矩陣式變換器在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的仿真＊

詹軻倚 高海波 楊祥國

（武漢理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 武漢 430063）

0 引 言

在使用交流電機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)的船舶中，主要使用交－直－交變頻器與傳統(tǒng)的交－交變頻器［1］.交－直－交變頻器存在的缺陷有：（1）需要容量較大的儲能元件（電容或電感），變頻器功率密度較低；（2）在只使用二極管不控整流時不能實(shí)現(xiàn)能量反饋，同時為避免制動時反饋電能時中間直流回路電壓升高對電力器件的損壞，還需要設(shè)置制動電阻消耗掉回饋能量［2］；傳統(tǒng)交－交變換器也稱周波變換器，主要缺點(diǎn)有：（1）輸出頻率受電網(wǎng)頻率限制，通常只能為電網(wǎng)頻率的30%～40%；（2）因采用相控方法，輸出含有大量諧波，輸入功率因素低.矩陣變換器屬于交－交變換器，是一種直接變頻電路，采用的是全控型開關(guān)器件，使用 “斬控方式”而非“相控方式”，這些特點(diǎn)使其具有以下優(yōu)點(diǎn)［3］：（1）不需要直流儲能環(huán)節(jié)，功率密度高；（2）產(chǎn)生正弦的輸出電流與輸入電壓，且輸入功率因素可調(diào)；（3）輸出頻率不受電網(wǎng)頻率限制；（4）能實(shí)現(xiàn)能量反饋.矩陣變換器已在如電力戰(zhàn)車，深海機(jī)器人，風(fēng)力發(fā)電，飛機(jī)機(jī)翼控制等領(lǐng)域有實(shí)際應(yīng)用［4－5］.國外一些大學(xué)與科研機(jī)構(gòu)也已經(jīng)著手對其應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)領(lǐng)域進(jìn)行研究.如英國倫敦學(xué)院、諾丁漢大學(xué)，以及國防部于1997年展開了其在綜合電力推進(jìn)（IFEP）中的應(yīng)用研究；美國海軍將其作為全電力推進(jìn)船（AES）研究的一個方向［6］.國內(nèi)關(guān)于矩陣式變換器的應(yīng)用研究鮮有報道.船舶電網(wǎng)容量有限，對電能質(zhì)量要求高，矩陣變換器的諧波含量少，可實(shí)現(xiàn)輸入電壓正弦化能改善船舶電網(wǎng)質(zhì)量.船舶空間有限，電力推進(jìn)船舶動力裝置大多布置于船尾，而將船體中央的較大空間騰出，用作船舶目的的直接相關(guān)項(xiàng)目，然而船的尾部橫截面較少，在尾部提供的浮托力要小，相應(yīng)的，為了避免船體內(nèi)部產(chǎn)生不可接受的應(yīng)力，朝船尾安裝的設(shè)備需要相對較輕.矩陣變換器不需要直流存儲單元，功率密度高，相對傳統(tǒng)變頻器有重量上的一定優(yōu)勢.并且矩陣變換器的能量回饋對電機(jī)經(jīng)常處于“做功”與“發(fā)電”狀態(tài)下時也有一定意義，如在動力定位船舶（DP）上的運(yùn)用，可以達(dá)到節(jié)能的效果.

1 矩陣變換器

1.1 基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

矩陣變換器是一種理論上可以實(shí)現(xiàn)任意m相輸入到任意n相輸出變換的交—交變換器［7］.圖1所示的是一種三相輸入到三相輸出的矩陣變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).輸入側(cè)為a，b，c，輸出側(cè)為A，B，C.為雙向開關(guān)，它能實(shí)現(xiàn)雙向阻斷電壓和傳導(dǎo)電流.目前并不存在完全符合要求的雙向開關(guān)，圖2為一種替代結(jié)構(gòu)，其利用RB－IGBT反相并聯(lián)近似實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)的功能.

圖1 三相—三相矩陣變換器拓?fù)?/p>

圖2 RB－IGBT反相并聯(lián)雙向開關(guān)

1.2 雙空間矢量調(diào)制算法

雙空間矢量調(diào)制法是針對矩陣式變換器的一種高效調(diào)制算法，輸入輸出電壓比可以達(dá)到0.866，大于矩陣式變換器提出初期的0.5.其主要思路是把矩陣式變換器假想成虛擬整流與虛擬逆變環(huán)節(jié)，分別運(yùn)用空間矢量算法調(diào)制，再將得到的兩組開關(guān)狀態(tài)合成為矩陣式變換器的雙向開關(guān)狀態(tài).對于虛擬整流環(huán)節(jié)，見圖3左側(cè)，輸入側(cè)可看作電壓源，不能短路以避免產(chǎn)生大電流.任意時刻需滿足兩條直流母線有且只能有1個開關(guān)導(dǎo)通.對于虛擬逆變環(huán)節(jié)，見圖3右側(cè)，輸出側(cè)可看作電流源不能開路以避免產(chǎn)生大電壓，任意時刻需滿足每個輸出相有且只有1個開關(guān)導(dǎo)通.

