變速柴油發電機組用電壓變換器

周奇勛，曹世宏，張榮臻，李東松

(1.西安科技大學，西安 710054；2.總后勤部建筑工程研究所，西安 710032；3. 中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214035；4.特變電工西安柔性輸配電有限公司，西安 710119)

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變速柴油發電機組用電壓變換器

周奇勛1,2，曹世宏2，張榮臻3，李東松4

(1.西安科技大學，西安 710054；2.總后勤部建筑工程研究所，西安 710032；3. 中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214035；4.特變電工西安柔性輸配電有限公司，西安 710119)

針對根據負載功率調速的柴油發電機組，提出了整流-升壓-逆變-濾波的電能變換結構，并采用CPLD對關鍵信號進行檢測與控制。通過對該電能變換裝置的功能需求的分析，確定了系統的結構形式。分析了以TMS320F2808為核心的控制電路、主功率電路、驅動電路、采樣電路的工作原理，提出了擾動補償+閉環的復合控制策略。通過整機實驗，對系統的性能進行了測試。實驗結果表明，變換器可適應負載的變化，輸出電壓幅值、頻率均穩定的電能。

變速柴油發電機組；整流升壓；全橋逆變

0 引 言

為了滿足持續增長的電力需求，除了各種大型發電設備不斷投入運行外，中小型的備用發電設備、移動發電設備的需求量和生產量也不斷增加。柴油發電機組作為這類發電設備的主要形式之一，近年來通過不斷引進相關領域的最新技術，向著智能化、節能降耗、高可靠性的方向發展。

其中，采用變速運行方式的柴油發電機組，能夠根據負載對電能的需求，實時調節發動機轉速，使機組始終工作在高效率區，從而增加了機組對負載的適應性，提高了效率，降低了長期運行的成本，具有廣闊的發展前景。但變速柴油發電機組直接輸出的交流電壓、頻率都隨發動機轉速的變化而改變，無法直接輸入用電設備。

本文采用整流-升壓-逆變-濾波的電能變換結構，實現了對變速發電機組發出的變頻變壓的電能到負載所需要的恒頻恒壓電能的轉變；同時根據負載功率實時調節發動機轉速為最節能轉速。實驗表明，變換器系統性能穩定、控制策略合理，可以實現負載變化自適應工作，輸出電壓幅值、頻率恒定。

1 系統方案設計

柴油發電機組的工作模式有多種類型。其中，定速發電機組輸出電能直接供用戶使用的工作模式對負載適應性較差，工作效率低下，且供電質量受發電機組轉速影響較大；先將發電機組發出的交流電整流成直流，再將其逆變為交流電的工作模式帶有整流性負載，功率因數低，功率損耗大，輕載時發動機仍需高速運行，難以提高發電機組的工作效率。

本文采用發動機調速+整流升壓+逆變調壓的工作模式，即根據負載大小調節柴油機的轉速，使機組始終工作在高效率區，從而節省燃油，降低發電機摩損；同時將變速發電機組輸出的交流電首先經整流電路轉換成脈動的直流電，然后將所得的脈動電壓進行升壓與濾波處理，得到恒定的直流電壓，最后經過逆變電路轉換為符合負載使用要求的工頻交流電。

變速發電機組外部連接系統起停、調速控制模塊，該模塊控制發電機組和逆變器的起停。同時該模塊與發電機組之間通過CAN總線通信，在調速過程中，變換器內部檢測系統的電壓電流，分析當前輸出的功率，根據當前輸出功率，向該模塊發送速度指令，便可對發電機組進行調速。

根據以上分析，本設計確定變換器的整體結構如圖1所示，系統主要分為兩部分：主功率電路和主控制電路。主功率電路主要包括整流電路、Boost升壓電路、全橋逆變電路以及輸出濾波電路。控制電路的主要功能是控制升壓、逆變電路中功率器件的開通、關斷，檢測功率電路中的電壓、電流，實現對系統的控制和保護功能，并完成與發動機之間的CAN通信；為了提高系統的可靠性，控制電路中增加復雜可編程邏輯器件(CPLD)分擔DSP的任務，對關鍵信號的邏輯進行實時檢測和控制。

圖1 系統總體結構框圖

2 硬件電路設計

2.1 主功率電路設計

本文確立的變換器系統主功率電路如圖2所示：發電機組的輸出作為整流電路的輸入，由整流及升壓電路將發電機輸出的交流電整流升壓，然后輸入到逆變電路完成逆變過程，并對高頻電壓進行濾波，實現三相正弦電壓輸出。

