電力推進(jìn)船舶有源濾波器的電壓環(huán)設(shè)計(jì)

(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南通 226010)

相比于普通船舶的推進(jìn)系統(tǒng)，電力推進(jìn)船舶具有效率高、機(jī)動(dòng)性能好、噪音低、污染小等優(yōu)點(diǎn)，因電力推進(jìn)系統(tǒng)需要采用大量變頻裝置，其包含二極管、晶閘管等電力電子器件[1]，大量電力電子器件是電力推進(jìn)船舶電網(wǎng)諧波的主要來源。船用電力系統(tǒng)對(duì)于諧波比較敏感，電力系統(tǒng)中高次諧波的產(chǎn)生會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或者通信系統(tǒng)形成干擾，對(duì)船舶的正常運(yùn)行造成影響[2]，因此諧波抑制對(duì)于優(yōu)化電網(wǎng)環(huán)境起到了至關(guān)重要的作用。

目前在船舶電網(wǎng)諧波抑制方面，因諧波治理需求迫切，且隨著有源電力濾波器的不斷發(fā)展，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的不斷改進(jìn)，有源電力濾波器種類逐漸增多[3]。為了保證有源電力濾波器的良好運(yùn)行，直流側(cè)電壓需要基本穩(wěn)定在一個(gè)值，但是由于開關(guān)器件頻繁的開斷會(huì)產(chǎn)生能量損耗，所以需要對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行干預(yù)控制。直流側(cè)電壓穩(wěn)定是諧波補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)，由于能量損耗，使得電容電壓不穩(wěn)定，針對(duì)這一問題對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行了PI控制器設(shè)計(jì)，有效解決了直流側(cè)電壓不穩(wěn)定問題。

1 電壓環(huán)控制原理

直流母線電容為并聯(lián)有源電力濾波器的工作提供直流電壓，理想情況下直流側(cè)電壓會(huì)自動(dòng)保持穩(wěn)定，但由于變流器存在開關(guān)損耗等原因，并受網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)能量流動(dòng)的影響，變流器直流側(cè)電壓往往會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)[2]，若不加以控制將影響到補(bǔ)償裝置的正常工作。因此，在變流器工作時(shí)，必須將直流側(cè)電容電壓控制在一個(gè)穩(wěn)定值上，以保證APF裝置良好的補(bǔ)償性能。

對(duì)APF直流側(cè)電壓控制，可以采用獨(dú)立電源方式，由二極管整流電路給變流器直流母線電容供電，這種方式雖然能達(dá)到電容電壓控制的目的，但需增加一套設(shè)備，系統(tǒng)也將更加復(fù)雜，同時(shí)增加系統(tǒng)的成本和功耗。因此，實(shí)際應(yīng)用中通常采用另一種更為簡(jiǎn)單的方式，即通過對(duì)APF主電路進(jìn)行適當(dāng)控制，根據(jù)能量守恒原理，在指令電流中疊加一定的有功電流分量，使變流器交直流側(cè)之間進(jìn)行能量交換，從而實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)壓控制。

對(duì)于三相三線制系統(tǒng)，三相瞬時(shí)無功功率之和為零，APF交直流側(cè)的能量交換取決于瞬時(shí)有功功率，瞬時(shí)有功功率的變化將直接影響直流側(cè)電壓波動(dòng)[2]?？蓪?duì)瞬時(shí)有功電流進(jìn)行補(bǔ)償以達(dá)到系統(tǒng)有功功率平衡的目的，從而穩(wěn)定APF直流側(cè)電壓，加入直流側(cè)電壓控制的FBD諧波檢測(cè)原理如圖1所示。

圖1 加入直流側(cè)電壓控制的檢測(cè)原理圖

PI控制器根據(jù)直流側(cè)電容電壓實(shí)際值與參考值之間的差值，從電網(wǎng)側(cè)吸收或者發(fā)出有功的電流值，來平衡直流側(cè)電容的電壓值。PI控制器的設(shè)計(jì)對(duì)于電力推進(jìn)船舶有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)當(dāng)電力推進(jìn)船舶加入大負(fù)載時(shí)或者參考電壓突變時(shí)，直流側(cè)電壓能夠適時(shí)的改變；

(2)對(duì)直流側(cè)的穩(wěn)壓控制有良好的魯棒性[2]。

2 電壓環(huán)控制設(shè)計(jì)

2.1 基于PI調(diào)節(jié)器的電壓環(huán)控制設(shè)計(jì)

圖2 直流側(cè)電壓控制原理結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)圖2，由有功電導(dǎo)直流分量與參考電壓信號(hào)得到基波正序有功分量，疊加Δip后附加的三相基波正序有功電流為：

(1)

電網(wǎng)相電壓有效值為E，則疊加的補(bǔ)償量產(chǎn)生的附加有功功率為：

(2)

假設(shè)ΔP經(jīng)時(shí)間Δt，并造成直流側(cè)電壓大小變化ΔUdc，則有：

(3)

(4)

當(dāng)Δt→0時(shí)，認(rèn)為直流側(cè)電壓穩(wěn)定，則有：

(5)

對(duì)式(5)進(jìn)行拉氏變換得到：

(6)

即是說被控對(duì)象傳遞函數(shù)為：

(7)

為取得理想補(bǔ)償效果，需要采取合適的控制手段穩(wěn)定直流母線電壓。由于直流側(cè)電壓給定為直流量，可采用傳統(tǒng)的PI控制策略，采用PI調(diào)節(jié)器的直流側(cè)電壓控制框圖如圖3所示[5]。

