基于逆變技術的應急供電裝置設計

代妮娜

(重慶三峽學院 信號與信息處理重點實驗室，重慶 404000)

基于逆變技術的應急供電裝置設計

代妮娜

(重慶三峽學院 信號與信息處理重點實驗室，重慶 404000)

摘要：為了保證船舶的運行安全，一般船舶的供電系統在主電源之外，都設置有應急供電裝置。在發生突發狀況時，船舶的主發電機發生故障,導致供電電源中斷，應急供電裝置替代主電源進行供電。船舶應急供電裝置可以向船舶上重要的應急用電負載進行供電，來保障船舶應急控制和船上人員安全。本文以蓄電池組作為應急電源，采用逆變技術，設計了一種應急供電裝置。

關鍵詞：應急供電；逆變；數字控制

0引言

我國《鋼質海船建造與入級規范》(以下簡稱規范)中明確規定：一般情況下，客船及500 t以上貨船都應該配有應急電源。而且，應急電源應能獨立于主電源進行工作。如果應急電源是發電機組，則另外必須配有蓄電池組作為臨時應急電源。

當船舶主電源失去供電能力時，臨時應急電源應該能及時取代主電源，向船上的各類應急用電設備供電。為了保證應急效果，應急電源應該需要具有一定的容量，能為船舶上各類重要用電設備進行短時供電。不同航線、不同船舶類型和不同載重等級的船舶對應急供電裝置的供電時間也有不同的要求。對于小的太陽能電池或蓄電池等電池類電源，其容量應至少能夠保證為確定的應急供電負載正常供電0.5 h以上。對于大的應急發電機組電源，其為應急用電負載供電的時間不固定，具體可以參考表1。

表1　應急發電機組的供電時間

1系統設計

船舶應急供電系統一般包括應急供電電源、DC/AC逆變裝置、交流母線及各類應急用電負載等。

船舶上的應急電源主要包括發電機組、蓄電池組、太陽能電池組和燃料電池等幾類。應用最多的是發電機組和蓄電池組的應急電源組合。其中交流發電機組電源是最主要的應急電源，功率比較大，可以直接通過船舶的交流母線為應急負載供電。而應急蓄電池組電源是小的臨時應急電源，容量比較受限，需要通過DC/AC逆變器，將直流的蓄電池電逆變為與母線同頻同相的三相交流電，為應急照明等設備進行供電。

船舶上的應急用電負載可以參考規范中的規定，規范中規定了以下5種主要應急用電負載：

1)航行燈及各種信號燈；

2)船身各處的應急照明；

3)通信聯絡設備：鳴笛、無線電設備、無線通訊設備、應急報警裝置等；

4)消防滅火系統：火災報警系統，噴淋消防系統，應急消防泵控制系統；

5)其他用電設備：舵機，固定式潛水泵等[1]。

整個應急供電系統如圖1所示。

圖1　船舶應急供電系統的系統框圖Fig.1　Block diagram of emergency power supply system of the ship

本文在對船舶應急供電系統進行分析的基礎上，主要針對供電系統中的小的臨時應急供電裝置進行設計與分析，設計了一種基于逆變技術的應急供電裝置。

2逆變器系統設計

系統的主電路結構部分，采用了兩級式逆變電路結構，對整個逆變器電路進行了系統的設計與分析。前級是Boost升壓電路，通過Boost升壓電路實現對蓄電池組的輸出電壓的升壓作用，其優點是：變換器可以通過調節占空比靈活的調節輸出電壓，可以達到拓寬蓄電池組電源輸入電壓范圍的目的；同時變換器沒有使用任何隔離變壓器，可以減少磁性損耗，在一定程度上保證轉換效率；后級是三相全橋逆變電路，通過三相全橋逆變電路，將前級輸出的高壓直流電進行逆變，逆變為與船上交流母線相同頻率相同相位的三相交流電壓。系統結構框圖如圖2所示。

系統控制部分采用先進的DSP數字處理PWM控制技術，可以方便地實現對模擬數據的準確采集和模數轉換、實現電壓電流雙閉環控制算法、實現對IO口的數據采集與控制、實現故障檢測等功能。

圖2　逆變器系統結構框圖Fig.2　System block diagram of inverter

3升壓電路設計

規范中規定：一般船舶的交流供配電網應采用380 V/50 Hz的交流電源進行供電。本文為三項二線制的380 V/50 Hz交流系統。由于逆變電路對輸入電壓的大小有一定的要求，只有保證足夠高的輸入電壓，才能有逆變成功的可能性，所以需要將輸入蓄電池組的電壓升高到一定電壓值，即大于逆變交流的峰值電壓。根據380 V的交流電進行反向換算，至少需要537 V的直流輸入電壓[2-3]。