矩陣變換器雙向關(guān)與虛擬整流與逆變開關(guān)函數(shù)等效關(guān)系為［8］

限定條件為1≤SGm＋SJn＋SKl

圖3 雙空間矢量調(diào)制示意圖

圖4 虛擬逆變與虛擬整流矢量合成

式中：G，J，K ∈ ｛A，B，C｝；m，n，l∈ ｛a且G ≠K，m≠l

虛擬整流側(cè)6個開關(guān)可得到9種電流不同矢量，6種為有效電流矢量，將1個周期平均分為6個扇區(qū)，如圖4a）所示.以圖中電流矢量i1為例，開關(guān)狀態(tài)“1，－1，0”表示a相接直流正極，b相接直流負(fù)極，c相懸空，此時輸入電流矢量為.任意輸入電流可以由其兩相鄰電流矢量和零矢量合成得到.虛擬逆變側(cè)6個開關(guān)可得到8個電壓矢量.其中6個為有效電壓矢量，其將1個周期平均分成6個扇區(qū).如圖4b）所示.以圖中電壓矢量u1為例，開關(guān)狀態(tài)“1，0，0”表示A 相接直流正端，B，C連接直流負(fù)端，此時輸出電壓矢量為.任意輸出電壓可以由兩相鄰電壓矢量和零電壓矢量合成.輸入相電流與輸出線電壓的合成如式（2）、式（3）所示.

式中：ii為期望輸入相電流；iμ，iv為ii所處扇區(qū)兩相鄰電流矢量；dμ，dv為對應(yīng)的占空比；ioc為零電流矢量；doc為其占空比；uo為期望輸出線電壓；uα，uβ為uo所處扇區(qū)兩相鄰電壓矢量；dα，dβ為對應(yīng)的占空比；uov為零電壓矢量；dov為其占空比.圖4示例中μ＝1，v＝2，α＝1，β＝2.

關(guān)于各基準(zhǔn)電流矢量與電壓矢量的占空比時間可由正弦定理與PWM原理得到，如式（4），（5）所示.

βi為期望電流矢量與所在扇區(qū)角平分線的夾角，如圖4a）所示，滿足.α 為期望電o壓矢量與滯后分量夾角，如圖4b）所示，滿足0≤.m，m分別為電流與電壓調(diào)制系數(shù)，分別cv滿足與u分dc別為虛擬直流側(cè)電流與電壓.由輸出線電壓uo和輸入相電流ii的扇區(qū)和扇區(qū)角.根據(jù)上述原理可選擇對應(yīng)的基本電壓與電流矢量uα，uβ，iμ，iv零空間矢量uov與ioc，以及其對應(yīng)的占空比.

2 永磁同步電機(jī)矢量控制

永磁同步電機(jī)模型具有多變量，強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，在三相坐標(biāo)系內(nèi)求解困難.如果將電機(jī)模型由三相靜止坐標(biāo)變換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（d－q坐標(biāo)系）可得出永磁同步電機(jī)在d－q坐標(biāo)系的電壓方程，磁鏈方程，轉(zhuǎn)矩方程：

式中：ud，uq分別為經(jīng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后d－q軸上電壓；Ψd，Ψq為d－q軸上的磁鏈；Ψr為轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子磁鏈；Rs為定子繞組電阻；Lsd為定子直軸電感；Lsq為定子交軸電感；ω為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角頻率；p為微分算子；pn為磁極對數(shù).

矢量控制（磁場定向控制），通過控制永磁同步電機(jī)的定子三相電流使其合成電流矢量完全落在q軸上，使得id＝0，iq＝is.上述各項(xiàng)方程變?yōu)?/p>

經(jīng)坐標(biāo)變換后永磁同步電機(jī)模型見圖5a）.

磁場定向矢量控制示意圖見圖5b）.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場Ψr恒定，由電磁轉(zhuǎn)矩方程（11）可知，若能較為準(zhǔn)確的測量到轉(zhuǎn)子d軸的位置，控制電機(jī)定子的合成電流矢量恰好位于q軸上，就使得電磁轉(zhuǎn)矩只與定子電流矢量幅值成正比.控制定子電流幅值就能直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩，此時永磁同步電機(jī)便有了與直流電機(jī)一樣的控制特性.

