基于LCL濾波器的船舶軸帶發(fā)電機(jī)PWM整流器

甘世紅褚建新+顧偉+陳泰山

DOI：10.13340/j.jsmu.2016.04.013

文章編號：1672-9498（2016）04007005

摘要：為改善船舶軸帶發(fā)電機(jī)的性能，基于LCL濾波器的PWM整流器被應(yīng)用到船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中.為抑制LCL濾波器的諧振峰值，在不額外增加傳感器的情況下，設(shè)計一種新穎的電流控制器.通過Luenberger觀測器來預(yù)測電容電流，然后通過虛擬電阻反饋此電流引入有源阻尼，進(jìn)而抑制LCL濾波器諧振峰值；在此基礎(chǔ)上設(shè)計整流電壓和變流器側(cè)電流雙閉環(huán)控制策略，提高整流側(cè)直流電壓和變流器側(cè)交流電流的動態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力；最后通過仿真和實(shí)驗驗證了理論分析的正確性和控制策略的可行性.

關(guān)鍵詞：

LCL濾波器； 有源阻尼； PWM整流器； 軸帶發(fā)電機(jī)

中圖分類號： U664.1；TM34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

PWM rectifiers of ship shaft generators based on LCL filters

GAN Shihonga， CHU Jianxinb， GU Weib， CHEN Taishana

（a. Merchant Marine College； b. Institute of Logistics Science & Engineering， Shanghai Maritime

University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

In order to improve the performance of ship shaft generators， a PWM rectifier based on an LCL filter is applied to the ship shaft generator system. To suppress the resonance peak of the LCL filter， a novel current controller without additional transducers is proposed. The capacitive current is predicted by a Luenberger observer. Through the virtual resistor feedback， the predicted current creates active damping to suppress the resonance peak of the LCL filter. Based on this， the dualloop control strategy of the rectified voltage and the inverterside current is proposed to improve the dynamic responding time and the antiinterference ability of DC voltage in the rectifier side and AC current in the converter side. Finally， the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the control strategy are verified by the simulation and experiments.

Key words：

LCL filter； active damping； PWM rectifier； shaft generator

收稿日期： 20151112

修回日期： 20151222

基金項目：

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2013329810350）；上海市自然科學(xué)基金（14ZR1419100）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會資助項目（13160501500）；上海海事大學(xué)?；穑?0130430）

作者簡介：

甘世紅（1970—），男，甘肅蘭州人，副教授，博士，研究方向為船舶電氣控制系統(tǒng)，（Email）shgan@shmtu.edu.cn

0引言

船舶軸帶發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶上.軸帶發(fā)電機(jī)以主機(jī)作為原動機(jī)，充分利用主機(jī)的富余功率，其運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于柴油發(fā)電機(jī).船舶軸帶發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)一般采用永磁發(fā)電機(jī)和變流器方式[12]，首先將軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電進(jìn)行整流，然后通過網(wǎng)側(cè)逆變器將電能回饋到船舶電站.

軸帶發(fā)電機(jī)采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）整流技術(shù)可以輸出穩(wěn)定可控的直流電壓，交流側(cè)功率因數(shù)可控.[35]此外，PWM整流器采用LCL濾波器可以有效抑制高頻電流諧波，采用較小的電感可以得到理想的濾波效果，但LCL濾波器是一個三階諧振電路，在諧振頻率時對軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和船舶電網(wǎng)的電流諧波影響很大.這是因為LCL濾波器是一個無阻尼或低阻尼的系統(tǒng)，所以必須采用有源阻尼或無源阻尼方法來抑制諧振峰值.無源阻尼方法是在濾波器里串聯(lián)電阻，該方法雖然簡單、概念清楚，但將引起整個系統(tǒng)功耗大增[6]；有源阻尼方法是通過反饋控制來實(shí)現(xiàn)的，近年來成為并網(wǎng)控制的研究熱點(diǎn)[712].目前，國內(nèi)外學(xué)者針對LCL濾波器提出的一些控制方案，基本上可以分為間接電流控制和直接電流控制兩類，前者主要采用幅相控制[1314]，后者又可以分為電壓電流雙閉環(huán)控制[1]和直接功率控制[1517].

本文對基于LCL濾波器的軸帶發(fā)電機(jī)PWM整流器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，提出一種新的電流控制器設(shè)計方法，在不額外增加傳感器的情況下，通過Luenberger觀測器觀測電容電流，然后通過反饋此電容電流來獲得有源阻尼，進(jìn)而抑制LCL濾波器的諧振峰值，使PWM變換器獲得滿意的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，最后通過仿真和實(shí)驗驗證理論分析的正確性和控制策略的可行性.

