基于Z源逆變器的船用軸帶發電機系統仿真研究

秦俊峰，白洪芬，謝吉剛，藍廣林，艾志強

(1. 欽州學院 海運學院，廣西 欽州 535000；2. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

基于Z源逆變器的船用軸帶發電機系統仿真研究

秦俊峰1，白洪芬2，謝吉剛1，藍廣林1，艾志強1

(1. 欽州學院 海運學院，廣西 欽州 535000；2. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

船舶軸帶電機能夠充分利用主柴油機的富裕功率，達到節能減排的作用。相較于傳統的逆變器，Z源逆變器能同時實現升/降壓功能，且電路結構簡單，控制方便。在船舶軸帶發電機系統結構的基礎上，詳細論述了Z源逆變器的結構和工作原理，并結合并網PQ控制策略，實現對船舶軸帶電機系統的控制。通過Matlab/simulink仿真波形，可知基于Z源逆變器和并網控制策略船舶軸帶發電機系統可以輸出需要的電壓和電流，進一步驗證了所提控制策略的正確性和可行性。

船舶軸帶發電機；Z源逆變器；SVPWM；并網PQ控制

0 引 言

船舶軸帶發電機系統[1]，是由推進主柴油機驅動發電機，充分利用推進柴油機裕量功率達到節能的目的，具有提高柴油機運行效率、減少柴油發電機組使用時間、減少燃油消耗、降低維護成本等優點[2]。

當前，軸帶發電系統的拓撲結構主要采用兩級式三相并網發電系統、單級式并網發電系統、無刷雙饋發電系統等。軸帶發電系統中的電壓型逆變電路VSTI（Voltage Source Type Inverter）需要boost升壓才能獲得需要的交流電壓值，且存在死區。而電流型逆變電路CSTI（Current Source Type Inverter）則需要buck降壓才能獲得需要的交流電壓值。當前，同時具有升/降壓功能的Z源逆變器逐漸取代傳統的逆變電路，被應用到軸帶發電系統中。

現階段，新型軸帶發電機系統多采用PWM（pulse width modulation）整流和逆變技術，在無須同步補償機的情況下，實現對有功功率P和無功功率Q的控制[3]。此外，并網運行可以進一步提高船舶電網的穩定性。因此在采用Z源逆變器的基礎上，應用SVPWM和PQ并網控制，既能簡化電路結構，降低成本，還能提高系統的并網控制性能，使得船舶電網的穩定性更高。其中，文獻[3]提出基于SVPWM的Z源逆變器控制，但未實現并網。文獻[4]實現了并網控制，但是逆變器電路結構復雜，未采用Z源逆變器。

綜上，以軸帶無刷雙饋發電機為研究對象，提出了一種基于Z源逆變器的并網控制策略，采用SVPWM控制，在詳細論述Z源逆變器和并網控制策略基本原理的基礎上，通過Matlab進行仿真研究，仿真波形驗證所提控制策略的正確性。

1 軸帶發電機系統

軸帶發電機系統是將機械能轉化為電能，為船舶負載供電。當軸帶發電機發出功率不足時，可將柴油發電機組與軸帶發電機系統并聯運行，彌補軸帶電機的缺額。軸帶發電機系統的基本結構如圖1所示。其中，軸帶電機采用無刷雙饋電機，逆變器采用Z源逆變器。電機定子繞組輸出的電流經PWM整流器、Z源網絡、PWM逆變器、濾波環節，與船舶電網并網，為船舶負載提供電能。

2 Z源逆變器結構及工作原理

Z源逆變器通過電感、電容形成一個“X”型交叉阻抗源網絡，將逆變橋與電源耦合[5]，其等效電路如圖2所示，通過控制橋臂的直通時間來實現對輸入直流電壓的升壓功能；通過調節逆變器的調制因子來實現降壓功能。因此，Z源逆變器在不設置死區時間的情況下，既能實現升壓也能實現降壓，具有傳統逆變器不具備的良好控制特性[6]。

Z源逆變器的工作狀態如圖3所示。其中，圖3（a）Z源逆變器工作在傳統逆變狀態，此時直流電源給Z源電容充電，Z源電感釋放能量；圖3（b）Z源逆變器工作在直通狀態，此時Z源電容放電，Z源電感從電容吸收能量，從而具有電壓提升能力。

Z源逆變器除了具有與傳統逆變器相同的8個基本工作狀態（2個零矢量狀態和6個有效狀態）外，還具有一個特殊的直通零矢量狀態，即逆變器的上、下橋臂短路。Z源逆變器主要是利用這一直通零矢量狀態達到升壓目的。

由于Z源逆變器電路對稱，可得

當Z源逆變器工作在圖3（a）所示的非直通工作狀態時，有

當逆變器工作在圖3（b）所示的直通工作狀態時，有

設Z源逆變器在一個開關周期T內工作在傳統狀態和直通狀態的時間分別為t1和t0，即t0+t1=T。由伏秒平衡定理可知，系統進入穩態后，一個周期內電感兩端的平均電壓VL為

將式（5）代入式（2）可得

則Z源逆變器輸出的相電壓峰值可表示為

3 Z源逆變器的并網控制

船舶電力系統一般由2臺以上的發電機組組成。船舶軸帶發電機能夠與柴油發電機組并網運行的條件是發電機系統的有功和無功功率是可控制的，以維持電網頻率和電壓的穩定，保證電網的發電與用電平衡，從而提高整個系統的穩定和效率[7]。

