船用軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)Z源逆變器的研究

郭建宇，劉以建，李欽峰

（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306）

0 引 言

遠(yuǎn)洋船舶運(yùn)輸占據(jù)了世界貨運(yùn)量的絕大部分，支撐著經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展。在船舶航運(yùn)費(fèi)用中，燃料費(fèi)用占50%～60%，特別是在航運(yùn)業(yè)不景氣的今天，國(guó)際航運(yùn)造船界對(duì)于節(jié)能措施的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。

在遠(yuǎn)洋船舶的輔助供電系統(tǒng)中，由于軸帶發(fā)電機(jī)的原動(dòng)力取自燃燒劣質(zhì)低價(jià)重油的主推進(jìn)柴油機(jī)，其運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于燃燒輕油的專用柴油發(fā)電機(jī)，并且一般主機(jī)都有10%～15%的富裕功率沒有利用，因此，軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用就顯得越發(fā)的重要。

1 軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)外絕大多數(shù)船舶采用三相恒頻交流電制。沿海以及長(zhǎng)江內(nèi)河運(yùn)輸船舶大多采用50Hz／380 V三相交流電制；遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶多數(shù)為60Hz／440V三相交流電制，二者均為恒定頻率。但是軸帶發(fā)電機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)自于螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，而航速的大小隨海況而變，所以發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的交流電也不穩(wěn)定，一般需要在發(fā)電機(jī)的輸出端加一個(gè)整流器，然后再經(jīng)逆變供給船上用電設(shè)備或供給船舶推進(jìn)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)示意圖

發(fā)電機(jī)的輸出電壓與頻率都與轉(zhuǎn)速成正比，一般來(lái)說(shuō)有：

式中，U為發(fā)電機(jī)輸出電壓；E為發(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；f為發(fā)電機(jī)頻率；N為發(fā)電機(jī)線圈匝數(shù)；k為線圈的分布系數(shù)；φm為鐵心中主磁通的最大值；n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速；k1為常數(shù)。

由上分析可知，發(fā)電機(jī)輸出電壓和頻率與轉(zhuǎn)速成正比。逆變器只有存在電勢(shì)差的情況下才能工作。圖2所示為軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功率輸出特性。為了充分利用軸帶發(fā)電機(jī)的鐵心容量，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于75%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)允許輸出功率，轉(zhuǎn)速降低時(shí)通過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)自身具有電壓調(diào)節(jié)器裝置，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可以使得逆變器直流側(cè)電壓穩(wěn)定；當(dāng)轉(zhuǎn)速低于75%時(shí)，發(fā)電機(jī)磁芯飽和，發(fā)電機(jī)輸出電壓隨轉(zhuǎn)速降低而減小，從而間接導(dǎo)致逆變器直流側(cè)電壓過(guò)低，逆變器輸出端電壓達(dá)不到入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。采用傳統(tǒng)的晶閘管逆變器的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于75%時(shí)通過(guò)控制晶閘管逆變器的逆變角使輸出功率隨轉(zhuǎn)速降低而減小。

圖2 軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)功率輸出特性

為了解決這一問(wèn)題，在采用三相PWM逆變器的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，一般可采用電壓定向控制三相兩級(jí)式并網(wǎng)逆變電路，第一級(jí)采用DC／DC變流器，使直流側(cè)電壓升高；第二級(jí)采用DC／AC逆變器，將前級(jí)的直流電壓轉(zhuǎn)化為符合并網(wǎng)需求的交流電壓，通過(guò)控制技術(shù)使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相位，從而達(dá)到較高的功率因數(shù)。圖3所示為采用兩級(jí)式三相并網(wǎng)逆變器的軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3 兩級(jí)式三相并網(wǎng)逆變器

但是在兩級(jí)式三相并網(wǎng)逆變器中，由于DC／DC、DC／AC變流器具有各自獨(dú)立的結(jié)構(gòu)和變換目標(biāo)，兩級(jí)結(jié)構(gòu)中眾多的開關(guān)器件，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的效率較低，成本增加，可靠性降低。

針對(duì)上述問(wèn)題，可采用Z源逆變器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的兩級(jí)式三相并網(wǎng)逆變器。Z源逆變器繼續(xù)使用常規(guī)電壓源逆變器作為功率變換器，然后在直流輸入端耦合一個(gè)阻抗源，從而得到期望的升降壓功能。以下著重分析Z源逆變器的工作原理和各種運(yùn)行狀態(tài)，并通過(guò)仿真驗(yàn)證Z源逆變器的升壓能力。

2 Z源逆變器拓?fù)?/h2>

Z源逆彎器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由一個(gè)二極管VD和一個(gè)阻抗網(wǎng)絡(luò)連接于直流電壓源和常規(guī)的電壓源逆變器中間。這個(gè)對(duì)稱的阻抗網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)相同的電感和兩個(gè)相同的電容連接成類似X形結(jié)構(gòu)組成。在常規(guī)逆變器中，同一橋臂的開關(guān)管是禁止直通的，這會(huì)損壞器件進(jìn)而破壞逆變器的正常工作。然而，Z源逆變器工作在非直通狀態(tài)時(shí)，電容由電源提供能量；工作在直通狀態(tài)時(shí)，能量由電容傳輸給電感，從而產(chǎn)生了電壓源逆變器的電壓提升能力。另外，為了防止電容電壓高于電源電壓，需加入二極管VD防止電流反向。

