基于PWM逆變的新型船用軸帶發(fā)電系統(tǒng)研究

王樂(lè) 唐石青

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七O四研究所，上海 200031）

0 引言

船用軸帶發(fā)電系統(tǒng)以推進(jìn)主機(jī)作原動(dòng)機(jī)，利用主機(jī)的功率裕量發(fā)電，具有提高主機(jī)的運(yùn)行效率、減少柴油發(fā)電機(jī)使用時(shí)間、減少燃油消耗、降低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)。

可控硅逆變器式軸帶發(fā)電系統(tǒng)在遠(yuǎn)洋船舶上得到極大的推廣，但是這種軸帶發(fā)電系統(tǒng)由于器件的固有特性需要大容量的調(diào)相機(jī)，而且輸出諧波電流較大，參數(shù)匹配復(fù)雜[1]。而采用 PWM 逆變技術(shù)的新型軸帶發(fā)電系統(tǒng)可以獨(dú)立控制有功功率和無(wú)功功率，省去調(diào)相機(jī)，使得系統(tǒng)簡(jiǎn)單；使得輸出諧波降低；大大增加了控制的靈活性。因此，近年來(lái)該型軸帶發(fā)電系統(tǒng)成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。德國(guó) SAM公司的軸帶發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品和 R-R公司的可逆式軸帶發(fā)電系統(tǒng)均采用此種技術(shù)。

本文首先分析了新型軸帶發(fā)電系統(tǒng)的組成和控制策略，研究了新型軸帶發(fā)電系統(tǒng)與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的難點(diǎn)，并提出將基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的逆變技術(shù)應(yīng)用到本系統(tǒng)中。之后，建立了逆變器、虛擬發(fā)電機(jī)和控制策略的數(shù)學(xué)模型，搭建了系統(tǒng)仿真模型，給出了部分仿真結(jié)果。文章最后給出了研究結(jié)論。

1 系統(tǒng)組成與控制策略

采用PWM逆變技術(shù)的軸帶發(fā)電系統(tǒng)，整流側(cè)采用不可控二極管整流，逆變側(cè)采用基于全控型器件IGBT的PWM逆變器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 基于PWM逆變的軸帶發(fā)電系統(tǒng)

主機(jī)通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)，軸帶發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著主機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。軸帶發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電壓幅值和頻率可變的電能，經(jīng)二極管整流為直流電，再經(jīng)過(guò)全控型器件IGBT進(jìn)行逆變，經(jīng)由并網(wǎng)電抗器送入電網(wǎng)。

常規(guī)的逆變器控制是將逆變器當(dāng)做電流源。同陸上大電網(wǎng)相比，船舶電力系統(tǒng)是容量有限的獨(dú)立電網(wǎng)，逆變器容量相對(duì)較大，若按常規(guī)電流源控制方法，將對(duì)船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。

另外，PWM 逆變器與柴油發(fā)電機(jī)組在電氣和機(jī)械特性方面的巨大差異造成兩者并聯(lián)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性和功率分配成為難題。所以，新型軸帶發(fā)電系統(tǒng)在船舶上使用時(shí)，其應(yīng)具有與常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組相似的頻率-有功和電壓-無(wú)功輸出特性，以確保兩者并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性和功率分配[2]。

本文擬引入虛擬同步發(fā)電機(jī)的控制方式，將發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程與控制模式引入逆變器中，以期解決并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和功率分配問(wèn)題。新型軸帶發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)逆變器整體的控制框圖如圖2所示：

圖2 控制策略整體框圖

2 逆變器的原理與數(shù)學(xué)模型

三相電壓型PWM逆變器基于Buck降壓變換器原理工作，因此其輸出負(fù)載線電壓的幅值不超過(guò)直流母線電壓vdc。

在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下電壓方程為：

其中：vd、vq和id、iq分別為網(wǎng)側(cè)電壓、電流轉(zhuǎn)換后的值，vrd、vrq為逆變橋輸出端相電壓的轉(zhuǎn)換值。

可以看到，dq軸電壓方程之間存在交叉耦合項(xiàng)，為此采用前饋解耦控制策略，引入控制環(huán)節(jié)如下：

式中：id*、iq*為id、iq的電流參考值。

將控制環(huán)節(jié)代入逆變器方程式簡(jiǎn)化可得：

可以看到基于前饋解耦的控制策略使dq軸電流控制完全解耦[3]。

3 虛擬發(fā)電機(jī)模型及其控制環(huán)節(jié)

3.1 虛擬發(fā)電機(jī)模型[4]

本文建立同步發(fā)電機(jī)的模型，并將該模型植入到新型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)逆變器的控制策略中，使得新型軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)具有與常規(guī)發(fā)電機(jī)相似的輸出特性。

同步發(fā)電機(jī)的電壓和磁鏈方程如下：

其中：vd、vq、vfd＇分別為d軸、q軸和勵(lì)磁電壓；vkd＇、vkq1＇、vkq2＇分別為d軸和q軸上的兩個(gè)阻尼繞組電壓；id、iq、ifd＇分別為d軸、q軸和勵(lì)磁電流；ikd＇、ikq1＇、ikq2＇分別為d軸和q軸上的兩個(gè)阻尼繞組電流。