圖2 主功率電路

整流橋采用德國Semikon公司的SKD160型號三相不控整流橋，額定正向平均電流為160 A。為了使后級逆變輸出線電壓有效值為400 V的交流電，本系統確定Boost升壓電路將整流后直流電壓升至680 V，因此Boost升壓電路和逆變橋IGBT的集電極、發射極兩端承受的電壓為直流680 V左右，考慮到器件開關過程中有電壓尖峰的影響，選取一定的電壓裕量，即耐壓值需大于1 000 V。根據系統的功率要求和電壓輸出值，確定升壓部分采用三菱公司的兩單元IPM模塊PM200DVA120，額定電流為200 A、耐壓1 200 V。逆變橋采用六單元IPM模塊PM150CLA120，額定電流為120 A，耐壓1 200 V。

圖3中共陰極整流二極管DZ1、DZ3、DZ5中陽極電位最高的二極管將優先導通，共陽極整流二極管DZ2、DZ4、DZ6反之。LA、LB為升壓電感，D7、D8為續流二極管，C7、C8為串聯濾波電容，N點與發電機中線連接，當負載不平衡時，可通過調整兩個開關管Q1、Q2的PWM占空比，平衡兩個輸出濾波電容C7、C8上的電壓。逆變電路中，R1、C1和D1構成H1的RCD緩沖電路，用于防止功率開關管在關斷瞬間產生電壓尖峰，減少功率管的開關損耗，并防止反偏置電壓造成的二次擊穿破壞。

2.2 升壓及逆變驅動電路設計

根據IPM中功率IGBT的工作原理和設計要求，本文所設計控制器的開關管驅動選用東芝的TLP250功率型光耦，電路如圖3所示。TLP250在器件內部對輸入和輸出進行了光電隔離，隔離電壓可以達到2 500 V(均方根值)，將低壓控制器件與高壓功率器件電氣隔離，保證系統工作穩定；同時該器件的輸出端采用了推挽工作方式，可產生最大驅動電流±1.5 A。

圖3 驅動電路原理圖

2.3 數字信號控制器TMS320F2808

控制芯片需完成對系統的控制、檢測和分析，并將檢測結果作為閉環控制的反饋量，通過控制芯片的PWM模塊分別在升壓部分和逆變部分形成獨立的閉環控制。從低成本、高可靠性、小體積、總線通訊以及逆變器對控制芯片的性能要求考慮，本文選擇TI的浮點DSP TMS320F2808作為控制芯片。

2.4 復雜可編程邏輯器件EPM3128ATC100

為提高系統的可靠性，采用復雜可編程邏輯器件(CPLD)作為關鍵信號的邏輯檢測與控制，CPLD屬于硬件電路，相對于DSP，其可靠性與實時響應能力更高。CPLD芯片選用Altera公司生產的EPM3128ATC100。

2.5 采樣電路設計

對于大功率的母線電流采樣，必須先經過調理電路，使得其轉換為能夠被DSP所接收的電壓范圍(一般為0 V～3 V)。本設計的電流電壓采樣電路如圖4所示。

圖4 電流、電壓采樣電路

電流傳感器匝數比為1∶1000，電路前端電阻RB4為采樣電阻，可將電流傳感器的電流信號轉換為電壓信號。DB1鉗位二極管用來限制輸入到DSP模擬信號輸入端口的電壓幅度，避免因電壓過高而被燒毀DSP。電壓采樣電路與電流采樣電路原理相同。

2.6 CAN通信電路設計

CAN通信電路是與發動機調速模塊進行指令傳輸的電路。本文設計的通信電路原理圖如圖5所示，通信選用TI的ISO1050芯片，該芯片雙邊隔離電壓為4 000 V，原副邊均采用5 V供電，原邊通過電平轉換芯片與DSP連接，副邊與直接與調速模塊連接，且按照CAN通信電氣規范，在輸出網絡CANH_B和CANL_B之間接120 Ω終端匹配電阻以減少信號反射。

圖5 CAN通信電路原理圖

3 系統控制策略

3.1 調速控制策略

根據柴油發動機最小燃油消耗特性曲線，可得一定功率下燃油消耗率最小的運行轉速。發電機組轉速的控制首先通過負載功率的反饋，決定發電機組運行的轉速(對應燃油消耗率最小轉速)；其次通過發動機冷卻液溫度、發電機溫度、整流器溫度等的反饋，對發動機的轉速進行修正，從而確保發電機組更安全、可靠的運行。

