變速柴油發(fā)電機(jī)組用電壓變換器

周奇勛，曹世宏，張榮臻，李東松

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054；2.總后勤部建筑工程研究所，西安 710032；3. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無(wú)錫 214035；4.特變電工西安柔性輸配電有限公司，西安 710119)

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變速柴油發(fā)電機(jī)組用電壓變換器

周奇勛1,2，曹世宏2，張榮臻3，李東松4

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054；2.總后勤部建筑工程研究所，西安 710032；3. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，無(wú)錫 214035；4.特變電工西安柔性輸配電有限公司，西安 710119)

針對(duì)根據(jù)負(fù)載功率調(diào)速的柴油發(fā)電機(jī)組，提出了整流-升壓-逆變-濾波的電能變換結(jié)構(gòu)，并采用CPLD對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與控制。通過(guò)對(duì)該電能變換裝置的功能需求的分析，確定了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。分析了以TMS320F2808為核心的控制電路、主功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路的工作原理，提出了擾動(dòng)補(bǔ)償+閉環(huán)的復(fù)合控制策略。通過(guò)整機(jī)實(shí)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變換器可適應(yīng)負(fù)載的變化，輸出電壓幅值、頻率均穩(wěn)定的電能。

變速柴油發(fā)電機(jī)組；整流升壓；全橋逆變

0 引 言

為了滿足持續(xù)增長(zhǎng)的電力需求，除了各種大型發(fā)電設(shè)備不斷投入運(yùn)行外，中小型的備用發(fā)電設(shè)備、移動(dòng)發(fā)電設(shè)備的需求量和生產(chǎn)量也不斷增加。柴油發(fā)電機(jī)組作為這類(lèi)發(fā)電設(shè)備的主要形式之一，近年來(lái)通過(guò)不斷引進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的最新技術(shù)，向著智能化、節(jié)能降耗、高可靠性的方向發(fā)展。

其中，采用變速運(yùn)行方式的柴油發(fā)電機(jī)組，能夠根據(jù)負(fù)載對(duì)電能的需求，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)組始終工作在高效率區(qū)，從而增加了機(jī)組對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性，提高了效率，降低了長(zhǎng)期運(yùn)行的成本，具有廣闊的發(fā)展前景。但變速柴油發(fā)電機(jī)組直接輸出的交流電壓、頻率都隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而改變，無(wú)法直接輸入用電設(shè)備。

本文采用整流-升壓-逆變-濾波的電能變換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變速發(fā)電機(jī)組發(fā)出的變頻變壓的電能到負(fù)載所需要的恒頻恒壓電能的轉(zhuǎn)變；同時(shí)根據(jù)負(fù)載功率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為最節(jié)能轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)表明，變換器系統(tǒng)性能穩(wěn)定、控制策略合理，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化自適應(yīng)工作，輸出電壓幅值、頻率恒定。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組的工作模式有多種類(lèi)型。其中，定速發(fā)電機(jī)組輸出電能直接供用戶使用的工作模式對(duì)負(fù)載適應(yīng)性較差，工作效率低下，且供電質(zhì)量受發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速影響較大；先將發(fā)電機(jī)組發(fā)出的交流電整流成直流，再將其逆變?yōu)榻涣麟姷墓ぷ髂Ｊ綆в姓餍载?fù)載，功率因數(shù)低，功率損耗大，輕載時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)仍需高速運(yùn)行，難以提高發(fā)電機(jī)組的工作效率。

本文采用發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速+整流升壓+逆變調(diào)壓的工作模式，即根據(jù)負(fù)載大小調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，使機(jī)組始終工作在高效率區(qū)，從而節(jié)省燃油，降低發(fā)電機(jī)摩損；同時(shí)將變速發(fā)電機(jī)組輸出的交流電首先經(jīng)整流電路轉(zhuǎn)換成脈動(dòng)的直流電，然后將所得的脈動(dòng)電壓進(jìn)行升壓與濾波處理，得到恒定的直流電壓，最后經(jīng)過(guò)逆變電路轉(zhuǎn)換為符合負(fù)載使用要求的工頻交流電。