由于蓄電池的電壓限制，單節蓄電池的電壓等級都比較低，為了得到較高的直流輸入電壓，一般有以下2種方式：

1)電池串并聯組合：將多個低壓的單節蓄電池通過一定的串并聯組合，成為完整的一個蓄電池組，使整體蓄電池組的輸出電壓達到537 V以上。這樣的好處是可以提高輸電電壓的同時提高電池容量，但是這樣會占據很大面積，同時會有一定的安全隱患。

2)升壓變換器：通過升壓變換器，將單節蓄電池的輸入電壓進行升壓至所需要的指定電壓，但是由于輸入電壓過低，開關管損耗過大，導致變換器的效率不高，同時單節蓄電池的功率也受到限制。

本文采用兩者組合的方式，即先將若干個蓄電池進行串并聯組合為一個蓄電池組，達到一定的電壓和功率等級，然后通過Boost升壓變換器對蓄電池組進行升壓，將電壓升高到大于逆變交流的峰值電壓537 V，這樣可以保證逆變成功的可能性[4-5]。

圖3　典型逆變電路Fig.3　Typical inverter circuit

圖3為變換器前級采用的典型Boost升壓電路，電路的主要功能是將蓄電池組的低輸入電壓Vi升高至滿足逆變器要求的輸入電壓Vo。

圖4　Boost電路電壓閉環控制框圖Fig.4　Block diagram of voltage closed-loop control　of the boost circuit

為了得到穩定可調的直流輸出電壓,電路采用基于PI調節器的電壓閉環系統進行控制，控制框圖如圖4所示。

基本控制原理是將計算設定好的基準值Vref與實際輸出電壓值VO作差，然后經過PI調節器計算得到PWM波的脈寬, 進而得到開關管的占空比D，并以此進行調節，得到穩定的輸出電壓VO。另外，基準值Vref根據輸出電壓進行折算得到,可以通過改變基準值Vref，來靈活的改變電路的輸出電壓。

4逆變電路設計

逆變電路采用三相橋式逆變電路，將前一級升壓后的高壓直流電進行逆變，然后經過濾波環節，最后把得到的三相交流電輸送到船舶的應急電網上給負載供電。

電路結構如圖5所示。UDC為逆變器的輸入電壓，即前級升壓環節的輸出電壓，主電路由S1~S6六只主功率開關管組成，組成上下3個橋臂，每個橋臂的中點分別經過電感La，Lb，Lc與電網連接，起到濾波的作用。CDC為直流母線支撐電容，起到儲能的作用，同時也作為前級Boost升壓電路的輸出濾波電容。控制部分采用先進的DSP數字控制，通過DSP發出的PWM控制信號來驅動6個開關管的開通和關段，控制橋臂中點電壓。電路要正常工作應保證直流側電壓高于電網電壓的峰值[3]。

圖5　典型三相全橋逆變電路圖Fig.5　Typical circuit of three phase full-bridge inverter

本系統中的電路采用正弦脈沖寬度調制技術。正弦脈寬調制技術是指利用標準的正弦調制波與三角載波進行比較，在每個交點處控制開關管的開通與關段，控制輸出電壓的脈沖寬度，將直流電壓調制成等幅、不等寬(寬度按正弦規律變化)的系列交流電壓脈沖，來控制輸出電壓的有效值。根據輸出電壓UN的極性和產生方式不同，可以將正弦脈寬調制技術分為雙極性調制技術、單極性調制技術和單極性倍頻方式。本系統采用簡單的單極性調制技術，其優點是開關損耗較小，可以實現較高的轉換效率，缺點是輸出電流脈動較大，犧牲了一定的功率因素[6]。

本系統采用母線電壓外環控制、并網電流內環控制的典型的雙閉環控制方式。其中電壓外環采用PI調節器進行調節控制，電流內環則是基于無差拍電流控制理論,整個系統的控制器只有一個PI調節器，參數比較容易設定和調整。外環電壓控制主要作用是使直流母線支撐電容CDC兩端的電壓UDC為恒定值；內環電流控制的主要作用是使輸出電流呈正弦變化，保證輸出電能質量。

