guān)狀態(tài)，可輸出五種不同電平，如表1所示。
定義開關(guān)Sx1–Sx4的開關(guān)函數(shù)為fx1–fx4，由于高壓H橋單元的作用是電壓翻轉(zhuǎn)，工作在基波頻率，假設(shè)輸出參考電壓為ox，則Sx3和Sx4的開關(guān)函數(shù)為：
根據(jù)表1，高頻DC/DC單元的輸出電壓dx可表示為：
經(jīng)過高壓H橋單元變換后的輸出電壓ox為
表1 高頻DC/DC單元開關(guān)狀態(tài)
此時(shí)前級(jí)高頻DC/DC單元的參考電壓refx可表示為：
由于Sx1和Sx2的工作狀態(tài)可獨(dú)立控制，根據(jù)式(2)，前級(jí)高頻DC/DC單元可采用載波移相調(diào)制策略，開關(guān)Sx1Sx2的載波相位差180°，其開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓如圖2所示。
圖2 調(diào)制策略與輸出電壓示意圖
3 電容電壓平衡策略
該拓?fù)湔９ぷ鞯那疤崾侵绷髂妇€中點(diǎn)電壓保持平衡。假設(shè)高頻DC/DC單元的輸出電流為dx，則直流母線中性點(diǎn)電流可表示為：
定義開關(guān)函數(shù)fx1和fx2在一個(gè)載波周期內(nèi)的占空比為x1和x2，根據(jù)式(2)，前級(jí)高頻DC/DC單元在一個(gè)載波周期內(nèi)的平均輸出電壓可表示為：
假設(shè)載波頻率足夠高，且負(fù)載電流在一個(gè)控制周期內(nèi)保持不變，則母線中點(diǎn)電流在一個(gè)載波周期內(nèi)的平均值可表示為
當(dāng)采用PSPWM時(shí)，由于參考電壓在一個(gè)控制周期內(nèi)保持不變，因此兩個(gè)開關(guān)管的占空比為：
將式(8)代入式(7)可知，在理想情況下，母線中點(diǎn)電流在一個(gè)載波周期內(nèi)的平均值為零。即在理想情況下母線中點(diǎn)電壓可保持自然平衡，這是該拓?fù)淠軌驅(qū)嵱玫睦碚摶A(chǔ)。
但是在實(shí)際應(yīng)用中，存在開關(guān)頻率不夠高、死區(qū)、負(fù)載不對稱等非理想因素，需要對電容電壓進(jìn)行主動(dòng)的平衡控制。從式(7)可知，母線中點(diǎn)電流取決于負(fù)載電流和兩個(gè)開關(guān)管的占空比，通過微調(diào)x1、x2的大小就可以實(shí)現(xiàn)母線中點(diǎn)的電壓平衡控制。
假設(shè)母線電容電壓cd2>cd1，dx> 0，根據(jù)式(7)需要增大x2減小x1，從而對電容Cd2放電Cd1充電。為了不影響平均輸出電壓，根據(jù)式(6)，兩個(gè)占空比之和必須保持不變。因此對x1和x2的調(diào)整如下：
此時(shí)的中點(diǎn)平均電流為：
其中Δx為占空比的微調(diào)量，可由一個(gè)PI調(diào)節(jié)器得到。從式(10)可以看出，經(jīng)過微調(diào)占空比，根據(jù)需要可以產(chǎn)生一個(gè)正或負(fù)向的母線中點(diǎn)電流對母線電容進(jìn)行充放電，從而實(shí)現(xiàn)母線中點(diǎn)電壓的平衡控制。
4 仿真結(jié)果
為驗(yàn)證所提出的拓?fù)渑c控制策略的正確性，基于MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建了一套對稱混合五電平逆變器模型帶阻感負(fù)載進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表2。
表2 仿真參數(shù)
圖3 輸出相電壓
圖4 輸出相電流
圖5 直流母線電容電壓
圖6 直流母線電容電壓波動(dòng)細(xì)節(jié)
圖3~圖6為穩(wěn)態(tài)情況下調(diào)制比= 0.9時(shí)的仿真波形。圖3是五電平的相電壓，圖4是五相輸出電流波形，仿真結(jié)果表明該拓?fù)涫强尚械?。圖5是直流母線電容電壓波形，兩個(gè)電容電壓均保持在額定電壓2500 V附近波動(dòng)，表明所提出的母線電容電壓平衡控制策略是有效的。圖6是電容電壓波動(dòng)細(xì)節(jié)，可以看出電容電壓波動(dòng)頻率為載波頻率，載波頻率越高，電容電壓波動(dòng)越小。
圖7為調(diào)制比突變情況下的母線電容電壓平衡控制效果，調(diào)制比從0.2逐步增加到0.4、0.6、0.8和1.0?？梢钥闯觯谡麄€(gè)過程中母線兩個(gè)電容電壓均保持平衡，證明了所提出的電壓平衡控制策略在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下都是有效的。
