船用直流變換器穩定性分析

唐 琳，胡黎鋒，丁有鳳，席 悅

船用直流變換器穩定性分析

唐 琳，胡黎鋒，丁有鳳，席 悅

（寧波明江船廠，浙江寧波 315040）

本文首先提出船用直流變換器穩定性分析需求，并給出其主電路拓撲。然后采用小信號模型分析方法，建立了直流變換器的動態數學模型，分析了直流變換器控制策略。最后利用MATLAB仿真工具對其進行了穩定性分析，提出了提高直流變換器穩定性的具體措施。

直流變換器 數學模型 控制策略 穩定性

0 引言

直流電網因其體積小、重量輕、功率因數高等優點在船舶綜合電力系統中具有廣泛的應用前景；同時，隨著船用直流保護裝置技術水平和可靠性不斷提高，船用直流電網可靠性不斷提高，為船用直流電網應用提供了技術保障。

將直流動力電網變換為直流區域配電網的直流變換器是船用直流電網中關鍵設備，其運行穩定性直接決定了船用直流區域配電系統的可靠性。因此，船用直流變換器穩定性分析及設計成為一個亟待解決的問題。

本文針對某型船直流變換器，通過動態建模、控制策略研究、穩定性仿真分析等手段給出其穩定性分析方法及穩定性分析結論[1]。

1 船用直流變換器主電路拓撲

船用直流變換器輸入為直流動力電網，輸出為直流區域配電網，基于共模電壓、接地等要求，一般選用隔離型直流變換器。

隔離型DC/DC變流器種類很多，包括單端正激式變流器、單端反激式變流器、推挽式變流器、半橋式變流器、全橋式變流器[2]，綜合電壓等級、功率等級、設備體積和價格等因數，該型船選用隔離型半橋式直流變換器，主拓撲電路如圖1所示。

如圖1所示，中壓直流側加入手動隔離開關，便于設備維修和設備保護；通過控制開關管Q1、Q2導通、關斷時間調節輸出電壓大小，開關管Q1、Q2驅動脈沖互補，為保證開關管運行安全，在開關管Q1、Q2驅動脈沖中加入死區時間。

通過控制開關管的驅動脈沖，輸入電壓經高頻變壓器隔離后和二極管不控整流橋輸出恒定的直流電壓，再經LC濾波器濾除其高頻交流脈動，確保低壓直流電網電壓品質，直流變換器輸出側裝有防逆流二極管和安全放電電阻。

圖1 隔離型半橋式直流變換器主電路拓撲

2 船用直流變換器動態數學建模

船用直流變換器由Buck變換器、PWM調制器、補償網絡組成，如圖2所示：

圖2 船用直流變換器系統框圖

2.1 Buck變換器數學模型

Buck變換器中包含功率器件或二極管等非線性元件，因此是一種非線性系統，但當Buck變換器運行在某一穩定工作點附近時，電路狀態變量的小信號擾動之間的關系呈現線性特征，因此，在研究它在某一工作點附近的動態特征時，可以把它當作線性系統來近似。Buck變換器動態建模型中[3]，通常會忽略開關頻率諧波與其邊頻帶等次要因數，認為PWM 調制器周期平均模型為線性。

采用小信號交流模型對Buck變換器進行動態建模，其等效電路如圖3所示。

圖3 buck變換器小信號交流等效電路

圖3可等效為圖4：

因此，Buck變換器控制至輸出的傳遞函數為：

2.2 PWM調制器數學模型

直流變換器通過對功率器件驅動脈沖占空比的控制實現直流輸出電壓的控制，需要由PWM調制器將連續控制量轉化為占空比可調的脈沖序列。一般由三角波發生器和比較器構成，由周期性的三角波與控制量v()經比較后輸出脈沖序列。

可得：

得到小信號交流關系式

因此，PWM調制器輸入至輸出的傳遞函數為：

2.3 補償網絡數學模型

直流變換器控制中通常加上負反饋構成閉環系統，以提高直流變換器穩定性，通過設計補償網絡，提高閉環系統的相位裕量和增益裕量，改善直流變換器穩定性[4]。

由直流變換器構成的負反饋控制系統如圖5所示，G()為直流變換器的控制至輸出的傳遞函數，G()為PWM脈寬調制的傳遞函數，G()為補償網絡的傳遞函數。

補償網絡選用經典PI調節器，其傳遞函數為：

式中，Kp1——比例系數，Ki1——積分系數。

3 船用直流變換器控制策略

直流變換器采用恒壓限流控制，如圖6所示，直流電壓環選用抗積分飽和PI調節器，控制低壓直流電網電壓恒定，通過整定直流電壓環PI參數，優化直流變換器抗負載沖擊能力；電流限制環選用抗積分飽和PI調節器，電流限制環輸出直流電壓環限幅值，在過載或短路情況下控制直流變換器輸出電流在設備允許安全運行范圍內，確保設備穩定運行，直流電壓環和電流限制環綜合處理后，經Bang-Bang控制策略，當輸出直流電流大于最大限定值時，直流電壓環、直流電流限制環的積分累加值清零，快速將輸出電流限定在設備安全運行范圍內。

