船用軸帶發電機系統Z源逆變器的研究

郭建宇，劉以建，李欽峰

（上海海事大學 物流工程學院，上海201306）

0 引 言

遠洋船舶運輸占據了世界貨運量的絕大部分，支撐著經濟全球化的發展。在船舶航運費用中，燃料費用占50%～60%，特別是在航運業不景氣的今天，國際航運造船界對于節能措施的需求越來越強烈。

在遠洋船舶的輔助供電系統中，由于軸帶發電機的原動力取自燃燒劣質低價重油的主推進柴油機，其運行效率及經濟性遠高于燃燒輕油的專用柴油發電機，并且一般主機都有10%～15%的富裕功率沒有利用，因此，軸帶發電機系統的應用就顯得越發的重要。

1 軸帶發電機系統

目前國內外絕大多數船舶采用三相恒頻交流電制。沿海以及長江內河運輸船舶大多采用50Hz／380 V三相交流電制；遠洋運輸船舶多數為60Hz／440V三相交流電制，二者均為恒定頻率。但是軸帶發電機的動力系統來自于螺旋槳的轉動，而航速的大小隨海況而變，所以發電機所產生的交流電也不穩定，一般需要在發電機的輸出端加一個整流器，然后再經逆變供給船上用電設備或供給船舶推進系統，如圖1所示。

圖1 軸帶發電機并網示意圖

發電機的輸出電壓與頻率都與轉速成正比，一般來說有：

式中，U為發電機輸出電壓；E為發電機感應電動勢；f為發電機頻率；N為發電機線圈匝數；k為線圈的分布系數；φm為鐵心中主磁通的最大值；n為發電機轉速；k1為常數。

由上分析可知，發電機輸出電壓和頻率與轉速成正比。逆變器只有存在電勢差的情況下才能工作。圖2所示為軸帶發電機系統功率輸出特性。為了充分利用軸帶發電機的鐵心容量，當轉速高于75%額定轉速時，軸帶發電機允許輸出功率，轉速降低時通過軸帶發電機自身具有電壓調節器裝置，調節勵磁電流可以使得逆變器直流側電壓穩定；當轉速低于75%時，發電機磁芯飽和，發電機輸出電壓隨轉速降低而減小，從而間接導致逆變器直流側電壓過低，逆變器輸出端電壓達不到入網標準。采用傳統的晶閘管逆變器的軸帶發電機系統，當轉速低于75%時通過控制晶閘管逆變器的逆變角使輸出功率隨轉速降低而減小。

圖2 軸帶發電機系統功率輸出特性

為了解決這一問題，在采用三相PWM逆變器的軸帶發電機系統中，一般可采用電壓定向控制三相兩級式并網逆變電路，第一級采用DC／DC變流器，使直流側電壓升高；第二級采用DC／AC逆變器，將前級的直流電壓轉化為符合并網需求的交流電壓，通過控制技術使輸出電流與電網電壓同相位，從而達到較高的功率因數。圖3所示為采用兩級式三相并網逆變器的軸帶發電機系統結構。

圖3 兩級式三相并網逆變器

但是在兩級式三相并網逆變器中，由于DC／DC、DC／AC變流器具有各自獨立的結構和變換目標，兩級結構中眾多的開關器件，會導致系統的效率較低，成本增加，可靠性降低。

針對上述問題，可采用Z源逆變器代替傳統的兩級式三相并網逆變器。Z源逆變器繼續使用常規電壓源逆變器作為功率變換器，然后在直流輸入端耦合一個阻抗源，從而得到期望的升降壓功能。以下著重分析Z源逆變器的工作原理和各種運行狀態，并通過仿真驗證Z源逆變器的升壓能力。

2 Z源逆變器拓撲

Z源逆彎器結構如圖4所示，其主要結構特點是由一個二極管VD和一個阻抗網絡連接于直流電壓源和常規的電壓源逆變器中間。這個對稱的阻抗網絡由兩個相同的電感和兩個相同的電容連接成類似X形結構組成。在常規逆變器中，同一橋臂的開關管是禁止直通的，這會損壞器件進而破壞逆變器的正常工作。然而，Z源逆變器工作在非直通狀態時，電容由電源提供能量；工作在直通狀態時，能量由電容傳輸給電感，從而產生了電壓源逆變器的電壓提升能力。另外，為了防止電容電壓高于電源電壓，需加入二極管VD防止電流反向。

