楊榮如，印德武

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200011

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

電力推進(jìn)系統(tǒng)中背靠背交—直流變流器拓?fù)浞治雠c控制

楊榮如1，印德武2

1海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局，上海 200011

2中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

為了解決目前艦艇直流推進(jìn)電力系統(tǒng)中變流機(jī)組機(jī)械振動(dòng)和噪聲大的問題，提出了一種以三相交—直流變換和三重化直—直流變換背靠背聯(lián)接的交—直流雙PWM變流器電路拓?fù)洹Ｍㄟ^對(duì)幾種中、大功率密度交—直流PWM變流器電路拓?fù)涞膶?duì)比分析，表明了該變流器電路拓?fù)涞膬?yōu)越性。同時(shí)，構(gòu)建了以“DSP+FPGA”為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，完成了實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)的研制并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，該變換器電路拓?fù)洳粌H實(shí)現(xiàn)了變流機(jī)組的所有功能，而且功率密度、波形質(zhì)量等得到顯著提升，振動(dòng)、噪聲指標(biāo)分別降低了20 dB和30 dB。

背靠背交—直流變流器；變流機(jī)組；電力推進(jìn)；靜止變流器

0 引 言

在艦艇直流電力推進(jìn)系統(tǒng)中，往往采用變流機(jī)組來實(shí)現(xiàn)艦艇的直流供電。變流機(jī)組通常由交流機(jī)組與直流機(jī)組通過機(jī)械力矩耦合構(gòu)成，因具有功率大、帶負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為艦艇供電系統(tǒng)的首選。近年來，隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)艦艇隱身性能的要求越來越高，變流機(jī)組存在的機(jī)械振動(dòng)、噪聲以及直流機(jī)組換相火花等問題，均直接或間接影響著艦艇生命力以及其戰(zhàn)斗力的增強(qiáng)。

隨著電力電子技術(shù)及數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，以電力電子功率器件為核心的變流器技術(shù)得到了飛速發(fā)展，從而引發(fā)了各國(guó)海軍對(duì)采用功率器件構(gòu)成的靜止變流器來替代變流機(jī)組的思考。早在20世紀(jì)90年代，英國(guó)海軍就開始了相關(guān)的理論及實(shí)踐研究，目前，已研制出靜止變流器產(chǎn)品并已裝備實(shí)船。

受半導(dǎo)體材料及加工技術(shù)的限制，我國(guó)對(duì)靜止變流器的研究起步較晚。但由于靜止變流器的軍事需求，以及其在民用生產(chǎn)方面的用途極其廣泛，近年來，在我國(guó)取得了飛速發(fā)展，一些高校和科研院所進(jìn)行了廣泛而深入的研究，取得了可喜的成績(jī)。

要實(shí)現(xiàn)用靜止變流器替代變流機(jī)組，需要解決兩個(gè)問題，即靜止變流器拓?fù)浞桨竼栴}和靜止變流器的控制問題。目前，隨著數(shù)字處理器（DSP）的快速發(fā)展，其在軟件控制算法、運(yùn)算速度及實(shí)時(shí)處理能力等方面已不存在瓶頸問題；而拓?fù)浞桨竼栴}則由于與靜止變流器能否完全實(shí)現(xiàn)變流機(jī)組的全部功能以及綜合考慮靜止變流器在可靠性、體積、散熱等方面的因素而成為首要解決的問題。

目前的交、直流靜止變流器拓?fù)溥€存在不足，一般的電壓源型PWM整流器為Boost型變換器，正常工作時(shí)，其直流側(cè)電壓須高于交流側(cè)電壓峰值。在較低的直流電壓、大容量應(yīng)用場(chǎng)合（如直流電力推進(jìn)），傳統(tǒng)的AC/DC整流器就遇到了無法克服的障礙。文獻(xiàn)［1］和文獻(xiàn)［2］通過對(duì)一般的PWM整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了直流側(cè)輸出相對(duì)較低的直流電壓。其中文獻(xiàn)［1］采用了在交流變換器側(cè)加入降壓變壓器來實(shí)現(xiàn)降壓的方法，但在大容量應(yīng)用場(chǎng)合，該變換器存在功率開關(guān)管因過流而極易發(fā)生損壞的缺陷；文獻(xiàn)［2］是通過在兩個(gè)半橋式變換器中間加一個(gè)高頻降壓變壓器構(gòu)成的直流變換器來達(dá)到降壓的目的，但同樣也不適合大容量場(chǎng)合。針對(duì)上述交—直流變流器電路拓?fù)渖系娜秉c(diǎn)，本文提出了一種以三相AC/DC PWM變換器和三重化DC/DC變換器為核心構(gòu)成的背靠背交—直流變流器電路拓?fù)浼捌淇刂啤?/p>

