基于逆變技術(shù)的應(yīng)急供電裝置設(shè)計

代妮娜

(重慶三峽學(xué)院 信號與信息處理重點實驗室，重慶 404000)

基于逆變技術(shù)的應(yīng)急供電裝置設(shè)計

代妮娜

(重慶三峽學(xué)院 信號與信息處理重點實驗室，重慶 404000)

摘要：為了保證船舶的運行安全，一般船舶的供電系統(tǒng)在主電源之外，都設(shè)置有應(yīng)急供電裝置。在發(fā)生突發(fā)狀況時，船舶的主發(fā)電機發(fā)生故障,導(dǎo)致供電電源中斷，應(yīng)急供電裝置替代主電源進行供電。船舶應(yīng)急供電裝置可以向船舶上重要的應(yīng)急用電負載進行供電，來保障船舶應(yīng)急控制和船上人員安全。本文以蓄電池組作為應(yīng)急電源，采用逆變技術(shù)，設(shè)計了一種應(yīng)急供電裝置。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急供電；逆變；數(shù)字控制

0引言

我國《鋼質(zhì)海船建造與入級規(guī)范》(以下簡稱規(guī)范)中明確規(guī)定：一般情況下，客船及500 t以上貨船都應(yīng)該配有應(yīng)急電源。而且，應(yīng)急電源應(yīng)能獨立于主電源進行工作。如果應(yīng)急電源是發(fā)電機組，則另外必須配有蓄電池組作為臨時應(yīng)急電源。

當(dāng)船舶主電源失去供電能力時，臨時應(yīng)急電源應(yīng)該能及時取代主電源，向船上的各類應(yīng)急用電設(shè)備供電。為了保證應(yīng)急效果，應(yīng)急電源應(yīng)該需要具有一定的容量，能為船舶上各類重要用電設(shè)備進行短時供電。不同航線、不同船舶類型和不同載重等級的船舶對應(yīng)急供電裝置的供電時間也有不同的要求。對于小的太陽能電池或蓄電池等電池類電源，其容量應(yīng)至少能夠保證為確定的應(yīng)急供電負載正常供電0.5 h以上。對于大的應(yīng)急發(fā)電機組電源，其為應(yīng)急用電負載供電的時間不固定，具體可以參考表1。

表1　應(yīng)急發(fā)電機組的供電時間

1系統(tǒng)設(shè)計

船舶應(yīng)急供電系統(tǒng)一般包括應(yīng)急供電電源、DC/AC逆變裝置、交流母線及各類應(yīng)急用電負載等。

船舶上的應(yīng)急電源主要包括發(fā)電機組、蓄電池組、太陽能電池組和燃料電池等幾類。應(yīng)用最多的是發(fā)電機組和蓄電池組的應(yīng)急電源組合。其中交流發(fā)電機組電源是最主要的應(yīng)急電源，功率比較大，可以直接通過船舶的交流母線為應(yīng)急負載供電。而應(yīng)急蓄電池組電源是小的臨時應(yīng)急電源，容量比較受限，需要通過DC/AC逆變器，將直流的蓄電池電逆變?yōu)榕c母線同頻同相的三相交流電，為應(yīng)急照明等設(shè)備進行供電。

船舶上的應(yīng)急用電負載可以參考規(guī)范中的規(guī)定，規(guī)范中規(guī)定了以下5種主要應(yīng)急用電負載：

1)航行燈及各種信號燈；

2)船身各處的應(yīng)急照明；

3)通信聯(lián)絡(luò)設(shè)備：鳴笛、無線電設(shè)備、無線通訊設(shè)備、應(yīng)急報警裝置等；

4)消防滅火系統(tǒng)：火災(zāi)報警系統(tǒng)，噴淋消防系統(tǒng)，應(yīng)急消防泵控制系統(tǒng)；

5)其他用電設(shè)備：舵機，固定式潛水泵等[1]。

整個應(yīng)急供電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　船舶應(yīng)急供電系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of emergency power supply system of the ship

本文在對船舶應(yīng)急供電系統(tǒng)進行分析的基礎(chǔ)上，主要針對供電系統(tǒng)中的小的臨時應(yīng)急供電裝置進行設(shè)計與分析，設(shè)計了一種基于逆變技術(shù)的應(yīng)急供電裝置。

2逆變器系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)部分，采用了兩級式逆變電路結(jié)構(gòu)，對整個逆變器電路進行了系統(tǒng)的設(shè)計與分析。前級是Boost升壓電路，通過Boost升壓電路實現(xiàn)對蓄電池組的輸出電壓的升壓作用，其優(yōu)點是：變換器可以通過調(diào)節(jié)占空比靈活的調(diào)節(jié)輸出電壓，可以達到拓寬蓄電池組電源輸入電壓范圍的目的；同時變換器沒有使用任何隔離變壓器，可以減少磁性損耗，在一定程度上保證轉(zhuǎn)換效率；后級是三相全橋逆變電路，通過三相全橋逆變電路，將前級輸出的高壓直流電進行逆變，逆變?yōu)榕c船上交流母線相同頻率相同相位的三相交流電壓。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)控制部分采用先進的DSP數(shù)字處理PWM控制技術(shù)，可以方便地實現(xiàn)對模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)電壓電流雙閉環(huán)控制算法、實現(xiàn)對IO口的數(shù)據(jù)采集與控制、實現(xiàn)故障檢測等功能。

