一種基于LCL輸出濾波器的船用逆變器研究

萬福瑞，王國玲，劉先越，俞萬能，廖衛(wèi)強

（1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院福建廈門361021，2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室福建廈門361021）

一種基于LCL輸出濾波器的船用逆變器研究

萬福瑞1,2，王國玲1,2，劉先越1,2，俞萬能1,2，廖衛(wèi)強1,2

（1.集美大學(xué)輪機工程學(xué)院福建廈門361021，2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室福建廈門361021）

針對高功率密度、高體積重量比的船舶電力系統(tǒng)應(yīng)用場合，研究基于LCL輸出濾波器的電路結(jié)構(gòu)與電流瞬時值控制策略，為船舶多能源供電系統(tǒng)中逆變器與同步發(fā)電機并聯(lián)供電的實現(xiàn)提供技術(shù)方案。通過逆變器建模與解耦、控制器數(shù)學(xué)模型的建立與系統(tǒng)的仿真，獲得了控制策略實現(xiàn)及參數(shù)確定的方法。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的船用逆變器與同步發(fā)電機并聯(lián)構(gòu)成的供電系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性高、動態(tài)特性好、供電質(zhì)量優(yōu)、發(fā)電機利用率高等優(yōu)良性能。

LCL濾波器新能源逆變器船舶電力系統(tǒng)

0 引言

隨著地球能源危機、環(huán)境污染等問題的日益突出，可再生新能源逐步替代傳統(tǒng)能源的綠色船舶技術(shù)成為船舶發(fā)展的新方向。由于太陽能、風(fēng)能等自然能源存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)問題，故將新能源與柴油發(fā)電機組相結(jié)合的船舶多能源供電系統(tǒng)，將成為船舶電力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[1]。然而由于船舶電力系統(tǒng)變化頻繁，負(fù)載啟動引起的電網(wǎng)電壓、頻率下降較大，因此，研究具有高穩(wěn)定性、高效率的逆變器成為船舶交流多能源交流供電系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵。

本文結(jié)合船舶電網(wǎng)的實際情況，合理設(shè)計基于LCL型濾波器的船用逆變器，并在dq坐標(biāo)系下進行逆變器的解耦分析；根據(jù)逆變器數(shù)學(xué)模型，采用基于電網(wǎng)電壓定向的雙閉環(huán)控制策略對逆變器進行控制，通過理論推導(dǎo)，獲得控制器參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則；從諧振頻率、總電感量以及諧波抑制能力等方面考慮，獲得LCL濾波器的設(shè)計方法；通過Matlab/Simulink對這種LCL船用逆變器系統(tǒng)的仿真研究，驗證了所提出的控制策略的有效性。

1 船舶供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及逆變器電路拓?fù)?/h2>

多能源船舶供電系統(tǒng)如圖1所示，多種新能源直流并聯(lián)后共同接入逆變器前端，從船舶交流電網(wǎng)側(cè)來看，逆變器輸出端與柴油發(fā)電機組交流并聯(lián)后共同為船舶負(fù)載供電，且有：

其中，IG、I2及IL分別為同步發(fā)電機輸出電流、逆變器輸出電流及負(fù)載電流對應(yīng)的矢量。

綜合考慮船舶對逆變器成本、體積及控制復(fù)雜程度的要求，選擇元器件個數(shù)少、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、LCL型輸出濾波器的三相全橋拓?fù)?，如圖2所示。其中VT1～VT6為6個IGBT開關(guān)管，R1為濾波電感L1內(nèi)阻與功率變換器內(nèi)阻之和，R2為濾波電感L2內(nèi)阻，L1、

圖1 船舶交流電網(wǎng)側(cè)電氣連接圖

當(dāng)直流電源向船舶電網(wǎng)傳遞功率時，功率變換器工作在逆變狀態(tài)，將直流電壓Udc逆變成雙極性兩電平高頻交流脈沖電壓ua、ub和uc，ua、ub和uc經(jīng)輸出LCL濾波器后變換成低頻輸出電流i2a、i2b和i2c，并與發(fā)電機輸出iGa、iGb和iGc共同為船舶負(fù)載供電；當(dāng)船舶電網(wǎng)向直流電源回饋能量時，功率變換器工作在整流狀態(tài)。

