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标题 船舶抗负载冲击高性能逆变技术研究
范文 章建峰+张艳军+杨祯+戴训龙


摘 要： 讨论船舶单相交流负载的特性情况，重点研究能够承受船舶220 V交流非线性负载引起的强冲击电流的高性能逆变技术，通过电压开环伯德图对比分析数/模混合控制策略与数字控制策略的响应速度，并搭建一台220 V/10 kW的单相全桥逆变电源样机，实验结果验证了船舶抗负载冲击高性能逆变技术的可行性。
关键词： 船舶； 单极倍频； 冲击电流； 单相逆变电源
中图分类号： TN705?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）14?0039?03
0 引 言
DC?AC逆变技术是将直流电能变换成交流电能的变流技术，已经广泛应用于我国的太阳能发电、航空航天、船舶等各个领域[1?3]。逆变技术种类繁多，其中使用场合最多、应用最稳定的当属电压源全桥拓扑逆变技术[4?6]。目前，我国船舶上电力、动力系统的监控装置大量使用单相交流电源，但负载特性比较恶劣，负载多数为非线性负载，电流波峰因数可达3∶1，负载突加带来的冲击电流可达20倍额定电流值，且要求逆变电源不保护停机，输出电压暂降不大于5 ms。电压单环控制方法带非线性负载能力差，输出电压谐波大，难以满足要求。常规的数字电压电流双环控制方法提高了带非线性负载的能力，但由于数字延时降低了系统的控制带宽，系统动态响应速度慢，负载突加冲击电流使输出电压暂降大于5 ms，也不满足船舶负载对逆变电源的要求。
为了满足船上220 V非线性负载特殊的使用要求，并且逆变电源能够承受20倍额定电流的冲击，保证负载顺利启动及挂网负载正常工作，本文提出了一种新的船舶抗负载冲击高性能逆变技术；采用基于单极倍频SPWM调制的电压电流双环数/模混合控制策略，电压电流环由模拟实现，无数字控制的延时，单极倍频SPWM调制等效开关频率是开关频率的2倍，控制带宽高，电压动态调节速度快。通过搭建一台220 V/10 kW的单相逆变电源用作实验，实验结果表明所提出的控制策略具有较好的抗负载冲击能力。
1 单相逆变电源拓扑结构
单相逆变电源的拓扑结构如图1所示，单相逆变电源由单相全桥、隔离变压器、输出滤波电感和电容构成。单相全桥的开关器件为IGBT，隔离变压器将直流侧电源与交流侧负载电气隔离，输出滤波电感、电容滤除高次开关谐波。
2 船舶抗负载冲击高性能逆变技术
本文研究的高性能逆变技术，控制策略采用基于单极倍频SPWM调制的电压电流双环数/模混合控制技术，开关频率20 kHz，原理示意图如图2所示。DSP通过DA芯片产生的指令电压和输出电压[uo（s）]作差经PI控制器[G1（s）]形成电压环，电压环输出为电流环的给定，电流环输出的调制波与三角载波进行单极倍频调制，生成的PWM驱动IGBT。

图1 逆变电源的拓扑结构

图2 逆变电路原理示意图
单相全桥输出电压[uab（t）]的基波[uab1（t）]与调制波[ug（t）]有如下关系：
[uab1（t）=UdUcmug（t）=kmug（t）] （1）
式中[km]为直流母线电压[Ud]与三角载波幅值[Ucm]之比。
由拉氏变换可得，逆变器主电路传递函数：
[uab1（s）ug（s）=km] （2）
经过理想变压器后，输出电压基波为[uab1′（s）]，变压器变比[kT]，则有：
[uab1′sugs=kT·uab1sugs=kmkT] （3）
变压器副边与负载之间，由变压器漏感和滤波电容构成[LC]低通滤波器，则负载上电压[uo（s）]与[uab1′（s）]的传递函数为：
[uo（s）uab1′（s）=1LCs2+rC+LRLs+rRL+1] （4）
式中：[r]为变压器择算到副边的内阻；[RL]为负载电阻。由式（1）～式（4）可得单极倍频SPWM逆变电路开环传递函数[G（s）]为：
[Gs=uosugs=kmkTLCs2+rC+LRs+rR+1] （5）
滤波电感电流[iL（s）]对变压器输出电压基波[uab1′（s）]的传递函数[Gi（s）]为：
[Gi（s）=iL（s）uab1′（s）=1LCs2+rC+LRLs+rRL+1·RLCs+1RL] （6）
输出电压[uo（s）]对滤波电感电流[iL（s）]的传递函数[Gv（s）]为：
[Gv（s）=uo（s）iL（s）=RLRLCs+1] （7）
因此可得逆变电源的控制系统框图，如图3所示。

图3 逆变电路控制系统框图
通过对电流环和电压环的设计，得到数/模混合控制和数字控制电压开环的伯德图如图4所示。数/模混合控制的系统截止频率为1 100 Hz，相角裕度为35°；数字控制的系统截止频率为800 Hz， 相角裕度为1°，处于不稳定的临界状态。可见数/模混合控制带宽更高，相应速度更快，更稳定。

图4 单相逆变电源电压开环伯德图
3 实验结果与分析
为了验证理论研究的正确性，搭建了一台220 V/10 kW单相船舶抗负载冲击高性能逆变器样机，电压源采用全桥逆变拓扑结构，单极性倍频SPWM调制电压、电流双闭环数/模混合控制技术，IGBT为CM200DY?12NF，隔离变压器变比为1∶2，滤波电感为3 mH，滤波电容为50 μF，开关频率10 kHz，等效开关频率为20 kHz，输出接不控整流桥接阻容型负载，电容值1 000 μF/400 V，示波器为泰克TPS2012。




图5所示为样机带不控整流桥接电解电容非线性负载稳态运行实验波形，由图可知，负载电流波峰因数达3∶1。图6为样机突加不控整流桥接电解电容非线性负载试验波形，由图可知，负载冲击电流迅速上升超过400 A，逆变电压瞬间跌落，控制系统迅速闭环动作，2 ms内逆变电压基本恢复正常，不影响负载正常启动，也不会影响挂网负载正常工作。

图5 非线性负载稳态运行实验波形

图6 非线性负载突加实验波形
4 结 语
本文针对船舶单相非线性负载高的电流波峰因数及突加时大电流冲击的实际情况，研究了基于单极性倍频SPWM调制的电压、电流双闭环数/模混合控制的高性能逆变技术。研究结果表明数/模混合控制比数字控制响应速度快，大电流冲击下电压恢复迅速，十分适合应用在船舶恶劣工况，最后实验样机验证了船舶抗负载冲击高性能逆变技术的可行性。
参考文献
[1] 陈坚.电力电子学：电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社，2002.
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[6] 朱晋，韦统振，李东，等.全桥变桥臂电压源变流器拓扑参数及恒压策略研究[J].中国电机工程学报，2013，33（21）：26?35.

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