周野　焦振宏

摘? 要：近年來(lái)，電力電子、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，推動(dòng)著船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展。船舶電力系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機(jī)具有高頻率、大功率和電感小的特點(diǎn)。由于目前開(kāi)關(guān)器件的限制，傳統(tǒng)三相PWM整流器難以應(yīng)用于高電壓、大電流和高頻率的特殊場(chǎng)合。為了減小PWM整流的脈動(dòng)和電流諧波，可采用雙重三相PWM整流器拓?fù)浠蛑悬c(diǎn)鉗位式三電平PWM整流器拓?fù)?。用MATLAB/Simulink對(duì)兩種PWM整流拓?fù)溥M(jìn)行仿真，對(duì)二者的電流諧波進(jìn)行對(duì)比分析。

關(guān)鍵詞：船舶電力系統(tǒng);雙重三相拓?fù)?中點(diǎn)鉗位式三電平拓?fù)?電流諧波

中圖分類(lèi)號(hào)：TM461 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）17-0025-03

Abstract： In recent years， the progress of electric power， electronics and computer control technology promotes the development of marine power system. Permanent magnet synchronous generator （PMSG） in marine power system has the characteristics of high frequency， high power and low inductance. Due to the limitation of current switching devices， the traditional three-phase PWM rectifier is difficult to be used in special situations with high voltage， high current and high frequency. In order to reduce the pulsation and current harmonics of PWM rectifier， dual three-phase PWM rectifier topology or neutral-point clamped three-level PWM rectifier topology can be used. Two kinds of PWM rectifier topologies are simulated by MATLAB/Simulink， and the current harmonics of the two are compared and analyzed.

Keywords： marine power system; dual three-phase topology; midpoint clamped three-level topology; current harmonics

引言

與相控整流器相比，三相PWM整流器不但功率因素接近為1，而且具有重量輕、體積小、電流畸變小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但由于開(kāi)關(guān)器件的制約，傳統(tǒng)三相PWM整流器難以應(yīng)用于船舶電力系統(tǒng)等容量大、電壓高、電感小的特殊場(chǎng)合。本文針對(duì)大容量小電感PMSG-PWM整流系統(tǒng)，采用以下兩種思路進(jìn)行研究：

（1）采用雙重三相PWM整流器拓?fù)?，提高開(kāi)關(guān)頻率。

（2）采用三電平PWM整流器拓?fù)?，增加電平?shù)。

1 雙重三相PWM整流器拓?fù)?/p>

雙重三相PWM整流器拓?fù)淙鐖D1所示，在傳統(tǒng)三相PWM整流器的基礎(chǔ)上，將每個(gè)橋臂上的功率管用兩個(gè)并聯(lián)的功率管替代。

為了比較兩種整流器的諧波大小，本文基于MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建了仿真模型，并對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行分析。仿真過(guò)程中電機(jī)的參數(shù)如表1所示。

當(dāng)永磁同步發(fā)電機(jī)采用表1仿真參數(shù)，轉(zhuǎn)速給定為2200rpm，直流側(cè)輸出電壓為750V時(shí)，雙重三相PMSG-PWM整流系統(tǒng)的仿真波形如圖2所示。

圖2（a）是對(duì)A相電流波形進(jìn)行傅里葉分析以后得到的柱狀圖，圖2（b）是為永磁同步發(fā)電機(jī)A相電壓波形，圖2（c）為PMSG-PWM系統(tǒng)的輸出電壓波形，圖2（d）是發(fā)電機(jī)A相電流波形。

2 三電平PWM整流器拓?fù)?/p>

三電平PWM整流器拓?fù)淙鐖D3所示，在傳統(tǒng)三相PWM整流器的基礎(chǔ)上，將每個(gè)橋臂上的功率管用兩個(gè)串聯(lián)的功率管替代，并在功率管中點(diǎn)位置加上鉗位二極管。

當(dāng)永磁同步發(fā)電機(jī)采用表1仿真參數(shù)，轉(zhuǎn)速給定為2200rpm，直流側(cè)輸出電壓為750V時(shí)，三電平PMSG-PWM整流系統(tǒng)的仿真波形如圖4所示。

圖4（a）是對(duì)A相電流波形進(jìn)行傅里葉分析以后得到的柱狀圖，圖4（b）是三電平PWM整流器A相的電壓，圖4（c）為PMSG-PWM系統(tǒng)的輸出電壓波形，圖4（d）是線電壓波形。

3 三電平整流器與雙重三相整流器的仿真結(jié)果比較

圖5是等效5kHz下兩種拓?fù)涞腁相電流傅里葉分析結(jié)果。

圖中，兩種拓?fù)湓?kHz、2kHz、3kHz等頻率附近都會(huì)產(chǎn)生諧波，這是由開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的，可以忽略不計(jì)。雙重三相PWM整流器發(fā)電機(jī)相電流的總諧波失真（Total Harmonic Distortion，簡(jiǎn)稱THD）為4.05%，三電平PWM整流器THD值為1.93%。這兩個(gè)值都遠(yuǎn)小于相控整流時(shí)相電流THD值。雙重三相PWM整流器從提高整流器工作頻率的角度來(lái)減小諧波，而三電平PWM整流器通過(guò)增加電平數(shù)使輸出電壓更接近于正弦波。在相同的開(kāi)關(guān)頻率下， 三電平PWM整流器的諧波含量相對(duì)更小。

4 結(jié)論

雙重三相和三電平PWM整流器通過(guò)改變電路結(jié)構(gòu)使整流器可以用于大容量、高電壓、小電感的特殊場(chǎng)合。雙重三相PWM整流器控制相對(duì)簡(jiǎn)單，總諧波失真抑制效果較好，但它增加了功率管的數(shù)量導(dǎo)致成本上升。三電平PWM整流器在減少總諧波失真上效果更好，但其控制方法更加復(fù)雜，同時(shí)增加了鉗位二極管和電容等其他器件，存在中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題，增加了電路的不穩(wěn)定性。

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