基于三電平SVM技術的船舶電力推進DTC研究

李 彥，唐智星

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

基于三電平SVM技術的船舶電力推進DTC研究

李 彥，唐智星

(江蘇科技大學電子信息學院，江蘇鎮(zhèn)江212003)

介紹二極管鉗位型三電平在中高壓大中容量的船舶電力推進直接轉矩控制(DTC)技術中的應用。針對船舶在低速運行時，控制系統(tǒng)存在低速時性能差以及二極管鉗位型三電平固有的直流側中點電壓不平衡的問題，在u－i磁鏈觀測器模型基礎上，引入一種帶定子電阻補償?shù)拇沛溣^測器。研究基于雙PI調(diào)節(jié)的電壓空間矢量調(diào)劑技術(SVM)在系統(tǒng)中的應用。仿真結果表明，系統(tǒng)具有轉矩響應快速、磁鏈觀測準確性好、轉矩脈動低等優(yōu)點，能有效抑制三電平的直流側中點電壓不平衡，限制輸出電壓變化率并降低開關損耗。

船舶電力推進;直接轉矩控制;三電平;空間矢量調(diào)制技術;定子電阻補償

0 引言

直接轉矩控制 (DTC)實現(xiàn)了在定子磁場定向的坐標系內(nèi)對電動機轉矩進行直接觀測和控制。相對于二電平逆變器，二極管鉗位型的三電平逆變器具有對器件耐壓要求低、輸出電壓諧波較少、開關過程中輸出電壓變化率降低，電磁干擾少等優(yōu)點。因此，在中高壓大中容量的船舶電力推進中有著廣泛的應用前景。但是，二極管鉗位型三電平逆變器運用在船舶電力推進DTC這種低速大慣性的對象中，其低速性能較差，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)直接轉矩控制對定子磁鏈的觀測一般采用u－i模型。在低速運行時，不能忽略定子電阻對磁鏈觀測的影響。定子電阻的精確觀測是改善系統(tǒng)低帶性能的關鍵。

2)轉矩脈動較大及開關頻率不固定。

3)由于使用了二極管中點箝位，故還存在固有的直流側中點電壓不平衡的問題。

本文引入一種帶定子電阻補償?shù)拇沛溣^測器以提高磁鏈觀測的準確性，采用基于雙PI調(diào)節(jié)的三電平SVM技術DTC控制方法，降低轉矩脈動并固化了開關頻率，同時也有效地控制了中點電壓。

1 三電平逆變器

二極管鉗位型三電平逆變器的主回路結構如圖1所示。圖中各橋臂的S1～S4為可關斷的IGBT管，Q1～Q4為續(xù)流二極管，D1和D2為鉗位二極管。

圖1 三電平逆變器結構圖Fig.1 The structure of three-level NPC inverter

通過控制各相 (S1～S4)IGBT管的開通和關斷，每一相可獲得3種不同的電平 (E/2，0，－E/2)，用符號P，O，N表示。因此，三相共可獲得3×3×3=27種空間電壓矢量，電壓矢量圖如圖2所示。

圖2 三電平電壓矢量圖Fig.2 The voltage vector of three-level inverter

由圖1和圖2可看出，三電平逆變器中點電壓不平衡是因為存在不為0的中點電流。本文中通過運用電壓空間矢量調(diào)劑技術對中點電壓進行控制，其控制策略是：因為大矢量和零矢量不會對中點電壓產(chǎn)生影響，而中矢量和小矢量中點處都會有電流流過，因此它會帶來中點電位的不平衡。其中每個小矢量都有2種開關狀態(tài) (正小矢量和負小矢量)，而且這2種開關狀態(tài)對中點電位的影響剛好相反。因此通過交替選擇正負小矢量，合理安排正負小矢量的作用時間就可以實現(xiàn)簡單控制。而中矢量通過其自身的對稱性進行控制。

2 三電平電壓空間矢量調(diào)劑技術

三電平SVM算法根據(jù)參考電壓矢量合成的原則，分為區(qū)域判斷、時間計算、時間狀態(tài)分配3個步驟進行。

1)扇區(qū)和區(qū)域判斷

區(qū)域判斷的目的主要是找出合成參考電壓矢量的3個基本矢量。根據(jù)三電平基本空間矢量圖將整個矢量空間先分成6個大扇區(qū)，另外考慮到進一步的控制中點電壓，將每個大扇區(qū)細分為6個小區(qū)域，如圖2所示。并把靠近參考矢量的負小矢量選擇為首發(fā)主小矢量，這樣可以使在一個采樣周期中起主要作用的小矢量成對出現(xiàn)，它們產(chǎn)生的中點電壓影響可以相互抵消，減小了不平衡因素。