5結(jié)論

為改善船舶軸帶發(fā)電機(jī)的性能，本文研究了基于LCL濾波器的船舶軸帶發(fā)電機(jī)PWM整流器.為抑制LCL濾波器的諧振峰值，在不額外增加傳感器的情況下設(shè)計了一種新穎的電流控制器.采用Luenberger觀測器來預(yù)測電容電流，然后通過虛擬電阻反饋此電流引入有源阻尼，進(jìn)而抑制LCL濾波器諧振；在此基礎(chǔ)上設(shè)計了整流電壓和變流器側(cè)電流雙閉環(huán)控制策略，來提高整流側(cè)直流電壓和變流器側(cè)交流電流的動態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力；最后通過仿真和實(shí)驗驗證了理論分析的正確性和控制策略的可行性.

參考文獻(xiàn)：

[1]石健將， 李榮貴， 張平， 等. 基于新型電壓電流雙閉環(huán)控制的軸帶發(fā)電機(jī)PWM整流器研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報， 2014， 29（6）： 189195.

[2]劉以建， 許慧敏， 李碩. 船舶軸帶發(fā)電機(jī)整流器的前饋解耦控制[J]. 上海海事大學(xué)學(xué)報， 2014， 35（4）： 6367.DOI： 10.13340/j.jsmu.2014.04.013.

[3]石健將， 陸熙， 王寶臣， 等. 航空400 Hz三相高功率因數(shù)PWM整流器的零靜差矢量控制[J]. 電工術(shù)學(xué)報， 2010， 25（2）： 8085.

[4]曹曉冬， 譚國俊， 王從剛， 等. 三相PWM整流器模型預(yù)測虛擬電壓矢量控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2014， 34（18）： 29262935.

[5]SAEEDIFARD M， IRAVANI R， POU J. A space vector modulation strategy for a backtoback fivelevel HVDC converter system[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics， 2009， 56（2）： 452466.

[6]仇志凌， 楊恩星， 孔潔， 等. 基于LCL濾波器的并聯(lián)有源電力濾波器電流閉環(huán)控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2009， 29（8）： 1520.

[7]許津銘， 謝少軍， 肖華峰. LCL濾波器有源阻尼控制機(jī)制研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2012， 32（9）： 2733.

[8]LISERRE M， AQUILA A D， BLAABJERG F. Genetic algorithmbased design of the active damping for an LCLfilter threephase active rectifier[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2004， 19（1）： 7686.

[9]DANNEHL J， FUCHS F W， HANSEN S， et al. Investigation of active damping approaches for PIbased current control of gridconnected pulse width modulation converters with LCL filters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2010， 46（4）： 15091517.

[10]TANG Y， LOH P C， WANG P， et al. Exploring inherent damping characteristic of LCLfilters for threephase gridconnected voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2012， 27（3）： 14331443.

[11]DANNEHL J， LISERRE M， FUCHS F W. Filterbased active damping of voltage source converters with LCL filter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2011， 58（8）： 36233633.

[12]HE Jinwei， LI Yunwei， BOSNJAK Dubravko， et al. Investigation and active damping of multiple resonances in a parallelinverterbased microgrid[J]. IEEE Transaction on Power Electronics， 2013， 28（1）： 234246.

[13]王英， 張純江， 陳輝明. 三相PWM整流器新型相位幅值控制數(shù)學(xué)模型及其控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2003， 23（11）： 8589.

[14]張純江， 郭忠南， 王芹， 等. 基于新型相位幅值控制的三相PWM整流器雙向工作狀態(tài)分析[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報， 2006， 26（11）： 167171.

[15]VAZQUEZ S， SANCHEZ J A， CARRASCO J M， et al. A model based direct power control for threephase power converters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2008， 55（4）： 16471657.

[16]BOUAFIA A， GAUBERT JP， KRIM F. Predictive direct power control of three phase pulsewidth modulation （PWM） rectifier using spacevector modulation （SVM）[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2010， 25（1）： 228236.

[17]SHI Tingna， WANG Jian， ZHANG Ce， et al. Direct power control for threelevel PWM rectifier based on hysteresis strategy[J]. Science China， 2012， 55（11）： 30193028.

（編輯賈裙平）