基于船舶電網的三相PWM 整流器控制策略

陳 濤，張謝天，楊恒瑞

（1. 海裝上海局駐上海地區第一軍事代表室，上海 201913，2. 上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

陸上電網是無限容量系統，而船舶電網是獨立的有限容量系統，船舶電力容量與陸上電網相比是有限的[1]。在許多應用中，船舶設備都需要使用整流器，特別是電力推進在船舶中的應用越來越多。傳統整流器在運行過程中具有兩個固有問題：輸入功率因數低以及造成電流諧波輸入。

這些問題對有限容量的船舶電網的影響也就更加突出，PWM整流技術是從根本上解決低功率因數和輸入電流的畸變的一個積極有效的方法[2-4]。同時采用無電網電壓傳感器的控制策略可以降低成本，節省空間。這些特性對于提高船舶航行的能耗比，提高船舶空間的利用效率具有十分重要的作用。

PWM整流器的發展似乎停滯在了十幾年前，傳統全控制裝置整流器的橋接模式仍在使用之中。研究人員提出了對并網測電流進行控制，使其電流波形可以更好地與電壓波形相匹配。電壓型PWM整流器的并網側電流控制策略分為2種：1）間接電流控制策略；2）控制目前占主導地位的直流電的策略。在此基礎上，近年來有研究人員提出了新的控制方法，包括無網絡電壓傳感器、虛擬流量定向以及這兩種方法的結合[5-10]。矢量控制可以采用電壓定向控制方法也可以采用虛擬磁鏈定向控制方法，但是虛擬磁鏈定向的控制方式對諧波和干擾有良好的抑制作用，同時可以不用電網電壓傳感器，這樣既可以減小體積，又可以減小成本，同時還可以提高控制性能。因此對不帶電網電壓傳感器虛擬磁鏈定向控制方法的研究更具有實用價值。

圖1 d 軸虛擬電網磁鏈定向的三相VSR 穩態矢量圖

1 虛擬磁鏈定向矢量控制原理

圖2給出了三相PWM整流器的主電路。其中ea、eb、ec為三相電網電壓，L、R為輸入電抗器的電感和電阻，v0為直流母線電壓；其與逆變器供電的三相交流電機的定子電路有很大的相似之處。PWM整流器可以看作由逆變器供電的同步電機，以定子電阻和漏電感為和，同時以恒速運行[2]。

圖2 三相PWM 整流器的主電路

1.1 虛擬磁鏈觀測傳統方法

在虛擬磁鏈估計中，初始位置的誤差是實際存在的。為了解決純積分器的初值問題，通常采用1階慣性濾波器1/(s+ωc)來代替磁鏈估計中的純積分器1/s。從1階濾波器的表達式可知，當ωc足夠小時，濾波器可視為積分器，當ω接近ωc時，濾波器表現出隨時間對初始分量具有衰減作用。如圖3所示，當正弦波信號輸入積分器后，此處相當于交流側電壓信號輸入，從解析式來看，正弦信號如果初始值不在峰值處，則積分器輸出會出現直流偏移，而1階濾波器的輸出直流分量隨時間快速衰減。采用純積分器的輸出信號始終含有直流分量，而準積分器的輸出信號直流分量很快可衰減為0，信號仍然以0為中心交替變化[18]。

圖3 純積分和1 階慣性環節對正弦信號的響應

由圖3可知，1階慣性濾波器1/(s+ωc)對于直流偏置量φ0有衰減作用。同時也可將其看成一個直流量的輸入導致的結果，對1階慣性濾波器1/(s+ωc)進行頻域的分析可知，當ω=0時，1/(s+ωc)的幅頻特性是衰減的，衰減幅度由ωc決定，而相位沒有偏差。按照ωc＜10%＜ω對ωc進行取值。虛擬電網磁鏈觀測器的原理框圖見圖4。