圖3 采用PI調(diào)節(jié)器的直流側(cè)電壓控制框圖

設(shè)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為：

(8)

式中，KvP為比例系數(shù)，KvI為積分系數(shù)。則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

(9)

式(9)是一個(gè)典型II型系統(tǒng)，中頻環(huán)寬為：

hv=τv/Tv

(10)

由典型II型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關(guān)系得到[6]：

(11)

考慮到對(duì)電壓環(huán)控制系統(tǒng)抗擾性以及跟隨性的要求，一般取中頻環(huán)寬hv=5，代入上式計(jì)算得到PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)為：

(12)

將本文參數(shù)代入公式(12)，可得到電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)為：比例系數(shù)KvP=0.28，積分系數(shù)KvI=2.81。

2.2 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)所設(shè)計(jì)的PI控制器及其相應(yīng)參數(shù)，電壓控制系統(tǒng)得到的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示，由曲線可以看出，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)雖然存在一定超調(diào)，但其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，基本可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

圖5為電壓控制系統(tǒng)的波特圖，從圖中可以看出，其幅值裕度約為41.1，而相角裕度近似無窮大，理論上可以滿足二階控制系統(tǒng)對(duì)于穩(wěn)定性的基本要求，由此驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的APF電壓控制系統(tǒng)的正確性。

圖4 電壓控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

圖5 電壓控制系統(tǒng)波特圖

3 仿真分析

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

為了驗(yàn)證電壓環(huán)PI控制方式的有效性，基于Matlab/Simulink環(huán)境搭建仿真模型進(jìn)行了對(duì)比的模擬分析。其主要的仿真參數(shù)為：網(wǎng)側(cè)電壓額定值660 V；所采用的模擬電力推進(jìn)船舶諧波源為非線性阻感負(fù)載，其前端為二極管整流單元；變流器的電容為4 500 μF，其給定電壓值為2 000 V；交流側(cè)電感值為4 mH；為了能觀察所研究的控制系統(tǒng)在跳變負(fù)載下的響應(yīng)速度，設(shè)置于負(fù)載等值的跳變電阻。仿真中，設(shè)置計(jì)算機(jī)的結(jié)算步長(zhǎng)為100 kHz，開關(guān)頻率為10 kHz。

3.2 基于PI調(diào)節(jié)器的電壓環(huán)控制仿真

為了驗(yàn)證直流側(cè)電流PI控制方法的有效性，基于MATLAB/Simulink環(huán)境搭建了仿真模型進(jìn)行模擬分析。在仿真中，電流跟蹤控制器為基于重復(fù)控制的改進(jìn)無差拍控制器，圖6為直流側(cè)電壓實(shí)際值的檢測(cè)環(huán)節(jié)，通過對(duì)APF變流器直流側(cè)的電容電壓值進(jìn)行采樣測(cè)量，可以得到當(dāng)前時(shí)刻的直流側(cè)電壓值。

圖6 直流側(cè)實(shí)際電容電壓值的檢測(cè)環(huán)節(jié)

圖7 APF直流側(cè)電壓控制原理圖

圖7為APF直流側(cè)電壓控制的原理圖，可以看出經(jīng)過采樣得到的直流側(cè)實(shí)際電容電壓值與給定電壓值(2 000 V)進(jìn)行比較，能夠得到期望與給定值之間的偏差，由本文所研究的PI控制器進(jìn)行跟蹤控制以后送至檢測(cè)環(huán)節(jié)的有功通道，便可得到直流側(cè)有功功率的需求控制值，最終得以實(shí)現(xiàn)APF直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

圖8為APF變流器直流側(cè)電壓不加控制時(shí)的電壓波形圖，根據(jù)波形可以看出，直流側(cè)電壓值一直處于上升的趨勢(shì)中，這將給電容器和APF的穩(wěn)定性帶來不利影響。

圖8 電容電壓不加控制的波形圖

圖9為APF變流器直流側(cè)電壓加PI控制時(shí)的電壓波形圖，根據(jù)波形可以看出，直流側(cè)電壓得到了較好控制，不但前期電容電壓能夠快速響應(yīng)，同時(shí)在負(fù)載跳變點(diǎn)處，電壓也能夠維持在穩(wěn)定水平。根據(jù)波形可知，采用所研究的PI控制器進(jìn)行控制以后，直流側(cè)電壓得到了較好的動(dòng)態(tài)平衡控制，能夠?yàn)锳PF正常且高效工作提供了較為有力的支撐。

圖9 電容電壓PI控制的波形圖

4 結(jié) 語

本文介紹了電壓環(huán)控制的原理，并針對(duì)電力推進(jìn)船舶有源電力濾波器的電壓環(huán)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究。為了保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定以及系統(tǒng)的安全運(yùn)行，采用了基于PI調(diào)節(jié)器直流側(cè)電壓控制，研究了PI調(diào)節(jié)器直流側(cè)電壓控制的結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了電壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過PI調(diào)節(jié)器對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行了有效控制。

從仿真結(jié)果中可以看出，在沒有加入PI調(diào)節(jié)器時(shí)，直流側(cè)儲(chǔ)能電容的電壓波形發(fā)散。而加入PI調(diào)節(jié)器對(duì)并聯(lián)有源電力濾波器的電壓環(huán)控制后，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在2 000 V，儲(chǔ)能電容的電壓波形在一個(gè)周波內(nèi)便能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，且其波動(dòng)范圍較小，Matlab仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的PI控制器動(dòng)態(tài)性能與控制精度的合理性。