船用逆變器帶電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性研究

李興東，汪永茂，鄢 倫

船用逆變器帶電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性研究

李興東，汪永茂，鄢 倫

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430064)

針對船用逆變器帶電動(dòng)機(jī)類負(fù)載有時(shí)出現(xiàn)功率振蕩的問題，理論分析指出了逆變器和電動(dòng)機(jī)阻抗特性不匹配是振蕩產(chǎn)生的原因，結(jié)合理論分析結(jié)論通過改變逆變器電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的控制參數(shù)，調(diào)節(jié)逆變器的輸出阻抗，避開振蕩發(fā)生條件，解決了逆變器帶電動(dòng)機(jī)時(shí)的功率振蕩問題。逆變器整改前后帶電動(dòng)機(jī)的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了解決方案的可行性。

船用逆變器 功率振蕩 阻抗特性

0 引言

電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，使得采用電力電子開關(guān)器件直接實(shí)現(xiàn)交、直流電能雙向變換的整流-逆變型主變流裝置替代旋轉(zhuǎn)式變流機(jī)組成為船舶電力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢，在當(dāng)前船舶電力系統(tǒng)中扮演了舉足輕重的角色[1]。整流-逆變型主變流裝置相比發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)式結(jié)構(gòu)具有振動(dòng)噪聲低、無換向火花、無機(jī)械磨損、效率高、響應(yīng)快、體積小和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，且采用了三重化雙向直流變換器和交流多功能變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]，實(shí)現(xiàn)了高頻整流、逆變、雙向直流變換、不間斷供電、無功補(bǔ)償、蓄電池充放電和交直流限流等功能的一體化，大大簡化了船舶電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

某型船采用了交、直流雙向變換器的獨(dú)立電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)該型船用主變流裝置直流發(fā)電時(shí)，其輸入為正常交流電網(wǎng)，輸出為直流電網(wǎng)提供電能，向蓄電池、推進(jìn)電機(jī)、其它直流負(fù)載等供電；當(dāng)交流電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，主變流裝置由直流電網(wǎng)供電，經(jīng)雙向變換器產(chǎn)生交流電，保證交流電網(wǎng)的正常運(yùn)行，此時(shí)該主變流裝置相當(dāng)于一臺逆變器。

在實(shí)船上艦船電氣設(shè)備多，且負(fù)載類型復(fù)雜多樣，有可能出現(xiàn)由于負(fù)載不匹配出現(xiàn)的功率振蕩現(xiàn)象。本文將針對某型船用逆變器帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載功率振蕩問題展開詳細(xì)分析，并給出解決措施。

1 現(xiàn)象

某型船用逆變器在單機(jī)交流發(fā)電啟動(dòng)制冷機(jī)負(fù)載時(shí)(額定功率90 kW，為Y/Δ繞組切換啟動(dòng))有時(shí)出現(xiàn)交流電流振蕩(電機(jī)出現(xiàn)較大噪聲后人為停機(jī))，振蕩頻率10 Hz，振蕩期間逆變器端口交流電流約280～580 A/rms，該逆變器端口交流電壓正常且無波動(dòng)(約390 V/rms)，相應(yīng)直流電流有10 Hz的很大振蕩波動(dòng)(相應(yīng)有功產(chǎn)生振蕩)。制冷機(jī)負(fù)載由岸電起動(dòng)完成后轉(zhuǎn)切至由該逆變器供電時(shí)，有時(shí)也出現(xiàn)同樣的交流電流振蕩。振蕩期間現(xiàn)場控制器內(nèi)部采集的相關(guān)波形分別如圖1(控制器內(nèi)部采集波形為標(biāo)幺值)。此類制冷機(jī)由岸電電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)供電時(shí)，均無此現(xiàn)象。

圖1　控制器內(nèi)部采集的交流端口電壓(上圖)和電流波形(下圖)

2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)文獻(xiàn)[3]和[4]，逆變器帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載原理圖如圖2所示，假定逆變器的輸出阻抗為s()，電動(dòng)機(jī)的輸入導(dǎo)納為L()，逆變器、電動(dòng)機(jī)單獨(dú)運(yùn)行穩(wěn)定，則兩者級聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件為式(1)。