3 模型建立與系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)由速度調(diào)節(jié)器（PI），電流調(diào)節(jié)器（PI），坐標(biāo)變換單元，雙空間矢量調(diào)制，矩陣變換器，永磁同步電機(jī)等環(huán)節(jié)組成，見圖6.電機(jī)實(shí)際速度與給定速度相比較輸入速度調(diào)節(jié)器，得到q軸參考電流.為實(shí)現(xiàn)矢量控制，設(shè)定d軸參考電流為0.d－q軸參考電流與實(shí)際電流比較，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器得到d－q軸上參考電壓與，坐標(biāo)變換后得到三相靜止坐標(biāo)系中參考電壓UA，UB，UC.將參考電壓與輸入相電流通過雙空間矢量調(diào)制后控制矩陣式變換器的雙向開關(guān)，便實(shí)現(xiàn)對永磁同步電機(jī)的矢量控制.

圖5 永磁同步電機(jī)矢量圖與磁場定向圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 仿真對象

仿真對象為某船用永磁同步電機(jī).由于目前還尚無實(shí)船運(yùn)用矩陣變換器，本文采用該船使用的永磁同步電機(jī)參數(shù)對矩陣變換器在電力推進(jìn)船舶推進(jìn)船舶上的運(yùn)用進(jìn)行初步探索，永磁同步電機(jī)的參數(shù)如下：定子電阻Rs＝0.001 5Ω，交、直軸與交軸電感Ld＝Lq＝0.000 47H；轉(zhuǎn)子磁鏈ψf＝3.5Wb；磁極對數(shù)Pn＝8；轉(zhuǎn)動慣量J＝550 kg·m2；額定電壓U＝660V；額定轉(zhuǎn)速n＝200 r／min；額定轉(zhuǎn)矩Te＝195.2kN·m.

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 仿真實(shí)驗(yàn)

對于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，在制動過程中電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)，電動機(jī)轉(zhuǎn)子、螺旋槳和船體本身所存儲的機(jī)械能是巨大的［9］，可以轉(zhuǎn)換成電能進(jìn)行反饋，達(dá)到節(jié)能的目的.本文模擬電機(jī)由一到二象限運(yùn)行，設(shè)定轉(zhuǎn)速為200r／min，起始轉(zhuǎn)矩為195.2kN·m，0.5s后變?yōu)?00kN·m，于1.5s變?yōu)椋?00kN·m.

圖7 仿真結(jié)果圖

4.3 結(jié)果分析

由圖7a），b）可看出，電機(jī)在負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速都能很好的保持設(shè)定值，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后電磁轉(zhuǎn)矩與給定轉(zhuǎn)矩相等，且響應(yīng)較快，運(yùn)行平穩(wěn).說明此策略能保持矢量控制的優(yōu)點(diǎn).從圖7c），d）中可看出，當(dāng)轉(zhuǎn)矩為正時，電機(jī)運(yùn)行于第一象限，功率因素為“1”；當(dāng)轉(zhuǎn)矩為負(fù)時（1.5s），電機(jī)運(yùn)行于第二象限，處于發(fā)電狀態(tài)，功率因素變?yōu)椤埃?”，實(shí)現(xiàn)了能量反饋.輸入電流THD＝1.5%，符合船舶電網(wǎng)總諧波畸變率小于5%的要求.

5 結(jié)束語

本文從當(dāng)前船用變頻器缺陷出發(fā)，結(jié)合矩陣變換器不需要直流儲能環(huán)節(jié)，輸出頻率不受電網(wǎng)頻率限制，易于能量反饋等優(yōu)點(diǎn).將矩陣變換器結(jié)合電機(jī)矢量控制原理應(yīng)用于船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)轉(zhuǎn)速能保持設(shè)定值，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，輸入側(cè)電流總諧波畸變符合要求且能實(shí)現(xiàn)能量反饋.矩陣變換器較為適用于推進(jìn)電機(jī)需要經(jīng)常工作于“做功”與“發(fā)電”狀態(tài)的場合.今后可對其運(yùn)用于用于動力定位船舶（DP）進(jìn)行研究；還可從經(jīng)濟(jì)性，穩(wěn)定性等方面對矩陣式變換器代替現(xiàn)在所用的交—直—交變換器以及傳統(tǒng)交—交變換器進(jìn)行可行性研究.

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