變速發(fā)電機(jī)組外部連接系統(tǒng)起停、調(diào)速控制模塊，該模塊控制發(fā)電機(jī)組和逆變器的起停。同時(shí)該模塊與發(fā)電機(jī)組之間通過(guò)CAN總線通信，在調(diào)速過(guò)程中，變換器內(nèi)部檢測(cè)系統(tǒng)的電壓電流，分析當(dāng)前輸出的功率，根據(jù)當(dāng)前輸出功率，向該模塊發(fā)送速度指令，便可對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)速。

根據(jù)以上分析，本設(shè)計(jì)確定變換器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要分為兩部分：主功率電路和主控制電路。主功率電路主要包括整流電路、Boost升壓電路、全橋逆變電路以及輸出濾波電路?？刂齐娐返闹饕δ苁强刂粕龎骸⒛孀冸娐分泄β势骷拈_(kāi)通、關(guān)斷，檢測(cè)功率電路中的電壓、電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和保護(hù)功能，并完成與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的CAN通信；為了提高系統(tǒng)的可靠性，控制電路中增加復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)分擔(dān)DSP的任務(wù)，對(duì)關(guān)鍵信號(hào)的邏輯進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主功率電路設(shè)計(jì)

本文確立的變換器系統(tǒng)主功率電路如圖2所示：發(fā)電機(jī)組的輸出作為整流電路的輸入，由整流及升壓電路將發(fā)電機(jī)輸出的交流電整流升壓，然后輸入到逆變電路完成逆變過(guò)程，并對(duì)高頻電壓進(jìn)行濾波，實(shí)現(xiàn)三相正弦電壓輸出。

圖2 主功率電路

整流橋采用德國(guó)Semikon公司的SKD160型號(hào)三相不控整流橋，額定正向平均電流為160 A。為了使后級(jí)逆變輸出線電壓有效值為400 V的交流電，本系統(tǒng)確定Boost升壓電路將整流后直流電壓升至680 V，因此Boost升壓電路和逆變橋IGBT的集電極、發(fā)射極兩端承受的電壓為直流680 V左右，考慮到器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中有電壓尖峰的影響，選取一定的電壓裕量，即耐壓值需大于1 000 V。根據(jù)系統(tǒng)的功率要求和電壓輸出值，確定升壓部分采用三菱公司的兩單元IPM模塊PM200DVA120，額定電流為200 A、耐壓1 200 V。逆變橋采用六單元IPM模塊PM150CLA120，額定電流為120 A，耐壓1 200 V。

圖3中共陰極整流二極管DZ1、DZ3、DZ5中陽(yáng)極電位最高的二極管將優(yōu)先導(dǎo)通，共陽(yáng)極整流二極管DZ2、DZ4、DZ6反之。LA、LB為升壓電感，D7、D8為續(xù)流二極管，C7、C8為串聯(lián)濾波電容，N點(diǎn)與發(fā)電機(jī)中線連接，當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)，可通過(guò)調(diào)整兩個(gè)開(kāi)關(guān)管Q1、Q2的PWM占空比，平衡兩個(gè)輸出濾波電容C7、C8上的電壓。逆變電路中，R1、C1和D1構(gòu)成H1的RCD緩沖電路，用于防止功率開(kāi)關(guān)管在關(guān)斷瞬間產(chǎn)生電壓尖峰，減少功率管的開(kāi)關(guān)損耗，并防止反偏置電壓造成的二次擊穿破壞。

2.2 升壓及逆變驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)IPM中功率IGBT的工作原理和設(shè)計(jì)要求，本文所設(shè)計(jì)控制器的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)選用東芝的TLP250功率型光耦，電路如圖3所示。TLP250在器件內(nèi)部對(duì)輸入和輸出進(jìn)行了光電隔離，隔離電壓可以達(dá)到2 500 V(均方根值)，將低壓控制器件與高壓功率器件電氣隔離，保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定；同時(shí)該器件的輸出端采用了推挽工作方式，可產(chǎn)生最大驅(qū)動(dòng)電流±1.5 A。

圖3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F2808

控制芯片需完成對(duì)系統(tǒng)的控制、檢測(cè)和分析，并將檢測(cè)結(jié)果作為閉環(huán)控制的反饋量，通過(guò)控制芯片的PWM模塊分別在升壓部分和逆變部分形成獨(dú)立的閉環(huán)控制。從低成本、高可靠性、小體積、總線通訊以及逆變器對(duì)控制芯片的性能要求考慮，本文選擇TI的浮點(diǎn)DSP TMS320F2808作為控制芯片。