則由式(1)，可得出兩者等效阻抗的關(guān)系需滿足：

圖3 某型逆變器的實(shí)際控制框圖

圖4 某型逆變器的開環(huán)控制框圖

其中，1為輸出電壓對參考電壓傳函，2為輸出電壓對負(fù)載電流(逆變器輸出阻抗)傳函，令1=1/(Ls+R)，G(s)=R+1/Cs，G(s)=K+K/s，G(s)=K+K/s=K/(0.5Ts+1)，H(s)=K/(Ts+1)，H(s)=K/(Ts+1)，

則：

結(jié)合文獻(xiàn)[5]和[6]中的參數(shù)，可以分別得到開環(huán)和閉環(huán)下的逆變器輸出阻抗。該型逆變器在陸上聯(lián)調(diào)和實(shí)船所用電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表1所示。利用三相電動(dòng)機(jī)詳細(xì)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[7-8](考慮轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程及定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈動(dòng)態(tài)后為5階非線性微分代數(shù)方程組)，以逆變器輸出額定電壓(390 V)、電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩特性制冷機(jī)(負(fù)載轉(zhuǎn)矩L=74 Nm，對應(yīng)電動(dòng)機(jī)25%功率輸出)為輸入條件，分別計(jì)算得出兩種工況電動(dòng)機(jī)的等效輸入阻抗，并將其與逆變器閉環(huán)輸出阻抗進(jìn)行對比(實(shí)際控制參數(shù)為實(shí)船裝備參數(shù))，如圖5所示。

表1 陸上聯(lián)調(diào)、實(shí)船實(shí)驗(yàn)時(shí)的電動(dòng)機(jī)參數(shù)

從圖5的計(jì)算結(jié)果可以看出，整改前參數(shù)會(huì)使得逆變器輸出阻抗與電動(dòng)機(jī)輸入阻抗存在交叉，且交叉點(diǎn)在逆變器輸出頻率范圍內(nèi)，不能嚴(yán)格滿足式(3)，因此導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩。整改前控制參數(shù)及3組新控制參數(shù)如表2。與整改前參數(shù)相比，3組新的控制參數(shù)均能有效提高逆變器的輸出阻抗，且保證逆變器輸出阻抗與電動(dòng)機(jī)輸入阻抗沒有交叉點(diǎn)，系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 某型逆變器輸出阻抗與兩型電動(dòng)機(jī)輸入阻抗計(jì)算結(jié)果

表2 某型逆變器環(huán)節(jié)控制參數(shù)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

圖6 整改前90 kW電動(dòng)機(jī)定子A相電流

圖7 整改前90 kW電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

圖8 整改后90 kW電動(dòng)機(jī)定子A相電流

整改參數(shù)后在實(shí)船上針對該型逆變器進(jìn)行了問題復(fù)現(xiàn)和整改抑制振蕩試驗(yàn)、控制參數(shù)調(diào)整后靜止主變的并網(wǎng)和并聯(lián)試驗(yàn)、實(shí)船現(xiàn)有負(fù)載條件下的靜止主變負(fù)載突加及突缷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6-圖9所示。結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)逆變器交流電壓控制參數(shù)來抑制振蕩是有效的。

圖9 整改后90 kW電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩

4 結(jié)論

綜上所述，船用逆變器帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載穩(wěn)定性與兩者阻抗匹配有關(guān)。該振蕩問題與電機(jī)的功率等級有關(guān)，最終反映在阻抗匹配問題上。逆變器輸出阻抗特性偏軟，在工作頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了逆變器輸出阻抗大于電動(dòng)機(jī)輸入阻抗的情況。合理選用控制參數(shù)，可以對逆變器的輸出阻抗特性進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而到達(dá)避開發(fā)生振蕩的條件。該方法對其他場合和類型的電力電子設(shè)備帶電動(dòng)機(jī)負(fù)載穩(wěn)定性同樣有借鑒意義。

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[8] H. Wayne Beaty. 電力計(jì)算手冊 M . 第 3 版.北京中國電力出版社, 2007.

Stable Analysis of Ship Inverter with Electric-motors

Li Xingdong, Wang Yongmao, Yan Lun

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U665.14; TM464

A

1003-4862(2019)12-0058-04

2019-09-04

李興東(1987-），男，工程師。研究方向：船舶電力系統(tǒng)。E-mail: liznrn@126.com