5 結(jié)論
中壓大容量推進(jìn)變頻器是艦船中壓直流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，針對這個(gè)難題本文提出了一種對稱混合五電平拓?fù)?，每相包括一個(gè)高頻DC/DC單元和一個(gè)高壓H橋單元，高頻DC/DC單元采用低壓器件工作在載波頻率，高壓H橋單元采用高壓器件工作在基波頻率，可零電壓開通和關(guān)斷。本文分析了該拓?fù)涞墓ぷ髟砗驼{(diào)制策略，建立了開關(guān)函數(shù)模型，得出了母線中點(diǎn)電壓在理想情況下可保持自平衡的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種微調(diào)PWM脈沖占空比的中點(diǎn)電壓平衡控制方法。仿真結(jié)果表明該拓?fù)浼捌淇刂品椒ㄕ_、有效。
圖7 調(diào)制比突變情況下的電容電壓平衡效果
[1] 馬偉明. 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)[J]．海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 14(6): 1-5, 9．
[2] 馬偉明. 艦船綜合電力系統(tǒng)中的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)[J].電氣工程學(xué)報(bào), 2015, 10(4): 3-10.
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Topology and Control of a Symmetrical Hybrid Five-level Inverter for Vessel Integrated Electric Propulsion System
Xu Xiaohui1, Wang Kui2,Liu Nianzhou1, Zheng Zedong2, Li Yongdong2
(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Wuhan 436000, China; 2. State Key Lab of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
U664.14
A
1003-4862（2019）07-0005-04
2018-12-13
許曉暉(1981-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：多電平變換器、船舶綜合電力系統(tǒng)。E-mail: 13696855@qq.com
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許曉暉1，王 奎2，劉念洲1，鄭澤東2，李永東2
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艦船綜合電力系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全艦?zāi)芰康木C合利用，被譽(yù)為是艦船動(dòng)力的第三次革命[1, 2]。而中壓直流系統(tǒng)具有更高的功率密度和運(yùn)行靈活性，代表著艦船綜合電力系統(tǒng)的發(fā)展方向[2-4]。電力推進(jìn)系統(tǒng)作為其中最主要的負(fù)載，其功率約占全艦功率的80% ～ 90%以上[2]，因此其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是中壓大容量推進(jìn)變頻器。
為了適應(yīng)目前中壓直流綜合電力系統(tǒng)3~5 kV DC電壓等級(jí)，同時(shí)提高推進(jìn)變頻器的輸出波形質(zhì)量，通?？刹捎枚O管箝位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而為了減小推進(jìn)電機(jī)體積、提高效率和轉(zhuǎn)矩密度，推進(jìn)電機(jī)通常采用多相電機(jī)。因此，為了適應(yīng)多相電機(jī)場合并提高直流母線電壓利用率，可采用兩個(gè)三電平橋臂接成H橋形式給一個(gè)多相電機(jī)繞組供電，如圖1(a)所示[5]，每相輸出為五電平。但是二極管箝位拓?fù)浯嬖陂_關(guān)管發(fā)熱不均衡、換流回路長、緩沖吸收電路復(fù)雜等問題。為解決這個(gè)問題，可將二極管箝位拓?fù)渲械亩O管替換為有源開關(guān)管，如圖1(b)所示。這樣可增加零電平時(shí)的換流路徑，開關(guān)管損耗更均衡[6,7]。