圖6 直流變換器控制框圖

4 船用直流變換器穩定性分析

4.1 基于勞思判據的船用直流變換器穩定性分析

由圖5可得，直流變流器閉環傳遞函數為：

閉環系統的特征方程為：

對于穩定系統，特征方程式()的根都在s平面的左半平面，即閉環傳遞函數的極點都位于s平面的左半平面，若閉環傳遞函數有極點在虛軸上或是s平面的右半平面，則系統不穩定[5]。

記直流變流器閉環系統特征方程為：

列勞思表如下：

即：

直流變流器閉環系統中L1、、K、1、K1、K1都是正數，因此，直流變流器閉環系統穩定條件為：

4.2 基于MALTAB仿真工具的船用直流變換器穩定性分析

仿真波形如圖8～圖9所示：

圖7 參數變化對直流變換器穩定性影響仿真

圖8 補償網絡對直流變換器穩定性影響仿真

圖9 負載變化對直流變換器穩定性影響仿真

圖7中，直流變換器是穩定的，相位裕量為33.9（deg），增大濾波電感后，相位裕量為47.3（deg），增益裕量增加；減小濾波電容后，相位裕量為47.3（deg），增益裕量減小。

圖8中，直流變換器閉環系統是穩定的，相位裕量為36.9（deg），增益裕量略有減?。灰虼耍O計補償網絡后，提高了直流變換器的相位裕量。

圖9中，在2 MW負載下，直流變換器相位裕量為36.9（deg）,3 MW負載下，直流變換器相位裕量為56.7（deg）,0.1 MW負載下，直流變換器相位裕量為3.62（deg）；因此，負載越大，直流變換器相位裕量越大，增益裕量影響較小。

4.3 船用直流變換器穩定性分析結論

船用直流變換器進行穩定性分析結果如下：

1）增大濾波電感有利于提高直流變換器的相位裕量和提高增益裕量；

2）減小濾波電容有利于提高直流變換器的相位裕量，但減小了增益裕量；

3）負載越大，直流變換器相位裕量越大，增益裕量影響較?。?/p>

4）設計補償網絡后提高了直流變換器的相位裕量，減小了增益裕量，在設計直流變換器補償網絡時，可以利用補償網絡的低頻段積分特性，使補償后的系統成為無差系統；利用中頻段的上升特性，使補償后的系統獲得較大的相位裕量，同時盡量減小對增益裕量的影響。

5 結論

本文針對某型船直流變換器拓撲，通過建立直流變換器動態數學模型，提出直流變換器控制策略，并利用勞思判據和MATLAB 工具對直流變流器進行穩定性分析，給出了提高船用直流變換器穩定性的具體措施，為船用直流變換器穩定性設計提供了可行性方案和應用基礎，具有一定的工程應用價值。

[1] 孫才勤．船舶電力系統建模仿真及動態穩定性研究[D]. 大連海事大學, 2010．

[2] 李冬麗．艦船綜合全電力系統暫態穩定性分析及其仿真[D]. 哈爾濱工程大學, 2003．

[3] 佟強, 張東來, 徐殿國. 分布式電源系統中變換器的輸出阻抗與穩定性分析[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(12): 57-64.

[4] 張欣, 阮新波. 用于提高級聯型電源系統穩定性的自適應有源電容變換器[J]. 電工技術學報, 2012, 27(2): 23-32.

[5] Cho B H, Choi B. Analysis and design of multi-stage distributed power systems[C]. Telecommunications Energy Conference, 2002: 220-226.

[6] Sudhoff S D, Glover S F, Lamm P T, et al. Admittance space stability analysis of power electronic systems[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2000, 36(3): 965-973.

Stability Analysis of Marine DC Converter

Tang Lin; Hu Lifeng; Ding Youfeng; Xi Yue

(Ninbo Mingjiang shipyard, Ninbo 315040, Zhejiang, China)

TM463

A

1003-4862（2021）06-0085-04

2021-02-22

唐琳（1982-），碩士研究生，研究方向：電力傳動計算機檢測與控制技術研究。E-mail: kechg@163.com