3.2 升壓及逆變控制策略

為了使逆變器的輸出電壓能夠在輸入電壓及溫度等變化時，維持到穩定狀態，Boost升壓電路及逆變電路均采用擾動補償+閉環的復合控制策略，如圖6和圖7所示。在柴油機轉速或負載變化時，系統根據實時電壓反饋進行PID閉環控制改變PWM的占空比，從而調節Boost升壓值及輸出電壓；同時進行負載擾動、轉速擾動、母線電壓擾動補償控制，從而提高變換器控制的快速性能，使變換器輸出穩定的工頻交流電。

圖6 Boost升壓電路控制策略

圖7 逆變電路控制策略

3.3 關鍵信號實時檢測與控制策略

CPLD作為關鍵信號的邏輯檢測與控制單元，其主要硬件功能模塊如圖8所示。PWM斬波頻率檢測模塊可以有效防止PWM斬波頻率過高而導致功率器件開關損耗增大，以及PWM斬波頻率過低而導致電壓尖峰增大；PWM死區檢測模塊用于檢測PWM上下管控制信號死區時間，防止死區時間過大而增加逆變器的控制死區，或因死區時間過小而使功率器件出現直通現象；PWM換相邏輯檢測模塊主要判斷三相PWM邏輯是否正確；故障信號檢測模塊用于檢測系統的過壓、過流、欠壓、過溫等信號，并對這些信號進行邏輯運算，將結果發送給DSP，若系統出現故障，故障檢測模塊可及時封鎖PWM信號。

圖8 CPLD中主要硬件功能模塊框圖

4 系統調試及實驗

在軟硬件調試完成后，將控制部分與主功率電路連接，對整機進行調試，實現其電能變換功能。

(1)柴油發電機組在穩定轉速下，能保持恒定的Boost母線電壓輸出，且逆變輸出互錯120°的三相交流電壓，正弦性良好，單相輸出有效值穩定在230 V，如圖9所示。

圖9 恒定轉速下變換器輸出電壓波形(截圖)

(2)整機試驗中最嚴酷的考核為負載從0突加至額定時，測試變換器的帶載性能。圖10為滿載突加試驗波形。由于負載增加，電路中的電流會突增，但Boost輸出電壓基本穩定，正負母線電感電流均衡，并在負載突變時，輸出電壓突變小于30 V(直流母線電壓仍保持在650 V以上)，穩定時間200 ms，可以滿足后級逆變對直流電壓(≥570 V)的要求。

圖11為滿載突加試驗過程中，變換器輸出波形。圖中逆變部分輸出電壓波形在加載之后出現畸變，但畸變時間遠小于1個波頭的時間(10 ms)，波形立即恢復并穩定。

圖10 滿載突加試驗Boost輸出波形

圖11 滿載突加試驗變換器輸出波形

實驗表明，在負載突變的工況下，升壓電路能進行自適應控制，變換器輸出的三相交流電電壓波形畸變小，恢復快，輸出頻率穩定。

5 結 語

采用調速+調壓的柴油發電機組工作模式，提高了柴油發電機組的工作效率，不控整流-Boost升壓-全橋逆變-無源濾波結構實現電能的變換，結構簡單、易于實現和控制；采用CPLD對關鍵信號進行實時檢查與控制，提高了系統的可靠性。通過對變換器系統性能的測試表明，系統結構合理，硬件電路設計得當，閉環控制策略正確。本文所研究的變換器可適應柴油發電機組轉速的變化，輸出穩定的恒頻恒壓的電能，滿足負載的用電需求。

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Research on the Voltage Converter for Variable Speed Diesel Generator Set

ZHOUQi-xun1,2,CAOShi-hong2,ZHANGRong-zhen3,LIDong-song4

(1.Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China;2.Xi'an Construction Engineering Research Institue,Xi'an 710032,China;3.No.58 Research Institute of CETC,Wuxi 214035,China;4.TBEA Xi'an Flexible Power T&D Co., Ltd.,Xi'an 710119,China)

The converting structure of rectify-boost-invert-smoothing was introduced for the diesel generator set, whose speed was controlled based on various loading power. CPLD was used to inspect and control the key signal. After analyzing the functional requirements of the power conversion device, the system scheme was proposed. The strategy of disturbance compensation and closed-loop combined control was designed. The principle of TMS320F2808 control circuit, main power circuit, drive circuit and sampling circuit were introduced in detail. The system preference was measured by the whole experiment. The experiment results show the output-voltage of the converter has constant amplitude and frequency, which can adapt to the change of the load.

variable speed diesel generator set; rectifier boost; full bridge inverter

2015-05-04

國家自然科學基金項目(51307137)；中國博士后基金項目(2014M552618)；西安科技大學博士(后)啟動金資助項目(2014QDJ082)

TM31

A

1004-7018(2016)04-0068-03

周奇勛(1979-)，男，博士后，副教授，主要從事機電控制及自動化技術研究。