船舶抗負載沖擊高性能逆變技術研究

章建峰+張艷軍+楊禎+戴訓龍

摘 要： 討論船舶單相交流負載的特性情況，重點研究能夠承受船舶220 V交流非線性負載引起的強沖擊電流的高性能逆變技術，通過電壓開環(huán)伯德圖對比分析數(shù)/?；旌峡刂撇呗耘c數(shù)字控制策略的響應速度，并搭建一臺220 V/10 kW的單相全橋逆變電源樣機，實驗結果驗證了船舶抗負載沖擊高性能逆變技術的可行性。

關鍵詞： 船舶； 單極倍頻； 沖擊電流； 單相逆變電源

中圖分類號： TN705?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0039?03

0 引 言

DC?AC逆變技術是將直流電能變換成交流電能的變流技術，已經(jīng)廣泛應用于我國的太陽能發(fā)電、航空航天、船舶等各個領域[1?3]。逆變技術種類繁多，其中使用場合最多、應用最穩(wěn)定的當屬電壓源全橋拓撲逆變技術[4?6]。目前，我國船舶上電力、動力系統(tǒng)的監(jiān)控裝置大量使用單相交流電源，但負載特性比較惡劣，負載多數(shù)為非線性負載，電流波峰因數(shù)可達3∶1，負載突加帶來的沖擊電流可達20倍額定電流值，且要求逆變電源不保護停機，輸出電壓暫降不大于5 ms。電壓單環(huán)控制方法帶非線性負載能力差，輸出電壓諧波大，難以滿足要求。常規(guī)的數(shù)字電壓電流雙環(huán)控制方法提高了帶非線性負載的能力，但由于數(shù)字延時降低了系統(tǒng)的控制帶寬，系統(tǒng)動態(tài)響應速度慢，負載突加沖擊電流使輸出電壓暫降大于5 ms，也不滿足船舶負載對逆變電源的要求。

為了滿足船上220 V非線性負載特殊的使用要求，并且逆變電源能夠承受20倍額定電流的沖擊，保證負載順利啟動及掛網(wǎng)負載正常工作，本文提出了一種新的船舶抗負載沖擊高性能逆變技術；采用基于單極倍頻SPWM調制的電壓電流雙環(huán)數(shù)/模混合控制策略，電壓電流環(huán)由模擬實現(xiàn)，無數(shù)字控制的延時，單極倍頻SPWM調制等效開關頻率是開關頻率的2倍，控制帶寬高，電壓動態(tài)調節(jié)速度快。通過搭建一臺220 V/10 kW的單相逆變電源用作實驗，實驗結果表明所提出的控制策略具有較好的抗負載沖擊能力。

1 單相逆變電源拓撲結構

單相逆變電源的拓撲結構如圖1所示，單相逆變電源由單相全橋、隔離變壓器、輸出濾波電感和電容構成。單相全橋的開關器件為IGBT，隔離變壓器將直流側電源與交流側負載電氣隔離，輸出濾波電感、電容濾除高次開關諧波。

2 船舶抗負載沖擊高性能逆變技術

本文研究的高性能逆變技術，控制策略采用基于單極倍頻SPWM調制的電壓電流雙環(huán)數(shù)/?；旌峡刂萍夹g，開關頻率20 kHz，原理示意圖如圖2所示。DSP通過DA芯片產生的指令電壓和輸出電壓[uo（s）]作差經(jīng)PI控制器[G1（s）]形成電壓環(huán)，電壓環(huán)輸出為電流環(huán)的給定，電流環(huán)輸出的調制波與三角載波進行單極倍頻調制，生成的PWM驅動IGBT。