并網運行過程中，有功功率P和無功功率Q與給定的有功、無功功率參考值Pref，Qref進行比較，然后通過功率控制器可得參考電流idref，iqref，從而進入電流環控制。對于并網逆變器，設濾波電感L上的電流分別為ia，ib，ic，則電路的狀態方程為：

式中：ua，ub，uc是電網電壓；una，unb，unc是給定參考電壓。

經過dq變換后，式（9）可變換為：

4 仿真研究

為了驗證上述Z源逆變器和PQ并網控制策略的正確性，在Matlab中搭建基于Z源逆變器的并網控制仿真模型。仿真時間選為0.12 s，圖4 ～ 圖6為仿真波形。

圖4為軸帶發電機A相的并網電壓、電流及電流的諧波分析。由圖4（a）可以看出，在線電壓即電網電壓為380 V的情況下，相電壓的峰值約為310 V，與理論分析一致。由圖4（b）可以看出，相電流大約經過0.05 s即達到穩定，峰值約為28 A。對比圖4（a）和圖4（b），相電流與相電壓同相位。由圖4（c）、圖4（d）可以看出，A相電壓、電流的諧波THD分別約為0.25%，1.90%，滿足額定功率時對總諧波畸變率的要求。

圖5為三相并網電流波形。由圖5可以看出，電流經過約0.05 s達到穩定，穩定后的電流具有良好的正弦度，可以更好地為船上各種用電設備供電。

5 結 語

Z源逆變器是升/降壓型逆變器，并網PQ控制能平衡電網系統的有功和無功功率分配，應用在船舶軸帶發電機系統中，能夠降低成本、提高并網控制性能。仿真結果說明，在給定電壓下，并網電流能快速達到穩定，且電壓、電流諧波都很小。Z源網絡的直流電壓也能很快達到理論值。因此，Z源逆變器在船舶軸帶發電機系統的應用具有可行性。

[1]許順隆, 陳景鋒. 基于無刷雙饋發電機的船舶新型軸帶發電系統[J]. 中國航海, 2013, 36(4): 64–67.XU Shun-long, CHEN Jing-feng. A new type marine shaft generating system based on brushless doubly-fed generator[J].Navigation of China, 2013, 36(4): 64–67.

[2]秦俊峰, 李凱. 船舶軸帶發電機發展綜述及前景探究[J]. 欽州學院學報, 2015, 30(8): 10–14.QIN Jun-feng, LI Kai. An overview to shaft generator applied in ship and its promising prospect [J]. Journal of Qinzhou University, 2015, 30(8): 10–14.

[3]劉以建, 許慧敏, 李碩, 等. 船舶軸帶發電機整流器的前饋解耦控制[J]. 上海海事大學學報, 2014, 35(4): 63–67.LIU Yi-jian, XU Hui-min, LI Shuo, et al. Feedforward decoupling control of ship shaft generator rectifier[J]. Journal of Shanghai Maritime University, 2014, 35(4): 63–67.

[4]沈愛弟, 曹森, 劉莉飛, 等. 基于 PWM 技術的船舶軸帶發電系統并網運行仿真[J]. 系統仿真學報, 2014, 26(11): 2745–2756.SHEN Ai-di, CAO Sen, LIU Li-fei, et al. Simulation of gridconnected operation of marine shaft generating system based on PWM technology [J]. Journal of System Simulation, 2014,26(11): 2745–2756.

[5]張陽, 黃守道. 基于Z 源逆變器的直驅永磁風力發電并網控制[J]. 電工電能新技術, 2015, 34 (12): 14–18.ZHANG Yang, HUANG Shou-dao. Control strategy of threephase Z-source grid-connected inverter for direct-drive wind generation system [J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy. 2015, 34 (12): 14–18.

[6]郭建宇, 劉以建, 李欽峰. 船用軸帶發電機系統Z源逆變器的研究[J]. 通信電源技術, 2013, 30(3): 1–3, 17.GUO Jian-yu, LIU Yi-jian, LI Qin-feng. Research of Z-source inverter based on the marine shaft generator system [J]. Telecom Power Technology, 2013, 30(3): 1–3, 17.

[7]劉以建, 孫超. 基于PWM有源逆變的船舶軸帶發電機控制策略[C]// 2011中國電工技術學會學術年會, 10–13.

Study of marine shaft generator system based on Z-source inverter

QIN Jun-feng1, BAI Hong-fen2, XIE Ji-gang1, LAN Guang-lin1, AI Zhi-qiang1

(1. Maritime College, Qinzhou University, Qinzhou 535000, China;
2. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

The marine shaft generator can make full use of the rich power of the main diesel engine to achieve the aim of energy conservation and emissions reduction. Comparing to the traditional inverter, the Z-source inverter can be used for boosting and bucking and the circuit structures are simpler and its control is easier. On the base of analyzing the structure of the marine shaft generator, the structure and operating principle of the Z-source inverter are discussed in detail. And combining with the grid-connected control, the control of the marine shaft generator system are realized. Finally, the control strategy is verified by means of simulation in Matlab/Simulink.

marine shaft generator；Z-source inverter；SVPWM；grid-connected control

U665.11；TM921

A

1672 – 7649(2017)09 – 0101 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.020

2016 – 10 – 10；

2016 – 11 – 08

廣西中青年教師基礎能力提升資助項目(KY2016LX419)；國家級大學生創新項目訓練資助項目(201611607011)；自治區級大學生創新項目訓練資助項目(201611607045)；教育部本科專業綜合改革試點資助項目(ZG0434)

秦俊峰(1983 – )，男，講師，大管輪，主要從事船舶電力推進系統研究。