基于船舶電網(wǎng)的三相PWM 整流器控制策略

陳 濤，張謝天，楊恒瑞

（1. 海裝上海局駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海 201913，2. 上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

陸上電網(wǎng)是無(wú)限容量系統(tǒng)，而船舶電網(wǎng)是獨(dú)立的有限容量系統(tǒng)，船舶電力容量與陸上電網(wǎng)相比是有限的[1]。在許多應(yīng)用中，船舶設(shè)備都需要使用整流器，特別是電力推進(jìn)在船舶中的應(yīng)用越來(lái)越多。傳統(tǒng)整流器在運(yùn)行過(guò)程中具有兩個(gè)固有問(wèn)題：輸入功率因數(shù)低以及造成電流諧波輸入。

這些問(wèn)題對(duì)有限容量的船舶電網(wǎng)的影響也就更加突出，PWM整流技術(shù)是從根本上解決低功率因數(shù)和輸入電流的畸變的一個(gè)積極有效的方法[2-4]。同時(shí)采用無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的控制策略可以降低成本，節(jié)省空間。這些特性對(duì)于提高船舶航行的能耗比，提高船舶空間的利用效率具有十分重要的作用。

PWM整流器的發(fā)展似乎停滯在了十幾年前，傳統(tǒng)全控制裝置整流器的橋接模式仍在使用之中。研究人員提出了對(duì)并網(wǎng)測(cè)電流進(jìn)行控制，使其電流波形可以更好地與電壓波形相匹配。電壓型PWM整流器的并網(wǎng)側(cè)電流控制策略分為2種：1）間接電流控制策略；2）控制目前占主導(dǎo)地位的直流電的策略。在此基礎(chǔ)上，近年來(lái)有研究人員提出了新的控制方法，包括無(wú)網(wǎng)絡(luò)電壓傳感器、虛擬流量定向以及這兩種方法的結(jié)合[5-10]。矢量控制可以采用電壓定向控制方法也可以采用虛擬磁鏈定向控制方法，但是虛擬磁鏈定向的控制方式對(duì)諧波和干擾有良好的抑制作用，同時(shí)可以不用電網(wǎng)電壓傳感器，這樣既可以減小體積，又可以減小成本，同時(shí)還可以提高控制性能。因此對(duì)不帶電網(wǎng)電壓傳感器虛擬磁鏈定向控制方法的研究更具有實(shí)用價(jià)值。

圖1 d 軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的三相VSR 穩(wěn)態(tài)矢量圖

1 虛擬磁鏈定向矢量控制原理

圖2給出了三相PWM整流器的主電路。其中ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓，L、R為輸入電抗器的電感和電阻，v0為直流母線電壓；其與逆變器供電的三相交流電機(jī)的定子電路有很大的相似之處。PWM整流器可以看作由逆變器供電的同步電機(jī)，以定子電阻和漏電感為和，同時(shí)以恒速運(yùn)行[2]。

圖2 三相PWM 整流器的主電路

1.1 虛擬磁鏈觀測(cè)傳統(tǒng)方法

在虛擬磁鏈估計(jì)中，初始位置的誤差是實(shí)際存在的。為了解決純積分器的初值問(wèn)題，通常采用1階慣性濾波器1/(s+ωc)來(lái)代替磁鏈估計(jì)中的純積分器1/s。從1階濾波器的表達(dá)式可知，當(dāng)ωc足夠小時(shí)，濾波器可視為積分器，當(dāng)ω接近ωc時(shí)，濾波器表現(xiàn)出隨時(shí)間對(duì)初始分量具有衰減作用。如圖3所示，當(dāng)正弦波信號(hào)輸入積分器后，此處相當(dāng)于交流側(cè)電壓信號(hào)輸入，從解析式來(lái)看，正弦信號(hào)如果初始值不在峰值處，則積分器輸出會(huì)出現(xiàn)直流偏移，而1階濾波器的輸出直流分量隨時(shí)間快速衰減。采用純積分器的輸出信號(hào)始終含有直流分量，而準(zhǔn)積分器的輸出信號(hào)直流分量很快可衰減為0，信號(hào)仍然以0為中心交替變化[18]。

圖3 純積分和1 階慣性環(huán)節(jié)對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)

由圖3可知，1階慣性濾波器1/(s+ωc)對(duì)于直流偏置量φ0有衰減作用。同時(shí)也可將其看成一個(gè)直流量的輸入導(dǎo)致的結(jié)果，對(duì)1階慣性濾波器1/(s+ωc)進(jìn)行頻域的分析可知，當(dāng)ω=0時(shí)，1/(s+ωc)的幅頻特性是衰減的，衰減幅度由ωc決定，而相位沒(méi)有偏差。按照ωc＜10%＜ω對(duì)ωc進(jìn)行取值。虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)器的原理框圖見(jiàn)圖4。