圖1 逆變電源的拓撲結構

圖2 逆變電路原理示意圖

單相全橋輸出電壓[uab（t）]的基波[uab1（t）]與調制波[ug（t）]有如下關系：

[uab1（t）=UdUcmug（t）=kmug（t）] （1）

式中[km]為直流母線電壓[Ud]與三角載波幅值[Ucm]之比。

由拉氏變換可得，逆變器主電路傳遞函數(shù)：

[uab1（s）ug（s）=km] （2）

經(jīng)過理想變壓器后，輸出電壓基波為[uab1′（s）]，變壓器變比[kT]，則有：

[uab1′sugs=kT·uab1sugs=kmkT] （3）

變壓器副邊與負載之間，由變壓器漏感和濾波電容構成[LC]低通濾波器，則負載上電壓[uo（s）]與[uab1′（s）]的傳遞函數(shù)為：

[uo（s）uab1′（s）=1LCs2+rC+LRLs+rRL+1] （4）

式中：[r]為變壓器擇算到副邊的內阻；[RL]為負載電阻。由式（1）～式（4）可得單極倍頻SPWM逆變電路開環(huán)傳遞函數(shù)[G（s）]為：

[Gs=uosugs=kmkTLCs2+rC+LRs+rR+1] （5）

濾波電感電流[iL（s）]對變壓器輸出電壓基波[uab1′（s）]的傳遞函數(shù)[Gi（s）]為：

[Gi（s）=iL（s）uab1′（s）=1LCs2+rC+LRLs+rRL+1·RLCs+1RL] （6）

輸出電壓[uo（s）]對濾波電感電流[iL（s）]的傳遞函數(shù)[Gv（s）]為：

[Gv（s）=uo（s）iL（s）=RLRLCs+1] （7）

因此可得逆變電源的控制系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

圖3 逆變電路控制系統(tǒng)框圖

通過對電流環(huán)和電壓環(huán)的設計，得到數(shù)/?；旌峡刂坪蛿?shù)字控制電壓開環(huán)的伯德圖如圖4所示。數(shù)/?；旌峡刂频南到y(tǒng)截止頻率為1 100 Hz，相角裕度為35°；數(shù)字控制的系統(tǒng)截止頻率為800 Hz， 相角裕度為1°，處于不穩(wěn)定的臨界狀態(tài)?？梢姅?shù)/?；旌峡刂茙捀?，相應速度更快，更穩(wěn)定。

圖4 單相逆變電源電壓開環(huán)伯德圖

3 實驗結果與分析

為了驗證理論研究的正確性，搭建了一臺220 V/10 kW單相船舶抗負載沖擊高性能逆變器樣機，電壓源采用全橋逆變拓撲結構，單極性倍頻SPWM調制電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)/?；旌峡刂萍夹g，IGBT為CM200DY?12NF，隔離變壓器變比為1∶2，濾波電感為3 mH，濾波電容為50 μF，開關頻率10 kHz，等效開關頻率為20 kHz，輸出接不控整流橋接阻容型負載，電容值1 000 μF/400 V，示波器為泰克TPS2012。

圖5所示為樣機帶不控整流橋接電解電容非線性負載穩(wěn)態(tài)運行實驗波形，由圖可知，負載電流波峰因數(shù)達3∶1。圖6為樣機突加不控整流橋接電解電容非線性負載試驗波形，由圖可知，負載沖擊電流迅速上升超過400 A，逆變電壓瞬間跌落，控制系統(tǒng)迅速閉環(huán)動作，2 ms內逆變電壓基本恢復正常，不影響負載正常啟動，也不會影響掛網(wǎng)負載正常工作。

圖5 非線性負載穩(wěn)態(tài)運行實驗波形

圖6 非線性負載突加實驗波形

4 結 語

本文針對船舶單相非線性負載高的電流波峰因數(shù)及突加時大電流沖擊的實際情況，研究了基于單極性倍頻SPWM調制的電壓、電流雙閉環(huán)數(shù)/模混合控制的高性能逆變技術。研究結果表明數(shù)/模混合控制比數(shù)字控制響應速度快，大電流沖擊下電壓恢復迅速，十分適合應用在船舶惡劣工況，最后實驗樣機驗證了船舶抗負載沖擊高性能逆變技術的可行性。

參考文獻

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