船用逆變電源穩定性分析

陳紅健

船用逆變電源穩定性分析

陳紅健

（上海打撈局 上海 200090）

本文建立了船用逆變電源動態數學模型，研究了船用逆變電源控制策略，對船用逆變電源進行了穩定性計算；利用MATLAB仿真工具對其進行了穩定性分析，給出了提高船用逆變電源穩定性的具體措施。

逆變電源 小信號模型 穩定性

0 引言

船用逆變電源將直流電網轉變為低壓交流電網給船舶日用負荷供電，其運行穩定性直接決定了船用日用電網的可靠性。

國外針對逆變電源穩定性分析較早，弗吉尼亞理工大學Middlebrook是最早開展此類工作的代表人物，芬蘭的坦佩雷理工大學對逆變電源穩定性做了大量研究；國內起步較晚，研究工作集中在逆變電源本身的穩定性上，對逆變電源對系統穩定性研究較少。

因此，急需開展船用逆變電源的穩定性研究，提出提高船用逆變電源穩定性的措施，為船用逆變電源的實船應用打下了堅實的基礎，具有重大工程研究價值。

1 船用逆變電源主電路拓撲

船舶日用電網對電網品質有較高要求，船用逆變電源輸出端需配置正舷波濾波器。

逆變電源輸入側配有熔斷器，同時為方便維修，配有手動隔離開關，確保逆變電源發生故障或短路時，逆變電源能與直流區域配電網快速隔離，能進行斷電維修。為保證人員安全，逆變電源直流側配置安全放電電阻。

船用逆變電源主電路拓撲如圖1所示：

圖1 船用逆變電源主電路拓撲

船用逆變電源主電路參數設計如下：逆變電源支撐電容為10 mF，濾波電感為0.2 mH，濾波電容為0.1 mF，安全放電電阻為20000W，接地電阻為1000W。

2 船用逆變電源動態數學模型

船用逆變電源由三相逆變器、SPWM調制器、驅動電路、補償網絡、反坐標變換矩陣組成，如圖2所示：

圖2 船用逆變電源系統框圖

2.1 三相逆變器數學模型

三相逆變器是一種非線性系統，在研究它在某一工作點附近的動態特征時，可近視為線性系統[1]。

三相逆變器小信號模型為：

其小信號模型等效電路如圖3所示：

其中，V2為輸入直流電壓，i為逆變電源輸入直流電流，d為逆變電源開關函數，L2為濾波電感，C2為濾波電容，u為逆變電源輸出三相電壓，i為逆變電源輸出三相電流，2為逆變電源輸出負載等效阻抗。

所以，三相逆變器控制至輸出的傳遞函數為：

2.2 SPWM調制器數學模型

SPWM調制器將連續控制量轉化為占空比可調的脈沖序列，由周期性的三角波與控制量經比較后輸出脈沖序列[2]。

假設三相電壓的開關周期平均值為：

SPWM調制器輸出的開關周期平均值為：

得到小信號模型交流關系式：

SPWM調制器輸入至輸出的傳遞函數為：

2.3 補償網絡數學模型

補償網絡中電壓閉環調節選用PI調節器，其傳遞函數為：

式中，Kp2——比例系數，Ki2——積分系數。

逆變電源閉環傳遞函數為：

3 船用逆變電源控制策略

逆變電源控制策略如圖5所示，逆變電源控制策略中引入狀態機，狀態機1分為正常工作模式、短路工作模式，正常工作模式下為電壓閉環控制，短路工作模式下為電流閉環控制；狀態機2為正常工作模式和短路模式，短路模式下先封鎖脈沖再起動；

在工頻角度的基礎上加入相位同步調節功能，使逆變電源輸出電壓相位與電網電壓相位同步，實現平滑并網功能[4]。

圖5 逆變電源控制框圖

4 船用逆變電源穩定性分析

4.1船用逆變電源穩定性仿真

選用MATLAB 工具對船用逆變電源進行穩定性分析(以逆變電源A相為例分析)。

仿真波形如圖6～圖8所示：

圖6 參數變化對逆變電源穩定性影響

圖7 補償網絡對逆變電源穩定性影響

圖8 負載變化對逆變電源穩定性影響

圖6可知，逆變電源開環系統相位裕量為40.4（deg）。增大濾波電感后，相位裕量為56.7（deg），減小濾波電容后，相位裕量為56.7（deg）；因此，增大濾波電感或減小濾波電容可以提高了逆變電源的相位裕量。

圖7可知，逆變電源閉環系統相位裕量為53.1（deg），增益裕量略有減小；增加補償網絡后提高了逆變電源的相位裕量、降低了增益裕量。

圖8中，2 MW負載下，逆變電源相位裕量為53.1（deg）；0.1 MW負載下，逆變電源相位裕量為15.9（deg）；負載越大，閉環系統相位裕量越大，增益裕量影響較小[6]。

4.2 船用逆變電源穩定性分析結果

1）增大濾波電感或減小濾波電容有利于提高逆變電源的相位裕量；

2）負載越大，閉環系統相位裕量越大，增益裕量影響較小；

3）設計補償網絡后提高了逆變電源的相位裕量，減小了增益裕量。

5 結論

本文針對低壓直流配電系統中逆變電源進行了穩定性分析，通過數學建模、控制策略研究、穩定性仿真分析等方法對該型逆變電源進行了穩定性分析方法，并提出了改善該型逆變電源穩定性具體措施，為船用逆變電源的實船應用打下了堅實的基礎，具有較強的工程應用價值。

[1] 肖奔奔．直流分布式電源系統穩定性分析: (碩士論文). 哈爾濱工程大學, 2018．

[2] 楊曉平, 張浩, 馬西奎. 基于ESAC 標準的分布式電源系統穩定裕度監控[J]. 電工技術學報，2009, 24(8): 14-21.

[3] Vesti S, Suntio T, Oliver J A, et al. Impedance-based stability and transient-performance assessment applying maximum peak criteria[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(5): 2099-2104.

[4] Wildrick C M, Lee F C, Cho B H, et al. A Method of defining the load impedance specification for a stable distributed power system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(3): 280-285.

Stability analysis of marine inverter power supply

Chen Hongjian

(Shanghai Salvage, Shanghai 200090, Shanghai, China)

TM464

A

1003-4862（2022）03-0020-04

2021-08-10

陳紅健（1973-），男，高級輪機長，主要從事船舶設備，機務管理，輪機管理。E-mail: 1340145060@qq.com