以大扇區(qū)1為例，將參考電壓矢量在α－β坐標系上分解為usα和usβ，定義：

通過以下條件判斷求得A，B，C的值：

如果u1ref＞0，則A=1，如果u1ref＜0，則A=0;

如果u2ref＞0，則B=1，如果u2ref＜0，則B=0;

如果u3ref＞0，則C=1，如果 u3ref＜0，則 C=0。

可由A，B，C的不同組合來判斷參考電壓usref所在的扇區(qū)，同時令：

通過判斷，大扇區(qū)號S只可能取1～6之間的整數(shù)，這恰好與6個大扇區(qū)一一對應。

小區(qū)域的判斷規(guī)則如下：

當θ≤30°時，參考電壓在小區(qū)域n=1或3或5 內(nèi)。若 usβ≤－usα+E/2，則在小區(qū)域n=1內(nèi);若 usβ≤－E/2，則在小區(qū)域n=5內(nèi);否則在小區(qū)域n=3內(nèi)。

當θ≥30°時，參考電壓在小區(qū)域n=2或4或6內(nèi)。若 usβ≤ －usα+E/2，則在小區(qū)域n=2內(nèi);若usβ≥E/4，則在小區(qū)域n=6內(nèi);否則在小區(qū)域n=4內(nèi)。

2)作用時間計算

判斷出參考電壓矢量所在的區(qū)域后，就可根據(jù)最近三矢量法找到合成參考電壓矢量的3個基本矢量u1，u2，u3。以大扇區(qū)1的4個小區(qū)域為例，根據(jù)伏秒平衡方程有：

解得作用時間t1，t2，t3分別為：

其中 K=2usref/E為調(diào)劑系數(shù)。同理，可以求出參考電壓矢量在其他區(qū)域時，基本矢量的作用時間。

3)時間狀態(tài)分配

各組開關狀態(tài)的作用次序要遵守的原則是：任意一次電壓矢量的變化只能有一個橋臂的開關動作。

根據(jù)上述原則，每個采樣周期以負小矢量作為起始矢量，采用中心對稱的七段式法，大扇區(qū)1的作用次序如表1所示，其中N，O，P分別表示對應三相為低電平、零電平、高電平。

表1 矢量作用順序安排表Tab.1 The diagram of vector action sequence

三電平電壓空間矢量調(diào)劑技術仿真如圖3所示。

圖3 三電平電壓空間矢量調(diào)劑仿真圖Fig.3 The simulation map of three-level SVM

3 基于PI調(diào)節(jié)電壓空間矢量調(diào)劑技術的電力推進DTC系統(tǒng)實現(xiàn)

二極管鉗位型三電平由于其自身電路結構上的特點，要在這種拓撲上實現(xiàn)直接轉矩控制，將面臨2個主要問題：一是電壓矢量的選擇問題;二是中點電壓平衡問題。因此必須要綜合考慮上述因素，而這些因素通常以一個整體出現(xiàn)，相互制約，很難將它們分開單獨考慮。為解決這些問題，本文將基于雙PI調(diào)節(jié)的電壓空間矢量調(diào)劑技術引入到三電平DTC的控制中。將磁鏈和轉矩的偏差通過2個PI調(diào)節(jié)器得到參考電壓矢量在旋轉坐標下的分量，然后再通過兩相旋轉坐標到兩相靜止坐標的變換得到在兩相靜止坐標的參考電壓矢量分量。坐標變換的公式如下：

其仿真原理如圖4所示。

圖4 基于雙PI調(diào)節(jié)的三電平SVM技術電力推進Fig.4 SVM of electric propulsion DTC

4 定子電阻補償器的實現(xiàn)

準確觀測異步電機的定子磁鏈在直接轉矩控制系統(tǒng)中至關重要。常用的電壓－電流模型 (UI模型)，電機在低速運行時，由于定子電阻上的壓降分量增大，定子磁鏈的觀測值并不準確，導致其在低速時磁鏈觀測不準確，輸出轉矩脈動大，電流波形畸變等。本文所采用的改進算法思路如下：既然磁鏈觀測的誤差會造成磁鏈和轉矩的偏差，那么反向思考一下，分別將磁鏈和轉矩的偏差通過2個低截止頻率的低通濾波器濾除高頻成分，然后再通過2個PI控制器得到2個定子電阻的補償值ΔR1和ΔR2，并以一定的比例混合后加上定子電阻的固定值Rs，就得到在線的定子電阻值Rs1，用這個動態(tài)變化的定子電阻值放在U-I模型中進行磁鏈觀測。該補償器可由下式描述：

式中：Kp和KI分別為PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù);a和b分別為比例混合因子，分別取為0.6和0.4。其仿真原理模型圖如圖5所示。