2.4 復(fù)雜可編程邏輯器件EPM3128ATC100

為提高系統(tǒng)的可靠性，采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)作為關(guān)鍵信號(hào)的邏輯檢測(cè)與控制，CPLD屬于硬件電路，相對(duì)于DSP，其可靠性與實(shí)時(shí)響應(yīng)能力更高。CPLD芯片選用Altera公司生產(chǎn)的EPM3128ATC100。

2.5 采樣電路設(shè)計(jì)

對(duì)于大功率的母線電流采樣，必須先經(jīng)過(guò)調(diào)理電路，使得其轉(zhuǎn)換為能夠被DSP所接收的電壓范圍(一般為0 V～3 V)。本設(shè)計(jì)的電流電壓采樣電路如圖4所示。

圖4 電流、電壓采樣電路

電流傳感器匝數(shù)比為1∶1000，電路前端電阻RB4為采樣電阻，可將電流傳感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。DB1鉗位二極管用來(lái)限制輸入到DSP模擬信號(hào)輸入端口的電壓幅度，避免因電壓過(guò)高而被燒毀DSP。電壓采樣電路與電流采樣電路原理相同。

2.6 CAN通信電路設(shè)計(jì)

CAN通信電路是與發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊進(jìn)行指令傳輸?shù)碾娐贰１疚脑O(shè)計(jì)的通信電路原理圖如圖5所示，通信選用TI的ISO1050芯片，該芯片雙邊隔離電壓為4 000 V，原副邊均采用5 V供電，原邊通過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片與DSP連接，副邊與直接與調(diào)速模塊連接，且按照CAN通信電氣規(guī)范，在輸出網(wǎng)絡(luò)CANH_B和CANL_B之間接120 Ω終端匹配電阻以減少信號(hào)反射。

圖5 CAN通信電路原理圖

3 系統(tǒng)控制策略

3.1 調(diào)速控制策略

根據(jù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)最小燃油消耗特性曲線，可得一定功率下燃油消耗率最小的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制首先通過(guò)負(fù)載功率的反饋，決定發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)燃油消耗率最小轉(zhuǎn)速)；其次通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)電機(jī)溫度、整流器溫度等的反饋，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行修正，從而確保發(fā)電機(jī)組更安全、可靠的運(yùn)行。

3.2 升壓及逆變控制策略

為了使逆變器的輸出電壓能夠在輸入電壓及溫度等變化時(shí)，維持到穩(wěn)定狀態(tài)，Boost升壓電路及逆變電路均采用擾動(dòng)補(bǔ)償+閉環(huán)的復(fù)合控制策略，如圖6和圖7所示。在柴油機(jī)轉(zhuǎn)速或負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)電壓反饋進(jìn)行PID閉環(huán)控制改變PWM的占空比，從而調(diào)節(jié)Boost升壓值及輸出電壓；同時(shí)進(jìn)行負(fù)載擾動(dòng)、轉(zhuǎn)速擾動(dòng)、母線電壓擾動(dòng)補(bǔ)償控制，從而提高變換器控制的快速性能，使變換器輸出穩(wěn)定的工頻交流電。

圖6 Boost升壓電路控制策略

圖7 逆變電路控制策略

3.3 關(guān)鍵信號(hào)實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制策略

CPLD作為關(guān)鍵信號(hào)的邏輯檢測(cè)與控制單元，其主要硬件功能模塊如圖8所示。PWM斬波頻率檢測(cè)模塊可以有效防止PWM斬波頻率過(guò)高而導(dǎo)致功率器件開(kāi)關(guān)損耗增大，以及PWM斬波頻率過(guò)低而導(dǎo)致電壓尖峰增大；PWM死區(qū)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)PWM上下管控制信號(hào)死區(qū)時(shí)間，防止死區(qū)時(shí)間過(guò)大而增加逆變器的控制死區(qū)，或因死區(qū)時(shí)間過(guò)小而使功率器件出現(xiàn)直通現(xiàn)象；PWM換相邏輯檢測(cè)模塊主要判斷三相PWM邏輯是否正確；故障信號(hào)檢測(cè)模塊用于檢測(cè)系統(tǒng)的過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、過(guò)溫等信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，將結(jié)果發(fā)送給DSP，若系統(tǒng)出現(xiàn)故障，故障檢測(cè)模塊可及時(shí)封鎖PWM信號(hào)。