在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步做了改進(jìn)，提出了一種對稱混合五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1(c)所示。每相橋臂由兩級(jí)結(jié)構(gòu)組成，前級(jí)為高頻DC/DC單元，后級(jí)為高壓H橋單元。高頻DC/DC變換器使用4只低壓開關(guān)器件，只承受一半的直流母線電壓，工作在高開關(guān)頻率，而高壓H橋單元采用4只高壓器件，承受整個(gè)直流母線電壓，工作在基波頻率。與圖1(b)結(jié)構(gòu)相比，在器件耐壓等級(jí)相同的情況下，兩種拓?fù)涿肯嚯娐肥褂玫拈_關(guān)器件總數(shù)量相等。但是對稱混合五電平拓?fù)淇梢曰旌鲜褂貌煌_關(guān)速度和耐壓等級(jí)的開關(guān)器件，前級(jí)高頻DC/DC單元可采用載波移相PWM，開關(guān)損耗均衡，換流回路短，緩沖吸收電路簡單，可采用SiC Mosfet；后級(jí)高壓H橋單元工作在基波頻率，且可實(shí)現(xiàn)零電壓開通和關(guān)斷，開關(guān)損耗小，可采用高壓IGBT或IGCT。因此，本文所提出的對稱混合五電平拓?fù)湓诙嘞嚯姍C(jī)驅(qū)動(dòng)場合具有很大的優(yōu)勢。
2 工作原理與特性分析
如圖1(c)所示，本文所提出的對稱混合五電平拓?fù)浞譃閮杉?jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí)為高頻DC/DC單元，由兩個(gè)半橋單元串聯(lián)得到三電平直流輸出；后級(jí)為高壓H橋單元，用于翻轉(zhuǎn)前級(jí)的直流電壓從而得到交流輸出。其基本工作原理如下：
1）開關(guān)Sx1–Sx4與Sx1'–Sx4'分別工作在互補(bǔ)狀態(tài)；
2）H橋單元工作在雙極調(diào)制狀態(tài)，即Sx3和Sx4'同時(shí)開通和關(guān)斷，Sx3'和Sx4同時(shí)開通和關(guān)斷。
假設(shè)直流母線每個(gè)電容的額定電壓均為E，基于上述開關(guān)原則，該拓?fù)湟还灿?種開關(guān)狀態(tài)，可輸出五種不同電平，如表1所示。
定義開關(guān)Sx1–Sx4的開關(guān)函數(shù)為fx1–fx4，由于高壓H橋單元的作用是電壓翻轉(zhuǎn)，工作在基波頻率，假設(shè)輸出參考電壓為ox，則Sx3和Sx4的開關(guān)函數(shù)為：
根據(jù)表1，高頻DC/DC單元的輸出電壓dx可表示為：
經(jīng)過高壓H橋單元變換后的輸出電壓ox為
表1 高頻DC/DC單元開關(guān)狀態(tài)
此時(shí)前級(jí)高頻DC/DC單元的參考電壓refx可表示為：
由于Sx1和Sx2的工作狀態(tài)可獨(dú)立控制，根據(jù)式(2)，前級(jí)高頻DC/DC單元可采用載波移相調(diào)制策略，開關(guān)Sx1Sx2的載波相位差180°，其開關(guān)狀態(tài)和輸出電壓如圖2所示。
圖2 調(diào)制策略與輸出電壓示意圖
3 電容電壓平衡策略
該拓?fù)湔９ぷ鞯那疤崾侵绷髂妇€中點(diǎn)電壓保持平衡。假設(shè)高頻DC/DC單元的輸出電流為dx，則直流母線中性點(diǎn)電流可表示為：
定義開關(guān)函數(shù)fx1和fx2在一個(gè)載波周期內(nèi)的占空比為x1和x2，根據(jù)式(2)，前級(jí)高頻DC/DC單元在一個(gè)載波周期內(nèi)的平均輸出電壓可表示為：
假設(shè)載波頻率足夠高，且負(fù)載電流在一個(gè)控制周期內(nèi)保持不變，則母線中點(diǎn)電流在一個(gè)載波周期內(nèi)的平均值可表示為
當(dāng)采用PSPWM時(shí)，由于參考電壓在一個(gè)控制周期內(nèi)保持不變，因此兩個(gè)開關(guān)管的占空比為：
將式(8)代入式(7)可知，在理想情況下，母線中點(diǎn)電流在一個(gè)載波周期內(nèi)的平均值為零。即在理想情況下母線中點(diǎn)電壓可保持自然平衡，這是該拓?fù)淠軌驅(qū)嵱玫睦碚摶A(chǔ)。
但是在實(shí)際應(yīng)用中，存在開關(guān)頻率不夠高、死區(qū)、負(fù)載不對稱等非理想因素，需要對電容電壓進(jìn)行主動(dòng)的平衡控制。從式(7)可知，母線中點(diǎn)電流取決于負(fù)載電流和兩個(gè)開關(guān)管的占空比，通過微調(diào)x1、x2的大小就可以實(shí)現(xiàn)母線中點(diǎn)的電壓平衡控制。
