船用逆變電源負載短路控制技術研究

彭娟娟，黃民發(fā)，劉 洋，沈 鴻

應用研究

船用逆變電源負載短路控制技術研究

彭娟娟，黃民發(fā)，劉 洋，沈 鴻

（武漢電力職業(yè)技術學院，武漢 430000）

為提高船舶日用電網的可靠性，本文首先給出了逆變電源主電路拓撲并對日用電網三種負載短路形式進行了分析；然后提出了基于經典PI調節(jié)器和動態(tài)補償調節(jié)器的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略并建立了動態(tài)補償調節(jié)器數學模型；最后在MATLAB仿真環(huán)境對所選控制策略進行了仿真驗證，給出了仿真波形及分析結果，驗證了控制策略的有效性。

負載短路 雙閉環(huán) 動態(tài)補償調節(jié)器

0 引言

船舶日用電網用于為照明、水泵、風機等小功率設備供電，用電設備品種廣、數量多，在長期使用中易發(fā)生負載短路故障[1-2]。為提高其可靠性和電網品質，減小設備體積，高性能船舶多選用船用逆變電源給船舶日用電網供電，當船舶日用電網發(fā)生負載側短路時，逆變電源正常運行但會提供較大短路電流，短路點被旁路后逆變電源自動恢復正常供電。因此，如何合理地設計調節(jié)器和選用控制策略，保證在負載短路時逆變電源能快速限制短路電流，確保短路電流被限制在安全范圍內，旁路后逆變電源能快速恢復輸出電壓給負載供電成為亟待解決的問題[3-4]。

1 船用逆變電源負載短路分析

船用逆交電源負載短路分為單相對地短路、兩相對地短路、三相對地短路、兩相相間短路和三相相間短路，分析如下:

1）單相對地短路：包括A、B或C對地短路，在此，以A點對地短路為例分析。逆變電源經正弦波濾波電感、直流支撐電容中性點接地電容和大地形成回路，由于直流支撐電容中性點接地電容nF級，因此對地短路電流很小。

2）兩相對地短路：包括A、B對地短路、B、C對地短路和C、A對地短路三種，在此，以A、B對地短路為例分析。存在兩個回路，逆變電源經正弦波濾波電感、直流支撐電容中性點接地電容和大地形成回路，由于直流支撐電容中性點接地電容nF級，該回路電流很?。荒孀冸娫碅相電壓經A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，形成相間短路。

3）三相對地短路：包括逆變電源經正弦波濾波電感、直流支撐電容中性點接地電容與大地形成回路，由于直流支撐電容中性點接地電容為nF級，短路電流很?。荒孀冸娫碅相電壓經A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，造成相間短路；逆變電源B相電壓經B相正弦波濾波電感、C相正弦波濾波電感和逆變電源C相電壓形成回路，造成相間短路。

4）兩相相間短路：包括A、B相間短路、B、C相間短路和C、A相間短路三種。以A、B相間短路為例分析。逆變電源A相電壓經A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，形成相間短路。

5）三相相間短路：逆變電源A相電壓經A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，造成短路;逆變電源B相電壓經B相正弦波濾波電感、C相正弦波濾波電感和逆變電源C相電壓形成回路，造成短路。

2 船用逆變電源負載短路控制策略研究

2.1 船用逆變電源負載短路控制策略

船用逆變電源控制中需保證輸出電壓恒定、同時要求在短路時，逆變電源能將電流限制在安全范圍內，因此逆變電源屏控制采取電壓外環(huán)、電流內環(huán)的控制方案[5]。船用逆變電源檢測斷路器后端電壓，若有電壓，則電壓閉環(huán)的給定相位為斷路器后端電壓相位，若無電壓，則電壓閉環(huán)的給定相位由控制器產生。船用逆變電源控制策略框圖如圖1所示。

圖1 船用逆變電源控制策略框圖

2.2 船用逆變電源動態(tài)補償調節(jié)器設計

當船船舶日用電網發(fā)生負載短路時，船用逆變電源的輸出電流會急劇上升，為保證其不產生過流故障，必須快速地電流限制在過流故障閥值內，同時保證船用逆變電源可以輸出大電流。