圖8 CPLD中主要硬件功能模塊框圖

4 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)驗(yàn)

在軟硬件調(diào)試完成后，將控制部分與主功率電路連接，對(duì)整機(jī)進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)其電能變換功能。

(1)柴油發(fā)電機(jī)組在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下，能保持恒定的Boost母線電壓輸出，且逆變輸出互錯(cuò)120°的三相交流電壓，正弦性良好，單相輸出有效值穩(wěn)定在230 V，如圖9所示。

圖9 恒定轉(zhuǎn)速下變換器輸出電壓波形(截圖)

(2)整機(jī)試驗(yàn)中最嚴(yán)酷的考核為負(fù)載從0突加至額定時(shí)，測(cè)試變換器的帶載性能。圖10為滿載突加試驗(yàn)波形。由于負(fù)載增加，電路中的電流會(huì)突增，但Boost輸出電壓基本穩(wěn)定，正負(fù)母線電感電流均衡，并在負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓突變小于30 V(直流母線電壓仍保持在650 V以上)，穩(wěn)定時(shí)間200 ms，可以滿足后級(jí)逆變對(duì)直流電壓(≥570 V)的要求。

圖11為滿載突加試驗(yàn)過(guò)程中，變換器輸出波形。圖中逆變部分輸出電壓波形在加載之后出現(xiàn)畸變，但畸變時(shí)間遠(yuǎn)小于1個(gè)波頭的時(shí)間(10 ms)，波形立即恢復(fù)并穩(wěn)定。

圖10 滿載突加試驗(yàn)Boost輸出波形

圖11 滿載突加試驗(yàn)變換器輸出波形

實(shí)驗(yàn)表明，在負(fù)載突變的工況下，升壓電路能進(jìn)行自適應(yīng)控制，變換器輸出的三相交流電電壓波形畸變小，恢復(fù)快，輸出頻率穩(wěn)定。

5 結(jié) 語(yǔ)

采用調(diào)速+調(diào)壓的柴油發(fā)電機(jī)組工作模式，提高了柴油發(fā)電機(jī)組的工作效率，不控整流-Boost升壓-全橋逆變-無(wú)源濾波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電能的變換，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)和控制；采用CPLD對(duì)關(guān)鍵信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢查與控制，提高了系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)對(duì)變換器系統(tǒng)性能的測(cè)試表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，硬件電路設(shè)計(jì)得當(dāng)，閉環(huán)控制策略正確。本文所研究的變換器可適應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，輸出穩(wěn)定的恒頻恒壓的電能，滿足負(fù)載的用電需求。

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Research on the Voltage Converter for Variable Speed Diesel Generator Set

ZHOUQi-xun1,2,CAOShi-hong2,ZHANGRong-zhen3,LIDong-song4

(1.Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China;2.Xi'an Construction Engineering Research Institue,Xi'an 710032,China;3.No.58 Research Institute of CETC,Wuxi 214035,China;4.TBEA Xi'an Flexible Power T&D Co., Ltd.,Xi'an 710119,China)

The converting structure of rectify-boost-invert-smoothing was introduced for the diesel generator set, whose speed was controlled based on various loading power. CPLD was used to inspect and control the key signal. After analyzing the functional requirements of the power conversion device, the system scheme was proposed. The strategy of disturbance compensation and closed-loop combined control was designed. The principle of TMS320F2808 control circuit, main power circuit, drive circuit and sampling circuit were introduced in detail. The system preference was measured by the whole experiment. The experiment results show the output-voltage of the converter has constant amplitude and frequency, which can adapt to the change of the load.

variable speed diesel generator set; rectifier boost; full bridge inverter

2015-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307137)；中國(guó)博士后基金項(xiàng)目(2014M552618)；西安科技大學(xué)博士(后)啟動(dòng)金資助項(xiàng)目(2014QDJ082)

TM31

A

1004-7018(2016)04-0068-03

周奇勛(1979-)，男，博士后，副教授，主要從事機(jī)電控制及自動(dòng)化技術(shù)研究。