圖2　逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　System block diagram of inverter

3升壓電路設(shè)計

規(guī)范中規(guī)定：一般船舶的交流供配電網(wǎng)應(yīng)采用380 V/50 Hz的交流電源進行供電。本文為三項二線制的380 V/50 Hz交流系統(tǒng)。由于逆變電路對輸入電壓的大小有一定的要求，只有保證足夠高的輸入電壓，才能有逆變成功的可能性，所以需要將輸入蓄電池組的電壓升高到一定電壓值，即大于逆變交流的峰值電壓。根據(jù)380 V的交流電進行反向換算，至少需要537 V的直流輸入電壓[2-3]。

由于蓄電池的電壓限制，單節(jié)蓄電池的電壓等級都比較低，為了得到較高的直流輸入電壓，一般有以下2種方式：

1)電池串并聯(lián)組合：將多個低壓的單節(jié)蓄電池通過一定的串并聯(lián)組合，成為完整的一個蓄電池組，使整體蓄電池組的輸出電壓達到537 V以上。這樣的好處是可以提高輸電電壓的同時提高電池容量，但是這樣會占據(jù)很大面積，同時會有一定的安全隱患。

2)升壓變換器：通過升壓變換器，將單節(jié)蓄電池的輸入電壓進行升壓至所需要的指定電壓，但是由于輸入電壓過低，開關(guān)管損耗過大，導(dǎo)致變換器的效率不高，同時單節(jié)蓄電池的功率也受到限制。

本文采用兩者組合的方式，即先將若干個蓄電池進行串并聯(lián)組合為一個蓄電池組，達到一定的電壓和功率等級，然后通過Boost升壓變換器對蓄電池組進行升壓，將電壓升高到大于逆變交流的峰值電壓537 V，這樣可以保證逆變成功的可能性[4-5]。

圖3　典型逆變電路Fig.3　Typical inverter circuit

圖3為變換器前級采用的典型Boost升壓電路，電路的主要功能是將蓄電池組的低輸入電壓Vi升高至滿足逆變器要求的輸入電壓Vo。

圖4　Boost電路電壓閉環(huán)控制框圖Fig.4　Block diagram of voltage closed-loop control　of the boost circuit

為了得到穩(wěn)定可調(diào)的直流輸出電壓,電路采用基于PI調(diào)節(jié)器的電壓閉環(huán)系統(tǒng)進行控制，控制框圖如圖4所示。

基本控制原理是將計算設(shè)定好的基準(zhǔn)值Vref與實際輸出電壓值VO作差，然后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器計算得到PWM波的脈寬, 進而得到開關(guān)管的占空比D，并以此進行調(diào)節(jié)，得到穩(wěn)定的輸出電壓VO。另外，基準(zhǔn)值Vref根據(jù)輸出電壓進行折算得到,可以通過改變基準(zhǔn)值Vref，來靈活的改變電路的輸出電壓。

4逆變電路設(shè)計

逆變電路采用三相橋式逆變電路，將前一級升壓后的高壓直流電進行逆變，然后經(jīng)過濾波環(huán)節(jié)，最后把得到的三相交流電輸送到船舶的應(yīng)急電網(wǎng)上給負載供電。

電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。UDC為逆變器的輸入電壓，即前級升壓環(huán)節(jié)的輸出電壓，主電路由S1~S6六只主功率開關(guān)管組成，組成上下3個橋臂，每個橋臂的中點分別經(jīng)過電感La，Lb，Lc與電網(wǎng)連接，起到濾波的作用。CDC為直流母線支撐電容，起到儲能的作用，同時也作為前級Boost升壓電路的輸出濾波電容。控制部分采用先進的DSP數(shù)字控制，通過DSP發(fā)出的PWM控制信號來驅(qū)動6個開關(guān)管的開通和關(guān)段，控制橋臂中點電壓。電路要正常工作應(yīng)保證直流側(cè)電壓高于電網(wǎng)電壓的峰值[3]。

圖5　典型三相全橋逆變電路圖Fig.5　Typical circuit of three phase full-bridge inverter

本系統(tǒng)中的電路采用正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)。正弦脈寬調(diào)制技術(shù)是指利用標(biāo)準(zhǔn)的正弦調(diào)制波與三角載波進行比較，在每個交點處控制開關(guān)管的開通與關(guān)段，控制輸出電壓的脈沖寬度，將直流電壓調(diào)制成等幅、不等寬(寬度按正弦規(guī)律變化)的系列交流電壓脈沖，來控制輸出電壓的有效值。根據(jù)輸出電壓UN的極性和產(chǎn)生方式不同，可以將正弦脈寬調(diào)制技術(shù)分為雙極性調(diào)制技術(shù)、單極性調(diào)制技術(shù)和單極性倍頻方式。本系統(tǒng)采用簡單的單極性調(diào)制技術(shù)，其優(yōu)點是開關(guān)損耗較小，可以實現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)換效率，缺點是輸出電流脈動較大，犧牲了一定的功率因素[6]。