船船舶日用電網發(fā)生負載短路時，負載電流急劇上升，單純依靠提高經典PI調節(jié)器的響應速度來滿足預定指標，可能導致調節(jié)器調節(jié)參數過大，使控制系統(tǒng)處于振蕩的邊緣，降低了設備的可靠性。因此，設計動態(tài)補償調節(jié)器，使得在正弦輸入量激勵下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，可將船用逆變電源負載短路電流快速限制在船用逆變電源電流限定值內，成為提高船用逆變電源可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。

要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，即控制系統(tǒng)輸入端穩(wěn)態(tài)誤差為零，同時在擾動源的激勵下，輸出端穩(wěn)態(tài)誤差為零，一般采取自適應機構設計原理，加入動態(tài)補償器補償擾動影響，因此，船用逆變電源穩(wěn)態(tài)性能主要是分析在正弦輸入源激勵下的控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差收斂情況，為調節(jié)器設計提供依據。

3 船用逆變電源負載短路控制策略仿真驗證

為了驗證系統(tǒng)建模方法的可行性及選擇性保護的正確性，仿真模型如圖2所示，主回路由直流電壓源、3相逆變器、正弦波濾波器、變壓器和阻感負載裝置組成，主回路仿真步長，逆變器開關頻率4 kHz，逆變電源輸出額定線電壓400 V，額定相電流720 A。

圖2 逆變電源仿真框圖

3.1 船用逆變電源負載兩相相間短路

兩相相間短路包括A. B相間短路、B、C相間短路和C、A相間短路三種，在此，以A、B相間短路為例開展仿真驗證，仿真波形如圖3所示。船用逆變電源負載A、B相間短路瞬間，逆變電源輸出電流急劇上升，電流上升至峰值時，電流限制功能起作用，船用逆變電源輸出電壓快速降低，輸出電流被限定在峰值以內，船用逆變電源負載A、B相間短路恢復瞬間，逆變電源輸出電壓快速增加，輸出電流減小，0.925 s之后船用逆變電源輸出電壓恢復。

3.2 短船用逆變電源負載三相相間短路

船用逆變電源負載三相相間短路瞬間，逆變電源輸出電流急劇上升，電流上升至峰值時，電流限制功能起作用，逆變電源屏輸出電壓快速降低，輸出電流被限定在峰值以內，船用逆變電源負載三相相間短路恢復瞬間，逆變電源輸出電壓快速增加，輸出電流減小，0.925 s后，船用逆變電源輸出電壓恢復。仿真波形如圖4所示。

4 小結

文以船用逆變電源為主要研究對象，闡述并分析了船用逆變電源工作原理、控制策略。針對船用逆變電源負載短路故障進行了分析，建立了動態(tài)補償調節(jié)器數學模型并對船用逆變電源負載短路控制策略進行了仿真驗證。結果表明，本文選用的控制策略可快速將負載短路電流限定在船用逆變電源安全工作范圍內，滿足船用逆變電源的功能、性能需求，研究成果具有較強的應用價值。

[1] 馬偉明. 艦船動力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)[J]. 海軍工程大學學報, 2002(6): 1-5, 9.

[2] 徐正喜, 楊金成, 吳大立, 等. 基于逆變電源組網的綜合電力系統(tǒng)保護技術研究[J]. 船電技術, 2011, 31(7): 1-4, 74.

[3] 柳彬, 謝煒, 余躍聽, 等. 逆變電源短路保護及限流策略[J]. 艦船科學技術, 2011, 33(8): 95-98, 129.

[4] 張志, 彭曉濤, 李曉寧, 等. 改進的多母線船舶電力系統(tǒng)短路電流計算方法[J]. 電網技術, 2013, 37(8): 2212-2217.

[5] 張勤進. 基于自適應滑模的船舶微電網多模式運行控制研究[D]. 大連: 大連海事大學, 2015.

Research on load short control technology of marine inverter power

Peng Juanjuan, Huang Minfa, Liu Yang, Shen Hong

（Wuhan Electirc Power Technical College , Wuhan 430000）

TP273

A

1003-4862（2022）12-0005-03

2022-07-19

彭娟娟（1983-），女，高級工程師。主要研究領域為電力系統(tǒng)、電力營銷。E-mail: 15902791474@163.com