圖4 虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)器

1.2 新穎的無(wú)直流偏移的積分算法

可以用2個(gè)或3個(gè)1階低通濾波器代替純積分環(huán)節(jié)，如式（1）：

圖5 新穎的虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)器

在用一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)對(duì)ωc的選取采用了一個(gè)折中原則，即ωc＜10%ω。但是衰減需要時(shí)間，所以從圖6中明顯可以看出：新穎算法比傳統(tǒng)方式反應(yīng)更快。

圖6 2 種觀測(cè)方式的比較

圖6 2 種觀測(cè)方式的比較（續(xù)）

1.3 電壓定向和磁鏈定向的區(qū)別

2種方式的區(qū)別主要是對(duì)定向時(shí)θ角的求取。

由式（2）和式（3）可以看出：θe受eα、eβ的影響，而式（3）中θψ受eα、eβ的影響較小，由于積分的低通特性，n次諧波被消減了(1/n)倍，同時(shí)高頻的開(kāi)關(guān)諧波也被消減了。因此，采用虛擬磁通定向控制可以有很好的抑制諧波和干擾的效果。

2 采用不同虛擬電網(wǎng)磁鏈觀測(cè)方法PWM整流器控制系統(tǒng)仿真

在分析了上述無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制策略的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了單位功率因數(shù)PWM整流器的仿真模型。結(jié)合新舊虛擬磁鏈觀測(cè)方法的具體仿真比較波形見(jiàn)圖7。

如圖7所示，在保持超調(diào)量基本不變的情況下，采用積分法直接觀察磁鏈時(shí)，電壓的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性最差。改進(jìn)后，新型磁鏈觀測(cè)方法的響應(yīng)速度比傳統(tǒng)方法更快；穩(wěn)定后，新磁鏈觀測(cè)方法的穩(wěn)態(tài)誤差小于傳統(tǒng)方法。

圖7 不同磁鏈觀測(cè)方式下的電壓響應(yīng)波形

交流側(cè)三相電流波形如圖8所示。采用積分法、傳統(tǒng)法和新法都可以保證三相交流電的平衡。但是用積分法可以看出有明顯的不對(duì)稱(chēng)性，幅度偏差在10 A左右，如圖8(a)所示；傳統(tǒng)方法好一點(diǎn)，幅度偏差在4A左右，如圖8(b)所示；新方法最好，效果更好，如圖8(c)所示。

圖 8 交流側(cè)三相電流波形

使用無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的虛擬磁鏈定向控制策略來(lái)保證功率因數(shù)為1。如圖9所示，在3種方法中，無(wú)論是積分方法、傳統(tǒng)方法還是改進(jìn)的磁鏈觀測(cè)方法，都能確保電壓和電流同相，功率因數(shù)為1。

圖9 交流側(cè)電壓電流相位比較波形

如圖10所示，在3種磁鏈觀測(cè)方法的交流側(cè)電流譜圖中可以看出，采用積分觀測(cè)的磁鏈總諧波量為33.56%，傳統(tǒng)方法為3.02%，提升明顯，但新方法后諧波總量為1.73%，諧波總量又減少了近50%，效果更好。

圖10 交流側(cè)電流頻譜圖像

本文采用了突加負(fù)載的方法，進(jìn)行無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器虛擬磁鏈方向矢量控制策略時(shí)的抗擾動(dòng)性能分析。如圖11所示，新的磁鏈觀測(cè)方法在響應(yīng)速度方面是最快的，穩(wěn)態(tài)的效果也是最好的。

圖11 負(fù)載突然增加時(shí)的動(dòng)態(tài)波形

當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，交流側(cè)的三相電流波形變化如圖12所示。3種方法的反應(yīng)都很及時(shí)，效果基本一致。

圖12 交流測(cè)量電流變化波形

如圖13所示，三相電網(wǎng)交流側(cè)的電流在突然增加負(fù)載后增加，功率因數(shù)仍然保證為1，進(jìn)一步驗(yàn)證了PWM整流器的高功率因數(shù)特性。

圖13 交流測(cè)得的電壓電流相位波形

3 結(jié)論

本文從三相PWM整流器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析了基于無(wú)電網(wǎng)電壓傳感器的虛擬磁鏈定向的系統(tǒng)模型。在此基礎(chǔ)上，提出了新的無(wú)直流偏置虛擬磁鏈觀測(cè)算法，并應(yīng)用于無(wú)電源電壓傳感器的三相PWM整流器磁鏈方向矢量控制法。使用該策略的仿真結(jié)果驗(yàn)證了新方法的正確性和優(yōu)越性，對(duì)進(jìn)一步提高PWM整流器性能有很大幫助。

PWM整流器具有高功率因數(shù)、低諧波負(fù)載、雙向能流、恒定直流電壓控制等優(yōu)點(diǎn)。在有源濾波、功率補(bǔ)償、潮流控制、太陽(yáng)能、交流和直流輸電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。而三相無(wú)電壓傳感器PWM整流器在船用電網(wǎng)中的應(yīng)用，對(duì)于進(jìn)一步提高船舶電網(wǎng)利用效率和船舶空間利用效率具有積極意義。