由對稱性可知：

圖4 Z源逆變器基本拓撲

圖5 Z源逆變器的等效電路圖

Z源逆變器工作于直通和非直通時的等效電路圖如圖5（a）、（b）所示。

當工作于直通狀態時，二極管導通，阻抗輸出側相當于一個恒定直流源：

非直通時，所示二極管關斷：

當系統進入穩態后，由伏秒平衡知電感在一個周期中的平均電壓為零，聯立式（2）、（3）求得：

式中：T0為一個開關周期中直通狀態的時間；T1為一個開關周期中非直通狀態的時間；T為開關周期。

由式（4）可得：

式中，D0為直通比。

在一個開關周期的有效矢量中，加在逆變橋的直流電壓：

對于電壓逆變單元，交流輸出相電壓基波幅值U1對直流側母線電壓Ui的增益M為：

因此Z源逆變器輸出交流相電壓為：

式中，M為調制因子，G為增益因子。

由上述分析可知，通過調節逆變器的直通占空比和調制因子M的大小就可以得到穩定的交流輸出電壓，比起傳統電壓型逆變器只能降壓的特性，擴大了整個系統的變化范圍，適應于更多的場合。

3 Z源逆變器的SPWM調制技術

傳統的電壓源逆變器最忌諱的就是在同一橋臂的上下管之間形成直通，這樣會損壞逆變器器件，但在Z源逆變器中，最重要的就是要構造出規律的直通區間。以下在基于SPWM的基礎上探討Z源逆變器的控制技術。

Z源逆變器工作在直通零矢量狀態和直通狀態對負載的作用是相同的，都是將三相負載短路，輸出電壓為零。這樣就可以用直通零矢量來代替傳統的零矢量，同時保持有效狀態的作用時間不變，從而實現Z源逆變器的升壓控制。

傳統的SPWM調制中，當采用對稱規則采樣時，每個載波周期都是由六個有效狀態中相鄰的兩個有效工作狀態和兩個傳統零狀態共同作用的，從上述Z源逆變器SPWM升壓控制的基本思想出發，利用直通矢量直接代替部分傳統矢量作用時間即可得到Z源逆變器的簡單SPWM調制。

在這種調試方式下，直通零矢量被平均分配到所有傳統零矢量中，并且它們的位置都是固定的，在傳統零矢量的正中間，此方法是在傳統的SPWM調制中利用一個等于或大于三相參考電壓峰值的直流電壓Up、Un來控制直通占空比，如圖6所示。當三角波幅值高于正恒指Up或低于Un時，逆變器進入零狀態，當三角波幅值介于Up、Un之間時，逆變器進入傳統的SPWM調制狀態。對于這種簡單的SPWM控制方法，當調制因子M變化時，占空比D0箝位于（1－M）。對于任意給定的調制因子M可得：

圖6 Z源逆變器SPWM控制技術及開關信號圖

從而可得Z源逆變器的電壓增益G

4 軸帶發電機系統Z源逆變器的仿真

軸帶發電機和直流電路由等效直流電源表示，船舶電網及負載由阻抗模型表示。仿真電路如圖7所示。

逆變器開關信號由簡單SPWM法產生，直流端輸入為150V和250V階躍電壓，三相PWM信號封裝后與主電路連接，開關頻率為10kHz，調制因子M＝0．8，直通占空比為D0＝0．2。

圖7 Z源逆變器整體仿真電路圖

如圖（8）所示，開始輸入150V電壓，0．25s后接入250V電壓，系統都能按照一定的增益對輸入進行放大并快速穩定。當輸入為150V時由圖計算分析可知：當直流輸入電壓為150V時，逆變器輸出交流基波電壓為100V，符合式（10）：

由式（5）知，電容電壓

當輸入為250V時經計算也與仿真結果相符。

圖8 仿真波形圖

5 結 語

通過仿真可以看出，在直流輸入側電壓相對較低的時候，Z源逆變器同樣能夠得到較高的輸出電壓；當輸入電壓有波動時能夠快速進入穩態，同時可以得到一些傳統電壓源和電流源逆變器所無法得到的新特性。另外，其從本質上作為單級系統，具有單級逆變器的結構簡單，高效率等優點。因此Z源逆變器在軸帶發電機、光伏發電和燃料電池等輸出電壓變化范圍比較大的場合具有較強的實用性。

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