1)電流內環控制

本系統采用的電流內環控制系統是基于傳統的無差拍控制技術。由于使用DSP數字控制技術，采集到的數據需要一定處理的時間，導致數據采集和PWM控制信號輸出兩者之間存在一定的延時。從采集到數據到得到最終的PWM脈沖信號的寬帶值的產生，需要經過一定的時間，所以導致最終的PWM脈沖信號的寬帶值實際作用于主電路的開關管需要延時一個開關周期。系統通過無差拍控制器計使輸出電流嚴格跟蹤電網的標準的正弦信號的規律變化，極大的提高功率因素。控制框圖如圖6所示。

圖6　電流內環控制框圖Fig.6　Current loop control block diagram

2)電壓外環控制

本系統電壓外環控制，采用PI控制，通過調節并網輸出功率使直流母線支撐電容CDC兩端的電壓UDC保持恒定。當并網功率小于蓄電池的輸出功率時，母線向電容回饋能量，向電容充電，電容兩端電壓升高；同理，當并網功率大于蓄電池組的輸出功率時，母線電容CDC進行放電，電容兩端電壓降低。通過電源外環控制，實現保持直流母線支撐電容CDC兩端的電壓UDC恒定的目的[7]。控制框圖如圖7所示。

圖7　電壓外環控制框圖Fig.7　Voltage loop control block diagram

通過以上設計的逆變器，將蓄電池組輸出的低壓直流電逆變為與船舶電網相同頻率相同相位的正弦交流電,并入船舶的交流電網。在主電源遇到突發故障停止供電的時，應急供電裝置通過交流母線，為應急用電負載供電，實現應急供電的功能。

5結語

本文就船舶應急電源的作用以及應急供電系統的整體結構進行了簡單分析。重點針對以蓄電池組作為應急電源的應急供電裝置進行了詳細的設計與分析。應急供電裝置采用兩級式的逆變電路，實現對蓄電池輸出電壓的升壓與逆變，使最終的輸出電壓與交流母線電壓同頻同相。在主電源遇到故障，停止供電的時候，基于逆變技術的蓄電池應急供電裝置能夠替代主電源為應急負載供電，保障船舶的正常運行和船上的人員安全。本文給出了應急供電裝置的基本電路設計，下一步需要搭建實驗平臺，進行實際的試驗驗證。

參考文獻：

[1]關小廣.淺談船舶應急電源[D].重慶：重慶交通大學,2012.

[2]周乃義.基于逆變技術的應急潮流供電裝置的設計[J].中國水運,2014,14(9).

[3]聶振宇,劉國平,胡即明,等.基于SVPWM控制的三相逆變電源裝置的研制[J].電力電子技術,2010,44(11)：54-56.

NIE Zhen-yu,LIU Guo-ping,HU Ji-ming,et al.Development of three-phase inverter power supply device based on SVPWM control method[J].Power Electrics,2010,44(11)：54-56.

[4]劉小虎,張天浩,吳巋華.一種基于DSP組合式中頻逆變電源的設計[J].艦船科學技術,2011,33(12)：79-81.

LIU Xiao-hu,ZHANG Tian-hao,WU Kui-hua.Design of combined medium frequency power inverter supply based on DSP[J].Ship Science and Technology,2011,33(12)：79-81.

[5]吳浩偉,周樑,李鵬,等.高變換效率的艦船逆變器設計[J].艦船科學技術，2012，34(11):71-74.

WU Hao-wei,ZHOU Liang,LI Peng,et al.Design of a high efficiency ship inverter[J].Ship Science and Technology,2012，34(11)：71-74.

[6]王卉雋.船舶供電系統的設計與研究[J].中國新技術新產品,2011(11):146.

[7]王劍斌.小功率非隔離光伏并網逆變器技術研究[D].北京:北京交通大學,2012.

Design of emergency power supply device based on inverter technology

DAI Ni-na

(Signal and Information Processing Key Laboratory, Chongqing Three Gorges

University，Chongqing 404000,China)

Abstract：In order to ensure the safe operation of the ship, general ships′ power supply systems are usually equipped with emergency power supply device besides the main power source. In the event of emergency situation, the main generator ship fault occurs, lead to the break down of the main power supply, the emergency power supply device replace the main power supply device for power supply. The emergency power supply device of a ship can supply power for the important load, to guarantee the emergency control of the ship and personal safety on the ship.This paper designs a kind of emergency power supply device using the batteries as the emergency power supply based on inverter technology.

Key words：emergency power supply;inverter;digital control

作者簡介：代妮娜( 1983 - ) ，女，碩士，講師，研究方向為控制與通信技術。

收稿日期：2014-11-23； 修回日期： 2014-12-10

文章編號：1672-7649(2015)02-0132-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.028

中圖分類號：TM464

文獻標識碼：A