同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械特性方程由下式表示：

其中：Tm、Te分別為機(jī)械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩；D為定常阻尼系數(shù)；H為慣性時(shí)間常數(shù)；θ為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)角；ω為角速度。

3.2 虛擬發(fā)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)[5,6]

發(fā)電機(jī)有功功率的輸出根據(jù)有功—頻率下垂特性決定自身有功的輸出，由各自的調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。有功—頻率下垂特性通過(guò)在頻率的閉環(huán)控制中設(shè)置。當(dāng)輸出有功功率與額定輸出不同時(shí)，其功率差乘以下垂系數(shù)的差值進(jìn)入閉環(huán)系統(tǒng)，改變參考頻率，從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)框圖

3.3 虛擬發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)[5,6]

發(fā)電機(jī)無(wú)功功率的輸出根據(jù)無(wú)功—電壓幅值下垂特性決定，如圖4所示。勵(lì)磁系統(tǒng)中，通過(guò)引入電流幅值與功率因數(shù)正弦值的乘積來(lái)引入無(wú)功功率，這樣當(dāng)無(wú)功功率增大時(shí)，通過(guò)引入量的改變，輸出電壓的幅值就會(huì)相應(yīng)降低，從而完成無(wú)功—電壓幅值下垂特性。

圖4 勵(lì)磁系統(tǒng)框

4 仿真分析

為驗(yàn)證新型軸帶發(fā)電系統(tǒng)可行性，本文利用MATLAB/Simulink軟件搭建新型軸帶發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。逆變器輸出側(cè)電感L=0.1 mH，電阻R=0.01 Ω；虛擬發(fā)電機(jī)額定容量670 kVA，額定線電壓400 V，其他參數(shù)如表1。

表1 虛擬發(fā)電機(jī)參數(shù)（標(biāo)幺值）

a） 在初始時(shí)刻，逆變器輸出端接500 kW負(fù)載穩(wěn)定后，在3 s和6 s時(shí)分別減小有功功率150 kW，9 s時(shí)再增加有功功率150 kW，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示?？梢钥吹?，有功負(fù)荷減小后，電壓的頻率升高，電壓幅值也會(huì)受到輕微影響，但基本保持不變。有功負(fù)荷增大后，頻率下降，按照頻率—有功功率下垂特性變化。

b） 在初始時(shí)刻，逆變器輸出端接500 kW負(fù)載穩(wěn)定后，在3 s和6 s時(shí)分別增加無(wú)功功率200 kvar，9 s時(shí)減少無(wú)功功率200 kvar仿真結(jié)果如圖7和圖8所示?？梢钥吹?，無(wú)功負(fù)荷增大后，電壓的幅值隨之下降，同時(shí)也影響到有功功率的輸出，電壓頻率隨著有功輸出的降低有所升高，但幅度變化很小。無(wú)功負(fù)荷減小后，電壓幅值增加，有功功率輸出也相應(yīng)有所增大，頻率輕微下降。電壓幅值的變化按照電壓幅值—無(wú)功功率的下垂特性變化。

綜上，從逆變器的動(dòng)態(tài)輸出可以看出，有功和無(wú)功負(fù)荷變化時(shí)，軸帶發(fā)電系統(tǒng)按照下垂特性改變輸出電壓的頻率和幅值，逆變器的調(diào)節(jié)過(guò)程和輸出量的變化也按照發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程變化。

圖5 有功負(fù)荷變化時(shí)逆變器輸出電壓頻率（左）及相電壓有效值（右）

圖6 有功負(fù)荷變化時(shí)逆變器輸出的有功功率（左）和無(wú)功功率（右）

圖7 無(wú)功負(fù)荷變化時(shí)逆變器輸出電壓頻率（左）及相電壓有效值（右）

圖8 無(wú)功負(fù)荷變化時(shí)逆變器輸出的有功功率（左）和無(wú)功功率（右）

5 結(jié)論

本文研究了一種采用PWM逆變技術(shù)的新型船用軸帶發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)仿真驗(yàn)證了基于虛擬發(fā)電機(jī)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出模擬了發(fā)電機(jī)的輸出特性，為下一步與柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定并聯(lián)提供了技術(shù)支持。

[1] T. Kataoka, S. Nishikata. Transient Performance Analysis of Self-Controlled Synchronous Motors.IEEE Trans. on industry applications. 1981, 17（2）.

[2] 黃倫坤, 朱正鵬, 劉宗德. 船舶電站及其自動(dòng)裝置.北京: 人民交通出版社, 1994

[3] 張崇巍, 張興. PWM整流器及其控制. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.1

[4] Krause, P.C. Analysis of Electric Machinery. McGraw-Hill, 1986, Section 12.

[5] 王良秀,唐石青,李冬麗.船舶電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式研究. 船電技術(shù), 2006（5）.

[6] 陳次祥, 唐石青, 孫曉蔚, 沈志剛.船用中頻機(jī)組帶整流負(fù)載的建模與仿真分析. 船電技術(shù), 2008（4）.