中壓岸電系統(tǒng)整流電路拓樸結(jié)構(gòu)分析

張同琛， 張歡仁， 蘆 寧

(上海船舶運輸科學研究所 船舶運輸控制系統(tǒng)國家工程研究中心，上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著環(huán)境保護越來越受重視，船舶污染問題得到了國際海事組織和各個國家的廣泛關(guān)注。船舶污染主要來源于船舶發(fā)電機排放的有害物質(zhì)，據(jù)統(tǒng)計，采用柴油發(fā)電機的船舶每年排放的有害物質(zhì)超過1 000萬t，對大氣環(huán)境造成了惡劣影響，而產(chǎn)生如此多有害物質(zhì)的根源在于電力系統(tǒng)能源利用率不足和操作過程存在缺陷，其中：電力系統(tǒng)能源利用率不足主要體現(xiàn)在柴油發(fā)電機設(shè)計和燃油質(zhì)量方面；操作過程缺陷主要體現(xiàn)在船用負載管理和靠港時污染物排放方面。據(jù)調(diào)查，上海港的污染物排放占上海市污染物排放總量的10%～20%，其他港口的污染物排放情況也與該港口相似。因此，減少船舶靠港時的污染物排放可作為節(jié)能減排的一種方式。若在船舶靠港期間采用副機發(fā)電，則燃料不充分燃燒會產(chǎn)生有害氣體，燃燒的產(chǎn)物直接排放到海里會對港口環(huán)境造成污染。經(jīng)研究，若在船舶進港期間采用中壓岸電系統(tǒng)為船上的負載供電，則可有效降低船舶靠港時對港口環(huán)境的污染，達到節(jié)能減排的目的。

整流電路是中壓岸電系統(tǒng)的重要組成部分，以中國遠洋海運集團有限公司5 000 TEU系列集裝箱船為例，在并網(wǎng)時，岸上電網(wǎng)需通過整流電路將10 kV/50 Hz的交流電整流為直流電，輸送到濾波電路、逆變電路等電路中，最終變?yōu)?.6 kV/60 Hz的交流電供給船舶。從并網(wǎng)到給船舶供電，電壓先由交流變成直流，再變成交流，目的是減少輸送過程中的功耗。由于整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)對整流效果和控制方法的選擇都有影響，因此有必要對整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)進行分析，選擇出最適合的拓撲結(jié)構(gòu)。

在整個集裝箱船系統(tǒng)中，單相整流器已在一些小功率系統(tǒng)中得到應(yīng)用，而多脈沖整流電路在船舶推進系統(tǒng)中的應(yīng)用還處在研究階段。當前集裝箱船上應(yīng)用最廣泛的整流電路是三相整流電路，其中拓撲結(jié)構(gòu)是根據(jù)實際需要選擇的。因此，在進行仿真建模之前，需對整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)進行分析。

1 整流電路拓撲結(jié)構(gòu)分析

整流電路有很多種，可按電源系統(tǒng)的不同，分為三相整流電路和單相整流電路；可按控制器件的不同，分為全控整流電路、半控整流電路和不控整流電路；可按電路結(jié)構(gòu)的不同，分為三橋臂整流電路和四橋臂整流電路等。船舶領(lǐng)域內(nèi)的整流電路要根據(jù)電力系統(tǒng)中其他電路的拓撲類型選擇，使系統(tǒng)中的各部分結(jié)構(gòu)能良好地適配，降低電路的復(fù)雜度，因此采用的電路多為三相橋式電路。下面根據(jù)控制器件的不同，對三相不控整流電路、三相半控整流電路和三相全控整流電路進行分析比較。

1.1 三相不控整流電路

三相不控整流電路的負載側(cè)既可以是RC電路，也可以是RCL電路，不同電路結(jié)構(gòu)的輸出電壓的計算原理有所不同。圖1為有電容濾波的三相不控整流電路原理圖，該整流電路采用的器件是不可控的二極管，負載端是濾波電容和負載電阻，每個時間點上橋臂二極管和下橋臂二極管都有1只被開啟，此時AC側(cè)的電壓最大值可等效為DC側(cè)的電壓進行輸出。例如在零時刻，上橋臂的器件VD1與下橋臂的器件VD6導(dǎo)通，DC側(cè)電壓值正如前面所述，并同時向電容和電阻供電。在前一對二極管關(guān)斷和后一對二極管導(dǎo)通期間，會有一個臨界情況，此時電阻與電容的關(guān)系為

圖1 有電容濾波的三相不控整流電路原理圖

(1)