圖2 逆變器電路拓?fù)?/p>

2 系統(tǒng)建模

2.1 逆變器本體解耦模型

在三相負(fù)載平衡條件下，圖2所示的三相逆變器中，電容中性點N’與負(fù)載中性點N等電位，逆變器三相可以完全解耦，故將其等效為單相電路，如圖3所示，其中ui為濾波器前端高頻斬波電壓的基波分量，則電壓電流方程為

經(jīng)過Park、Clark變換，可將上式變換成基于電壓定向的dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型，即為

式中ωo為同步旋轉(zhuǎn)角頻率，即uo的角頻率。

C、L2組成三階LCL濾波器。

圖3 三相LCL濾波器單相等效電路

對上式進行拉氏變換，可得到并網(wǎng)逆變器s域的數(shù)學(xué)模型為

從上式可以看出，在dq坐標(biāo)系中，逆變器的數(shù)學(xué)模型在dq軸間存在耦合。引入前饋解耦的開環(huán)解耦模型結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中

2.2 控制系統(tǒng)模型

圖6所示為本文設(shè)計的船用三相逆變器基本控制框圖。通過電流參考生成器獲得d軸電流參考值i2d*給電流內(nèi)環(huán)，本文為了使逆變器盡可能多的輸出有功功率令i2q*=0。交流電流i2abc經(jīng)過變換得到反饋電流i2d和i2q，而交流電壓空間矢量角θ由鎖相環(huán)得到，隨后經(jīng)過解耦后生成逆變器d軸和q軸的電壓參考指令Ud*和Uq*，再經(jīng)過Park反變換生成Uα*和Uβ*，進而通過空間矢量發(fā)生器產(chǎn)生控制開關(guān)管的導(dǎo)通信號。

圖4 dq坐標(biāo)下基于狀態(tài)反饋解耦控制原理圖

圖5 引入前饋解耦的模型結(jié)構(gòu)

圖6 三相并網(wǎng)逆變器基本控制框圖

3 關(guān)鍵電路參數(shù)設(shè)計

3.1 逆變器LCL參數(shù)設(shè)計

逆變器參數(shù)設(shè)計的前提條件如下：電網(wǎng)相電壓的有效值Uo=220 V，直流母線電壓Udc=900 V，電網(wǎng)頻率fn=50 Hz，開關(guān)頻率fs=5 kHz，逆變器額定容量SN=30 kW。

電流紋波ΔiLmax一般可限制在10%～25%，本文選取20%，根據(jù)公式(5)可以得到逆變器側(cè)濾波電感L1的最小值。

計算結(jié)果L1≥2.475 mH，適當(dāng)增加一些裕量，最終選取L1的值為2.5 mH。

對于濾波器電容C的選取，一般要求其無功功率低于5%，本文要求無功功率的限定值為2%。由公式（6）可以據(jù)算出濾波電容的大小。

最終選取C的值為13 μF。

電網(wǎng)側(cè)電感與逆變器側(cè)電感關(guān)系如式（7）所示，其中r為相關(guān)系數(shù)。

電網(wǎng)側(cè)電感可以根據(jù)在開關(guān)頻率處電流諧波的衰減度進行設(shè)計。式（8）表示諧波電流的衰減度，iL2(hsw)與iL1(hsw)比值越小，諧波電流衰減效果越好。

其中iL2(hsw)和iL1(hsw)分別為開關(guān)頻率處的電網(wǎng)側(cè)電流諧波和逆變器側(cè)電流諧波。

由于LCL自身存在諧振問題，一般要求諧振頻率介于10倍工頻頻率和一半開關(guān)頻率之間：

由式（8）可知r越大電流諧波衰減效果越好。本文選取r=0.5，算得

帶入式(7)得

將LCL濾波器參數(shù)帶入式(9)驗證結(jié)果符合諧振頻率要求，LCL濾波器設(shè)計完畢。

3.2 逆變器控制器參數(shù)設(shè)計

在設(shè)計控制器參數(shù)時，LCL濾波器在低頻段可以看作是單L型濾波器，此時濾波器相當(dāng)于一個感值為3.75 mH的大電感。以電流d軸分量為例設(shè)計控制器參數(shù)如下：Ts為電流采樣周期，逆變橋的放大特性可比例增益Kpwm表示。此時電流內(nèi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖7示。其中G1d(s)為電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器，且有

其中ki、Ti分別為控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

圖7 逆變器d軸電流閉環(huán)控制簡化模型

由圖7可以看出系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)Goi(s)為：

電流環(huán)需要有快速的電流跟蹤特性，由典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計原理可知Ti=L/r。那么電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