圖4 虛擬電網磁鏈觀測器

1.2 新穎的無直流偏移的積分算法

可以用2個或3個1階低通濾波器代替純積分環節，如式（1）：

圖5 新穎的虛擬電網磁鏈觀測器

在用一階慣性環節時對ωc的選取采用了一個折中原則，即ωc＜10%ω。但是衰減需要時間，所以從圖6中明顯可以看出：新穎算法比傳統方式反應更快。

圖6 2 種觀測方式的比較

圖6 2 種觀測方式的比較（續）

1.3 電壓定向和磁鏈定向的區別

2種方式的區別主要是對定向時θ角的求取。

由式（2）和式（3）可以看出：θe受eα、eβ的影響，而式（3）中θψ受eα、eβ的影響較小，由于積分的低通特性，n次諧波被消減了(1/n)倍，同時高頻的開關諧波也被消減了。因此，采用虛擬磁通定向控制可以有很好的抑制諧波和干擾的效果。

2 采用不同虛擬電網磁鏈觀測方法PWM整流器控制系統仿真

在分析了上述無電網電壓傳感器的虛擬電網磁鏈定向矢量控制策略的基礎上，設計了單位功率因數PWM整流器的仿真模型。結合新舊虛擬磁鏈觀測方法的具體仿真比較波形見圖7。

如圖7所示，在保持超調量基本不變的情況下，采用積分法直接觀察磁鏈時，電壓的動態和穩態特性最差。改進后，新型磁鏈觀測方法的響應速度比傳統方法更快；穩定后，新磁鏈觀測方法的穩態誤差小于傳統方法。

圖7 不同磁鏈觀測方式下的電壓響應波形

交流側三相電流波形如圖8所示。采用積分法、傳統法和新法都可以保證三相交流電的平衡。但是用積分法可以看出有明顯的不對稱性，幅度偏差在10 A左右，如圖8(a)所示；傳統方法好一點，幅度偏差在4A左右，如圖8(b)所示；新方法最好，效果更好，如圖8(c)所示。

圖 8 交流側三相電流波形

使用無電網電壓傳感器的虛擬磁鏈定向控制策略來保證功率因數為1。如圖9所示，在3種方法中，無論是積分方法、傳統方法還是改進的磁鏈觀測方法，都能確保電壓和電流同相，功率因數為1。

圖9 交流側電壓電流相位比較波形

如圖10所示，在3種磁鏈觀測方法的交流側電流譜圖中可以看出，采用積分觀測的磁鏈總諧波量為33.56%，傳統方法為3.02%，提升明顯，但新方法后諧波總量為1.73%，諧波總量又減少了近50%，效果更好。

圖10 交流側電流頻譜圖像

本文采用了突加負載的方法，進行無電網電壓傳感器虛擬磁鏈方向矢量控制策略時的抗擾動性能分析。如圖11所示，新的磁鏈觀測方法在響應速度方面是最快的，穩態的效果也是最好的。

圖11 負載突然增加時的動態波形

當負載突然增加時，交流側的三相電流波形變化如圖12所示。3種方法的反應都很及時，效果基本一致。

圖12 交流測量電流變化波形

如圖13所示，三相電網交流側的電流在突然增加負載后增加，功率因數仍然保證為1，進一步驗證了PWM整流器的高功率因數特性。

圖13 交流測得的電壓電流相位波形

3 結論

本文從三相PWM整流器主電路拓撲結構分析了基于無電網電壓傳感器的虛擬磁鏈定向的系統模型。在此基礎上，提出了新的無直流偏置虛擬磁鏈觀測算法，并應用于無電源電壓傳感器的三相PWM整流器磁鏈方向矢量控制法。使用該策略的仿真結果驗證了新方法的正確性和優越性，對進一步提高PWM整流器性能有很大幫助。

PWM整流器具有高功率因數、低諧波負載、雙向能流、恒定直流電壓控制等優點。在有源濾波、功率補償、潮流控制、太陽能、交流和直流輸電系統等領域有著廣闊的應用前景。而三相無電壓傳感器PWM整流器在船用電網中的應用，對于進一步提高船舶電網利用效率和船舶空間利用效率具有積極意義。