此時導(dǎo)通與關(guān)斷剛好在同一時刻，輸出電流id剛好能保持連續(xù)。相電壓Ua的計算式為

(2)

式(1)和式(2)中:R為電阻;C為電容;ω為角頻率;δ為相位。

對于負載為RCL的不控整流電路，干路電流會流經(jīng)電感，此時的情況更貼近實際情況，因為在實際工程環(huán)境中，電路之間的作用會使電路帶有電感。此外，為保證整流電路正常工作，還會加入保護電感。在此次仿真研究中，為使結(jié)果更清晰，采用簡化的RC負載電路。

1.2 三相半控整流電路

上述整流電路結(jié)構(gòu)的上橋臂和下橋臂都是由二極管組成的，半控整流電路在此基礎(chǔ)上進行了調(diào)整，將上橋臂的二極管換成了晶閘管，并將其與共陰極相連接。該電路兩側(cè)采用的接法不同，其中：變壓器側(cè)采用三角形連接，可減少電路中的干擾因子；晶閘管和二極管側(cè)采用星形連接，可降低每個晶閘管承受的電壓，使電路更穩(wěn)定。該電路負載端有2種負載，一種是純電阻負載，另一種是更貼合實際的阻感負載，本文遵照簡單清晰的原則，采用純電阻負載，電路原理圖見圖2。

圖2 三相半控整流電路原理圖

晶閘管是一種可通過電壓控制的器件，在使用過程中需考慮觸發(fā)脈沖,通過控制觸發(fā)脈沖控制輸出電壓，其工作原理與雙晶體管類似。若門極在一定條件下流過電流IG，則IG會在第一個NPN晶體管內(nèi)產(chǎn)生基極電流IC2，該電流會流入PNP晶體管，最終增強NPN晶體管的基極電流。該正向反饋持續(xù)作用，最終使晶閘管正常工作。晶閘管一旦導(dǎo)通，開始時加入的觸發(fā)電流將失去作用，只有將晶閘管此時的陽極電壓減到足夠小，才能使晶閘管停止工作。

當陽極電壓加在晶閘管兩端時，只有門極承受正向電壓,晶閘管才會被導(dǎo)通；當晶閘管承受反向陽極電壓時，晶閘管全部處于關(guān)閉狀態(tài)。晶閘管導(dǎo)通之后，只要兩端還有陽極電壓，晶閘管就不會關(guān)斷，只有當主回路電流為0時,晶閘管才會關(guān)斷。需注意的是，晶閘管的觸發(fā)角α是相電壓過零后30°。

1.3 三相全控整流電路

三相全控整流電路是最常用的整流電路，可分為電壓驅(qū)動和電流驅(qū)動2種。負載為RL的電路是電流驅(qū)動型整流電路;負載側(cè)為RC的電路是電壓驅(qū)動型整流電路。電流驅(qū)動型整流電路的儲能元件是電感;電壓驅(qū)動型整流電路的儲能元件是電容。根據(jù)實際環(huán)境的不同，選擇不同驅(qū)動類型的整流電路。本文的三相全控整流電路采用負載為RC的電壓驅(qū)動型整流電路，其原理圖見圖3。

圖3 三相全控整流電路原理圖

與前面研究的整流電路的差異點是該整流電路的6個二極管全部變成了晶閘管，上橋臂和下橋臂一個是共陰極連接，另一個是共陽極連接，每一時刻上橋和下橋都有一個晶閘管被導(dǎo)通，導(dǎo)通相位相差60°。為獲得理想的直流輸出電壓，觸發(fā)脈沖需同時作用于2組晶閘管上，采用寬脈沖觸發(fā)或雙脈沖觸發(fā)可達到該目的，此次仿真采用寬脈沖觸發(fā)。

2 整流電路拓樸結(jié)構(gòu)仿真分析

2.1 仿真建模

為高效地區(qū)分3種整流電路拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，考慮到MATLAB軟件具有高適配性和可編程性的優(yōu)點，選擇MATLAB軟件中的Simulink仿真工具進行仿真試驗。

下面采用Simulink仿真工具，根據(jù)理論分析原理搭建三相不控整流電路仿真電路(見圖4)，供電部分是三相AC，主電路為6個二極管組成的三相電路，負載端由電阻和電容組成，負載電阻為100 Ω。