取反饋比例kif=1，電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

Kpwm=200，R=0.1，kif=1，Ts=200 μs可得Ti=0.047，則系統(tǒng)特性如圖8所示。圖8(a)中實線和虛線分別為對應(yīng)的Go(s)、Gc(s)頻率特性，圖8(b)為Go(s).Gc(s)

頻率特性。從圖中可以看出加入Gc(s)后，幅頻曲線以20dB/十倍頻通過零點且有一定的帶寬，相角裕度大于45o；高頻段衰減明顯，抗干擾能力強。

圖8 控制系統(tǒng)特性曲線

4 仿真結(jié)果

基于LCL型濾波器的船用光伏逆變器并網(wǎng)仿真結(jié)果如圖9所示：

逆變器并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)輸出如圖9(a)所示，最終逆變器輸出相電流為45 A的三相交流電。逆變器A相電流諧波如圖9(b)所示，逆變器輸出電流總諧波失真為0.58%。圖9(c)和圖(d)分別為逆變器A相輸出電壓電流波形和逆變器輸入輸出功率，圖(c)虛線表示A相電壓，實線表示A相電流，圖9(d)中實現(xiàn)表示輸出功率，虛線表示輸入功率。從圖中可以看出系統(tǒng)在0.12 s以后電壓電流同步，逆變器輸出無功功率為零。此時逆變器輸出有功功率為29.5 kW并保持恒定，逆變器效率為98%。

圖9 仿真波形

5 結(jié)論

本文對船用逆變器主電路拓?fù)浜蜑V波器設(shè)計進行分析，得到完整船用逆變器數(shù)學(xué)模型。通過理論分析和仿真研究得到如下結(jié)論：

1）船用逆變器宜采用三相全橋拓?fù)?，分別從諧振頻率、總電感量以及諧波抑制能力等角度分析，總結(jié)出一套簡易可行的LCL濾波器設(shè)計原則并得到精確的逆變器數(shù)學(xué)模型。

2）采用并網(wǎng)電流i2進行反饋控制，基于所建的逆變器數(shù)學(xué)模型，引入前饋并通過dq軸解耦，建立逆變器電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，獲得了控制器參數(shù)設(shè)計方法。

3）仿真結(jié)果與理論分析一致，驗證了依據(jù)本文提出的濾波器和控制器設(shè)計方案可行性；基于完整的LCL型濾波器的數(shù)學(xué)模型，采用網(wǎng)側(cè)電流反饋控制可以保證并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，使逆變器以高功率因數(shù)向船舶電網(wǎng)輸電。

[1]俞萬能,李丹,鄭為民.太陽能游覽船能量控制系統(tǒng)研發(fā)[J].中國造船,2013,03：177-183.

[2]王國玲,許順孝,廖衛(wèi)強,常玉崗,俞萬能.船用逆變器電流隨動控制策略研究[J].船舶工程,2016,02：74-79.

Research onAn Inverter with LCL Output Filter inAShip

Wan Furui1,2,Wang Guoling1,2,Liu Xianyue1,2,Yu Wanneng1,2,Liao Weiqiang1,2

（1.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen361021,Fujian,China;2.Fujian Province Key Laboratory of Naval Architecture and Marine Engineering,Xiamen 361021,Fujian,China）

For the application of high power density and high volume-weight ratio of ship’s electric power system, a control strategy for circuit structure based on LCL output filter and instantaneous current value is researched so as to put forward a technical proposal for realization of parallel power supply for inverter and synchronous generator in multi-energy power supply system for the ship.By means of modeling and de-coupling of inverter, mathematical modeling of controller and simulation of system,the way for implementation of the control strategy and determination of parameters is obtained.The simulation shows that the power supply system that consists of the inverter designed and synchronous generator in parallel has high stability,good dynamic behavior,excellent power supply quality and high utilization efficiency of generator,etc.

LCL filter;new energy;inverter;marine electrical system

TM464

A

1003-4862（2016）12-0001-05

2016-08-04

福建省自然科學(xué)青年基金項目（2013 J05081）；集美大學(xué)預(yù)研基金項目（Z81218）；交通部應(yīng)用基礎(chǔ)主干學(xué)科科技項目（2015329815160）

萬福瑞（1991-），男，碩士研究生。研究方向：多能源微電網(wǎng)逆變技術(shù)。

王國玲（1978-），女，博士，副教授。研究方向：電力電子與電力傳動、多能源微電網(wǎng)逆變技術(shù)。