本系統(tǒng)采用母線電壓外環(huán)控制、并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)控制的典型的雙閉環(huán)控制方式。其中電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)控制，電流內(nèi)環(huán)則是基于無差拍電流控制理論,整個系統(tǒng)的控制器只有一個PI調(diào)節(jié)器，參數(shù)比較容易設(shè)定和調(diào)整。外環(huán)電壓控制主要作用是使直流母線支撐電容CDC兩端的電壓UDC為恒定值；內(nèi)環(huán)電流控制的主要作用是使輸出電流呈正弦變化，保證輸出電能質(zhì)量。

1)電流內(nèi)環(huán)控制

本系統(tǒng)采用的電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)的無差拍控制技術(shù)。由于使用DSP數(shù)字控制技術(shù)，采集到的數(shù)據(jù)需要一定處理的時間，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集和PWM控制信號輸出兩者之間存在一定的延時。從采集到數(shù)據(jù)到得到最終的PWM脈沖信號的寬帶值的產(chǎn)生，需要經(jīng)過一定的時間，所以導(dǎo)致最終的PWM脈沖信號的寬帶值實際作用于主電路的開關(guān)管需要延時一個開關(guān)周期。系統(tǒng)通過無差拍控制器計使輸出電流嚴(yán)格跟蹤電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號的規(guī)律變化，極大的提高功率因素?？刂瓶驁D如圖6所示。

圖6　電流內(nèi)環(huán)控制框圖Fig.6　Current loop control block diagram

2)電壓外環(huán)控制

本系統(tǒng)電壓外環(huán)控制，采用PI控制，通過調(diào)節(jié)并網(wǎng)輸出功率使直流母線支撐電容CDC兩端的電壓UDC保持恒定。當(dāng)并網(wǎng)功率小于蓄電池的輸出功率時，母線向電容回饋能量，向電容充電，電容兩端電壓升高；同理，當(dāng)并網(wǎng)功率大于蓄電池組的輸出功率時，母線電容CDC進行放電，電容兩端電壓降低。通過電源外環(huán)控制，實現(xiàn)保持直流母線支撐電容CDC兩端的電壓UDC恒定的目的[7]?？刂瓶驁D如圖7所示。

圖7　電壓外環(huán)控制框圖Fig.7　Voltage loop control block diagram

通過以上設(shè)計的逆變器，將蓄電池組輸出的低壓直流電逆變?yōu)榕c船舶電網(wǎng)相同頻率相同相位的正弦交流電,并入船舶的交流電網(wǎng)。在主電源遇到突發(fā)故障停止供電的時，應(yīng)急供電裝置通過交流母線，為應(yīng)急用電負載供電，實現(xiàn)應(yīng)急供電的功能。

5結(jié)語

本文就船舶應(yīng)急電源的作用以及應(yīng)急供電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進行了簡單分析。重點針對以蓄電池組作為應(yīng)急電源的應(yīng)急供電裝置進行了詳細的設(shè)計與分析。應(yīng)急供電裝置采用兩級式的逆變電路，實現(xiàn)對蓄電池輸出電壓的升壓與逆變，使最終的輸出電壓與交流母線電壓同頻同相。在主電源遇到故障，停止供電的時候，基于逆變技術(shù)的蓄電池應(yīng)急供電裝置能夠替代主電源為應(yīng)急負載供電，保障船舶的正常運行和船上的人員安全。本文給出了應(yīng)急供電裝置的基本電路設(shè)計，下一步需要搭建實驗平臺，進行實際的試驗驗證。

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Design of emergency power supply device based on inverter technology

DAI Ni-na

(Signal and Information Processing Key Laboratory, Chongqing Three Gorges

University，Chongqing 404000,China)

Abstract：In order to ensure the safe operation of the ship, general ships′ power supply systems are usually equipped with emergency power supply device besides the main power source. In the event of emergency situation, the main generator ship fault occurs, lead to the break down of the main power supply, the emergency power supply device replace the main power supply device for power supply. The emergency power supply device of a ship can supply power for the important load, to guarantee the emergency control of the ship and personal safety on the ship.This paper designs a kind of emergency power supply device using the batteries as the emergency power supply based on inverter technology.

Key words：emergency power supply;inverter;digital control

作者簡介：代妮娜( 1983 - ) ，女，碩士，講師，研究方向為控制與通信技術(shù)。

收稿日期：2014-11-23； 修回日期： 2014-12-10

文章編號：1672-7649(2015)02-0132-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.028

中圖分類號：TM464

文獻標(biāo)識碼：A