船舶抗負載沖擊高性能逆變技術研究

章建峰+張艷軍+楊禎+戴訓龍

摘 要： 討論船舶單相交流負載的特性情況，重點研究能夠承受船舶220 V交流非線性負載引起的強沖擊電流的高性能逆變技術，通過電壓開環伯德圖對比分析數/模混合控制策略與數字控制策略的響應速度，并搭建一臺220 V/10 kW的單相全橋逆變電源樣機，實驗結果驗證了船舶抗負載沖擊高性能逆變技術的可行性。

關鍵詞： 船舶； 單極倍頻； 沖擊電流； 單相逆變電源

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

0 引 言

DC?AC逆變技術是將直流電能變換成交流電能的變流技術，已經廣泛應用于我國的太陽能發電、航空航天、船舶等各個領域[1?3]。逆變技術種類繁多，其中使用場合最多、應用最穩定的當屬電壓源全橋拓撲逆變技術[4?6]。目前，我國船舶上電力、動力系統的監控裝置大量使用單相交流電源，但負載特性比較惡劣，負載多數為非線性負載，電流波峰因數可達3∶1，負載突加帶來的沖擊電流可達20倍額定電流值，且要求逆變電源不保護停機，輸出電壓暫降不大于5 ms。電壓單環控制方法帶非線性負載能力差，輸出電壓諧波大，難以滿足要求。常規的數字電壓電流雙環控制方法提高了帶非線性負載的能力，但由于數字延時降低了系統的控制帶寬，系統動態響應速度慢，負載突加沖擊電流使輸出電壓暫降大于5 ms，也不滿足船舶負載對逆變電源的要求。

為了滿足船上220 V非線性負載特殊的使用要求，并且逆變電源能夠承受20倍額定電流的沖擊，保證負載順利啟動及掛網負載正常工作，本文提出了一種新的船舶抗負載沖擊高性能逆變技術；采用基于單極倍頻SPWM調制的電壓電流雙環數/模混合控制策略，電壓電流環由模擬實現，無數字控制的延時，單極倍頻SPWM調制等效開關頻率是開關頻率的2倍，控制帶寬高，電壓動態調節速度快。通過搭建一臺220 V/10 kW的單相逆變電源用作實驗，實驗結果表明所提出的控制策略具有較好的抗負載沖擊能力。

1 單相逆變電源拓撲結構

單相逆變電源的拓撲結構如圖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成。單相全橋的開關器件為IGBT，隔離變壓器將直流側電源與交流側負載電氣隔離，輸出濾波電感、電容濾除高次開關諧波。

2 船舶抗負載沖擊高性能逆變技術

本文研究的高性能逆變技術，控制策略采用基于單極倍頻SPWM調制的電壓電流雙環數/模混合控制技術，開關頻率20 kHz，原理示意圖如圖2所示。DSP通過DA芯片產生的指令電壓和輸出電壓[uo（s）]作差經PI控制器[G1（s）]形成電壓環，電壓環輸出為電流環的給定，電流環輸出的調制波與三角載波進行單極倍頻調制，生成的PWM驅動IGBT。

圖1 逆變電源的拓撲結構

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）]與調制波[ug（t）]有如下關系：

[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：

[uab1（s）ug（s）=km] （2）

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

[uab1′sugs=kT·uab1sugs=kmkT] （3）

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

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

式中：[r]為變壓器擇算到副邊的內阻；[RL]為負載電阻。由式（1）～式（4）可得單極倍頻SPWM逆變電路開環傳遞函數[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[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[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框圖，如圖3所示。

圖3 逆變電路控制系統框圖

通過對電流環和電壓環的設計，得到數/模混合控制和數字控制電壓開環的伯德圖如圖4所示。數/模混合控制的系統截止頻率為1 100 Hz，相角裕度為35°；數字控制的系統截止頻率為800 Hz， 相角裕度為1°，處于不穩定的臨界狀態。可見數/模混合控制帶寬更高，相應速度更快，更穩定。

圖4 單相逆變電源電壓開環伯德圖

3 實驗結果與分析

為了驗證理論研究的正確性，搭建了一臺220 V/10 kW單相船舶抗負載沖擊高性能逆變器樣機，電壓源采用全橋逆變拓撲結構，單極性倍頻SPWM調制電壓、電流雙閉環數/模混合控制技術，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，開關頻率10 kHz，等效開關頻率為20 kHz，輸出接不控整流橋接阻容型負載，電容值1 000 μF/400 V，示波器為泰克TPS2012。

圖5所示為樣機帶不控整流橋接電解電容非線性負載穩態運行實驗波形，由圖可知，負載電流波峰因數達3∶1。圖6為樣機突加不控整流橋接電解電容非線性負載試驗波形，由圖可知，負載沖擊電流迅速上升超過400 A，逆變電壓瞬間跌落，控制系統迅速閉環動作，2 ms內逆變電壓基本恢復正常，不影響負載正常啟動，也不會影響掛網負載正常工作。

圖5 非線性負載穩態運行實驗波形

圖6 非線性負載突加實驗波形

4 結 語

本文針對船舶單相非線性負載高的電流波峰因數及突加時大電流沖擊的實際情況，研究了基于單極性倍頻SPWM調制的電壓、電流雙閉環數/模混合控制的高性能逆變技術。研究結果表明數/模混合控制比數字控制響應速度快，大電流沖擊下電壓恢復迅速，十分適合應用在船舶惡劣工況，最后實驗樣機驗證了船舶抗負載沖擊高性能逆變技術的可行性。

參考文獻

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

[2] 陳道煉.DC?AC逆變技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，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.電力電子主回路設計技術及控制策略技術研究[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，韋統振，李東，等.全橋變橋臂電壓源變流器拓撲參數及恒壓策略研究[J].中國電機工程學報，2013，33（21）：26?35.