由對(duì)稱性可知：

圖4 Z源逆變器基本拓?fù)?/p>

圖5 Z源逆變器的等效電路圖

Z源逆變器工作于直通和非直通時(shí)的等效電路圖如圖5（a）、（b）所示。

當(dāng)工作于直通狀態(tài)時(shí)，二極管導(dǎo)通，阻抗輸出側(cè)相當(dāng)于一個(gè)恒定直流源：

非直通時(shí)，所示二極管關(guān)斷：

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，由伏秒平衡知電感在一個(gè)周期中的平均電壓為零，聯(lián)立式（2）、（3）求得：

式中：T0為一個(gè)開關(guān)周期中直通狀態(tài)的時(shí)間；T1為一個(gè)開關(guān)周期中非直通狀態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期。

由式（4）可得：

式中，D0為直通比。

在一個(gè)開關(guān)周期的有效矢量中，加在逆變橋的直流電壓：

對(duì)于電壓逆變單元，交流輸出相電壓基波幅值U1對(duì)直流側(cè)母線電壓Ui的增益M為：

因此Z源逆變器輸出交流相電壓為：

式中，M為調(diào)制因子，G為增益因子。

由上述分析可知，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器的直通占空比和調(diào)制因子M的大小就可以得到穩(wěn)定的交流輸出電壓，比起傳統(tǒng)電壓型逆變器只能降壓的特性，擴(kuò)大了整個(gè)系統(tǒng)的變化范圍，適應(yīng)于更多的場(chǎng)合。

3 Z源逆變器的SPWM調(diào)制技術(shù)

傳統(tǒng)的電壓源逆變器最忌諱的就是在同一橋臂的上下管之間形成直通，這樣會(huì)損壞逆變器器件，但在Z源逆變器中，最重要的就是要構(gòu)造出規(guī)律的直通區(qū)間。以下在基于SPWM的基礎(chǔ)上探討Z源逆變器的控制技術(shù)。

Z源逆變器工作在直通零矢量狀態(tài)和直通狀態(tài)對(duì)負(fù)載的作用是相同的，都是將三相負(fù)載短路，輸出電壓為零。這樣就可以用直通零矢量來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的零矢量，同時(shí)保持有效狀態(tài)的作用時(shí)間不變，從而實(shí)現(xiàn)Z源逆變器的升壓控制。

傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制中，當(dāng)采用對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)，每個(gè)載波周期都是由六個(gè)有效狀態(tài)中相鄰的兩個(gè)有效工作狀態(tài)和兩個(gè)傳統(tǒng)零狀態(tài)共同作用的，從上述Z源逆變器SPWM升壓控制的基本思想出發(fā)，利用直通矢量直接代替部分傳統(tǒng)矢量作用時(shí)間即可得到Z源逆變器的簡(jiǎn)單SPWM調(diào)制。

在這種調(diào)試方式下，直通零矢量被平均分配到所有傳統(tǒng)零矢量中，并且它們的位置都是固定的，在傳統(tǒng)零矢量的正中間，此方法是在傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制中利用一個(gè)等于或大于三相參考電壓峰值的直流電壓Up、Un來(lái)控制直通占空比，如圖6所示。當(dāng)三角波幅值高于正恒指Up或低于Un時(shí)，逆變器進(jìn)入零狀態(tài)，當(dāng)三角波幅值介于Up、Un之間時(shí)，逆變器進(jìn)入傳統(tǒng)的SPWM調(diào)制狀態(tài)。對(duì)于這種簡(jiǎn)單的SPWM控制方法，當(dāng)調(diào)制因子M變化時(shí)，占空比D0箝位于（1－M）。對(duì)于任意給定的調(diào)制因子M可得：

圖6 Z源逆變器SPWM控制技術(shù)及開關(guān)信號(hào)圖

從而可得Z源逆變器的電壓增益G

4 軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)Z源逆變器的仿真

軸帶發(fā)電機(jī)和直流電路由等效直流電源表示，船舶電網(wǎng)及負(fù)載由阻抗模型表示。仿真電路如圖7所示。

逆變器開關(guān)信號(hào)由簡(jiǎn)單SPWM法產(chǎn)生，直流端輸入為150V和250V階躍電壓，三相PWM信號(hào)封裝后與主電路連接，開關(guān)頻率為10kHz，調(diào)制因子M＝0．8，直通占空比為D0＝0．2。

圖7 Z源逆變器整體仿真電路圖

如圖（8）所示，開始輸入150V電壓，0．25s后接入250V電壓，系統(tǒng)都能按照一定的增益對(duì)輸入進(jìn)行放大并快速穩(wěn)定。當(dāng)輸入為150V時(shí)由圖計(jì)算分析可知：當(dāng)直流輸入電壓為150V時(shí)，逆變器輸出交流基波電壓為100V，符合式（10）：

由式（5）知，電容電壓

當(dāng)輸入為250V時(shí)經(jīng)計(jì)算也與仿真結(jié)果相符。

圖8 仿真波形圖

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)仿真可以看出，在直流輸入側(cè)電壓相對(duì)較低的時(shí)候，Z源逆變器同樣能夠得到較高的輸出電壓；當(dāng)輸入電壓有波動(dòng)時(shí)能夠快速進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，同時(shí)可以得到一些傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器所無(wú)法得到的新特性。另外，其從本質(zhì)上作為單級(jí)系統(tǒng)，具有單級(jí)逆變器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，高效率等優(yōu)點(diǎn)。因此Z源逆變器在軸帶發(fā)電機(jī)、光伏發(fā)電和燃料電池等輸出電壓變化范圍比較大的場(chǎng)合具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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