圖5 定子電阻補償器原理圖Fig.5 Stator resistance compensation

5 仿真結果分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真模型，船槳模型的參數(shù)設計為：螺旋槳直徑D=0.38 m，船舶質量M=2.6 t，阻力系數(shù)Kr=0.1，海水密度ρ=1 025 kg/m3。船速和槳速是引起螺旋槳轉矩和推力變化的2個主要因素，因此應將船和槳作為一個整體考慮。船槳系統(tǒng)的水動力特性可以下列方程描述：

螺旋槳的推力可表示為

螺旋槳的阻力矩可表示為

式中：Kp和Km分別為螺旋槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù);n為螺旋槳槳軸轉速，rpm;ρ為海水密度，kg/m3;D為螺旋槳盤面直徑，m。由于Kp和Km都是進速比J的函數(shù)，可通過提供的離散實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合的方法求得。

船舶的總阻力R基本與航速Vs的平方成比例，可由下式求得：

式中：Kr為阻力系數(shù);Vs為船速。

船速由下式求得：

式中：m為船舶質量;t為推力減額系數(shù)。

船槳數(shù)學模型的發(fā)展框圖如圖6所示。

圖6 船槳數(shù)學模型仿真Fig.6 The simulation model of ship propeller

系統(tǒng)參數(shù)的設計為：直流電壓E=500 V，給定的定子磁鏈幅值為1.5 wb，給定轉速為200 r/min，將螺旋槳的輸出扭矩作為電機的負載轉矩，仿真時間為25 s，仿真圖如圖4所示?？傻玫饺鐖D7所示的仿真波形。

圖7 傳統(tǒng)U-I模型定子磁鏈軌跡Fig.7 The circular track of stator flux

圖8 定子電阻補償?shù)腢-I模型的定子磁鏈軌跡Fig.8 The circular track of stator flux

圖9 三電平逆變器輸出的電壓、電流波形Fig.9 The map of voltage and current

圖10 螺旋槳扭矩、推力、船舶轉速波形Fig.10 The curve of propeller torque，thrust and ship speed waveform

圖11 電磁轉矩波形Fig.11 The curve of motor electromagnetic torque

由仿真圖9可知，三電平逆變器輸出的相電壓包括250 V，0，－250 V三種電平，線電壓輸出5種電平，輸出的電流波形更接近正弦波，諧波較少。這與理論分析一致，同時也是采用三電平逆變器的優(yōu)勢。

由仿真圖7～圖8可知，采用SVM技術后，定子磁鏈的圓形軌跡都非常光滑，也都能穩(wěn)定在給定的定子磁鏈附近。而引入了定子電阻補償?shù)亩ㄗ哟沛湹膱A形軌跡更為光滑，沒有出現(xiàn)如圖7那樣的定子磁鏈內(nèi)陷，同時磁鏈幅值的觀測精度明顯高于圖7。由仿真圖10和圖11可知：系統(tǒng)在大約19 s時進入穩(wěn)定狀態(tài)，但是電磁轉矩很好地跟蹤了螺旋槳的扭矩特性，轉矩脈動比較低，穩(wěn)定后船舶的航速大約為32 kn。

6 結語

本文研究三電平DTC技術在中高壓大中容量船舶電力推進中的應用，并具體研究了基于雙PI調(diào)節(jié)器的三電平SVM技術。同時，研究了定子電阻補償器對磁鏈觀測進行改進。實驗結果表明定子電阻補償器能顯著的改善定子磁鏈觀測的精度;基于三電平SVM技術的電力推進DTC能實現(xiàn)將中低壓的可關斷IGBT管運用在中高壓大中容量的船舶電力推進中，并具有響應快、轉矩脈動低、磁鏈觀測的準確性好等特點，具有一定的適用價值。

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Research on ship electric propulsion DTC system based on three-level inverter of SVM algorithm

LI Yan，TANG Zhi-xing
(Jiangsu University of Science and Technology，School of Electronic and Information，Zhenjiang 212003，China)

The applications of neutral-point-champed three-level inverter in ship electric propulsion DTC with middle-high voltage and big capacity has been introduced in this paper．According to the poor performance at low speed in ship electric propulsion，a new flux observer with stator resistance compensation was presented based on U-I flux observation model．At the same time，SVM algorithm based on double PI regulator has been used in this system．The simulation results show that the low speed performance and dynamic performance can be improved significantly and it has good accuracy of flux observation，also it can effectively control the neutral point voltage．

ship electric propulsion;direct torque control;neutral-point-champed;three-level inverter;space vector modulation;stator resistance compensation

TM311

A

1672－7649(2013)12－0032－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2013.12.007

2012－11－06;

2012－12－14

李彥(1959－)，男，副教授，研究方向為智能控制和船舶電氣。