假設(shè)母線電容電壓cd2>cd1，dx> 0，根據(jù)式(7)需要增大x2減小x1，從而對電容Cd2放電Cd1充電。為了不影響平均輸出電壓，根據(jù)式(6)，兩個(gè)占空比之和必須保持不變。因此對x1和x2的調(diào)整如下：
此時(shí)的中點(diǎn)平均電流為：
其中Δx為占空比的微調(diào)量，可由一個(gè)PI調(diào)節(jié)器得到。從式(10)可以看出，經(jīng)過微調(diào)占空比，根據(jù)需要可以產(chǎn)生一個(gè)正或負(fù)向的母線中點(diǎn)電流對母線電容進(jìn)行充放電，從而實(shí)現(xiàn)母線中點(diǎn)電壓的平衡控制。
4 仿真結(jié)果
為驗(yàn)證所提出的拓?fù)渑c控制策略的正確性，基于MATLAB/Simulink平臺(tái)搭建了一套對稱混合五電平逆變器模型帶阻感負(fù)載進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表2。
表2 仿真參數(shù)
圖3 輸出相電壓
圖4 輸出相電流
圖5 直流母線電容電壓
圖6 直流母線電容電壓波動(dòng)細(xì)節(jié)
圖3~圖6為穩(wěn)態(tài)情況下調(diào)制比= 0.9時(shí)的仿真波形。圖3是五電平的相電壓，圖4是五相輸出電流波形，仿真結(jié)果表明該拓?fù)涫强尚械?。圖5是直流母線電容電壓波形，兩個(gè)電容電壓均保持在額定電壓2500 V附近波動(dòng)，表明所提出的母線電容電壓平衡控制策略是有效的。圖6是電容電壓波動(dòng)細(xì)節(jié)，可以看出電容電壓波動(dòng)頻率為載波頻率，載波頻率越高，電容電壓波動(dòng)越小。
圖7為調(diào)制比突變情況下的母線電容電壓平衡控制效果，調(diào)制比從0.2逐步增加到0.4、0.6、0.8和1.0?？梢钥闯觯谡麄€(gè)過程中母線兩個(gè)電容電壓均保持平衡，證明了所提出的電壓平衡控制策略在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)情況下都是有效的。
5 結(jié)論
中壓大容量推進(jìn)變頻器是艦船中壓直流綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，針對這個(gè)難題本文提出了一種對稱混合五電平拓?fù)?，每相包括一個(gè)高頻DC/DC單元和一個(gè)高壓H橋單元，高頻DC/DC單元采用低壓器件工作在載波頻率，高壓H橋單元采用高壓器件工作在基波頻率，可零電壓開通和關(guān)斷。本文分析了該拓?fù)涞墓ぷ髟砗驼{(diào)制策略，建立了開關(guān)函數(shù)模型，得出了母線中點(diǎn)電壓在理想情況下可保持自平衡的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種微調(diào)PWM脈沖占空比的中點(diǎn)電壓平衡控制方法。仿真結(jié)果表明該拓?fù)浼捌淇刂品椒ㄕ_、有效。
圖7 調(diào)制比突變情況下的電容電壓平衡效果
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Topology and Control of a Symmetrical Hybrid Five-level Inverter for Vessel Integrated Electric Propulsion System
Xu Xiaohui1, Wang Kui2,Liu Nianzhou1, Zheng Zedong2, Li Yongdong2
(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Wuhan 436000, China; 2. State Key Lab of Control and Simulation of Power System and Generation Equipments, Dept. of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China)
U664.14
A
1003-4862（2019）07-0005-04
2018-12-13
許曉暉(1981-)，男，高級(jí)工程師。研究方向：多電平變換器、船舶綜合電力系統(tǒng)。E-mail: 13696855@qq.com
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