圖4 三相不控整流電路仿真電路

圖5為三相半控整流電路仿真電路，簡化為只針對阻性負載，α=30°，供電部分由3個獨立電源組成，主干路由3個通用晶閘管和脈沖電路組成，負載是電阻R。

圖5 三相半控整流電路仿真電路

圖6為三相全控整流電路仿真電路，由三相交流電源和6個晶閘管負載電阻組成，脈沖寬度為80°。

圖6 三相全控整流電路仿真電路

2.2 仿真分析

3種整流電路拓撲結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果分別見圖7～圖9。研究過程中只探究了輸出電壓的特性，通過比較可知：

圖7 三相不控整流電路輸出電壓

1)在同一電阻下，三相不控整流電路的輸出電壓(如圖7所示)只能通過改變導(dǎo)通角δ改變，無法通過一些控制方法進行控制，進而將輸出電壓控制在最好的狀態(tài)，在試驗中只能通過反復(fù)改變δ，將輸出電壓控制在合理范圍內(nèi)。

2)三相控整流電路便于分析和控制，可根據(jù)觸發(fā)脈沖控制輸出電壓，適用于很多簡單的場景，輸出電壓的圖像如圖8所示，在對脈沖進行合理調(diào)整之后，負載電阻的電壓波形與理論研究的形狀相符合，但因只有上橋臂是可控的晶閘管，在某些時刻無法進行控制。

3)三相全控整流電路的6個晶閘管都能由觸發(fā)脈沖控制，只要保證觸發(fā)脈沖遵循一定的規(guī)律，就能保證輸出電壓按理想的狀態(tài)輸出。試驗中設(shè)計6個觸發(fā)脈沖，為直觀地觀察輸出電壓的波形，只選取1相電壓(如圖9所示)，此時輸出電壓Vb的波形正常，仿真效果達到了預(yù)期。在設(shè)計試驗時可引入鎖相環(huán)，進一步保證輸出電壓的質(zhì)量，得到的平穩(wěn)的直流電壓可直接供給三相全控逆變電路，實現(xiàn)岸端的供電功能。

2.3 仿真對比

通過對仿真結(jié)果進行分析并查閱相關(guān)資料，可得到以下結(jié)論：

1)由二極管組成的三相不控整流電路具有成本低和操作方式簡單等優(yōu)點，但也存在明顯的不足。由于二極管是不可控器件，直流側(cè)的輸出電壓不可控制，導(dǎo)致輸出電流的質(zhì)量不理想，易產(chǎn)生諧波污染，因此該類型整流電路不適于在環(huán)境因素有很多不確定性的大型現(xiàn)場應(yīng)用。

2)三相半控整流電路可彌補二極管的不足，在一定范圍內(nèi)控制輸出電壓，得到理想的波形，但由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，易使變壓器磁化失效。在實際岸電系統(tǒng)中，出于安全和穩(wěn)定考慮，要避免失控的情況，不能選擇該類型整流電路。

3)三相全控整流電路的控制能力相比前2種整流電路有進一步的提升，上橋臂和下橋臂共有6個晶閘管，彌補了三相半控整流電路可能會在某區(qū)間內(nèi)失控的缺點。該類型整流電路的輸出電壓可達到理想狀態(tài)，在實際工程中，鎖相環(huán)和反饋信號的加入會使其輸出電壓更平穩(wěn)，更可靠?？紤]到岸電系統(tǒng)的整體性，該類型整流電路還可與中壓岸電系統(tǒng)的其他模塊相匹配，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更完整。

在構(gòu)建中壓岸電系統(tǒng)的整流電路時，需考慮的問題是能否實時輸出可靠的電壓，能否對輸出電壓進行追蹤、控制。綜上所述，前2種整流電路不能滿足所要搭建的岸電系統(tǒng)的要求，三相全控的拓撲結(jié)構(gòu)能達到電壓可追蹤且可控的要求，因此選擇這種拓撲結(jié)構(gòu)進行建模并設(shè)計后續(xù)的控制方法。

3 結(jié) 語

本文對3種常見的整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)進行了分析，研究了三者的工作原理和相互間的等量關(guān)系，通過仿真建模分析得出適合中壓岸電系統(tǒng)使用的是三相全控整流電路，為后續(xù)逆變器的選擇和控制算法的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。在后續(xù)優(yōu)化中，將在反饋模型中加入PID(Proportion Integral Differential)閉環(huán)控制，以此為基礎(chǔ)，搭配仿真平臺和數(shù)據(jù)采集等模塊，建立可在實船測試中應(yīng)用的硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，提高整流電路的性能，使岸電系統(tǒng)更貼合應(yīng)用實際，更好地應(yīng)用到實船系統(tǒng)中。