1 中、大功率交—直流變流器電路拓?fù)浞治?/h2>

1.1 隔離變壓器+三相全控半橋式多功能變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（方案1）

該變換器的基本工作原理是，將從交流電網(wǎng)獲得的交流電能通過濾波后經(jīng)隔離變壓器降壓，然后再采用PWM整流升壓成直流電壓［3－4］。同樣，當(dāng)采用直流側(cè)供電時(shí)，直流電壓先經(jīng)過PWM逆變成交流電壓，然后經(jīng)隔離變壓器升壓后再經(jīng)濾波器給交流負(fù)載供電。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需功率開關(guān)器件數(shù)少，降低了控制難度。當(dāng)然，它也存在明顯的不足，即功率開關(guān)管額定狀態(tài)時(shí)承受大電流（其原因在于隔離變壓器副邊電流是原邊電流的n倍，副邊電流直接與變換器相聯(lián)，從而導(dǎo)致功率開關(guān)管開通時(shí)流過的電流是不采用隔離變壓器時(shí)的n倍）。該不足可以通過采用多個(gè)功率開關(guān)管并聯(lián)的方式加以解決，但同時(shí)也會(huì)帶來多管并聯(lián)的均流問題。隔離變壓器與變換器直接相聯(lián)的另外一個(gè)不足是變換器產(chǎn)生的高頻諧波直接注入到了變壓器中，造成變壓器損耗增加、發(fā)熱嚴(yán)重，并且變壓器產(chǎn)生的電磁噪聲也相應(yīng)增加了。此類拓?fù)渥畲蟮娜秉c(diǎn)就是當(dāng)變換器運(yùn)行在交流發(fā)電工況時(shí)，如果直流側(cè)發(fā)生了短路故障，直流電壓就會(huì)瞬時(shí)降為零，造成三相橋臂輸出電壓馬上降為零，交流側(cè)就會(huì)失電，從而實(shí)現(xiàn)不了不間斷供電的功能。

1.2 三相全控半橋式多功能變換器+隔離式直流雙向變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（方案2）

該變換器的基本工作原理如下：前級(jí)三相全控半橋式多功能變換器作為PWM整流/逆變運(yùn)行，后級(jí)采用2個(gè)高頻整流/逆變單元和高頻變壓器完成直流能量的雙向傳遞［5－6］。該拓?fù)涑Ｓ糜诖蠊β蕡?chǎng)合，采用移相的方法控制功率的流向和大小，控制方法較簡(jiǎn)單，并且可以通過引入有源鉗位電路、無源諧振電路和飽和電感來使全部功率開關(guān)管工作在軟開關(guān)狀態(tài)。該方案的缺點(diǎn)是，需要的功率開關(guān)管數(shù)量較多，同時(shí)直流變換器部分是采用高頻變壓器互感傳遞能量，受高頻鐵磁材料及加工工藝的限制，功率變壓器的設(shè)計(jì)成本較高。

1.3 三電平二極管鉗位式多功能變換器+直流雙向變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（方案3）

三電平二極管鉗位式多功能變換器中的直流母線電壓Vd由兩個(gè)開關(guān)器件分擔(dān)，分壓電容Cd1和Cd2的電壓各為Vd/2，鉗位二極管將開關(guān)的端電壓限制在不超過Vd/2，因而相對(duì)于二電平變換器來說，三電平變換器開關(guān)器件的額定電壓可以低一倍，或者說具有同樣額定值的開關(guān)器件用于三電平變換器時(shí)直流母線電壓可以高出一倍，因而輸出功率也可以大一倍?？梢?，三電平及多電平變換器適用于大功率、高電壓場(chǎng)合［7－8］。

三電平及多電平變換器是通過將直流母線電壓分成N－1等分，那么在“+”側(cè)，包括0電平在內(nèi)，可以得到N個(gè)電平值。而且，由于每相的開關(guān)模式有N個(gè)，所以對(duì)于三相變換器，其電壓模式可以有N3種選擇結(jié)果，使得變換器輸出電壓更接近正弦波，因而可有效降低交流側(cè)諧波。

三電平及多電平變換器雖然具有上述優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也增加了若干個(gè)半導(dǎo)體器件，即每相需要2（N－1）個(gè)功率開關(guān)器件及與直流分壓點(diǎn)相連接的二極管。分壓后的直流電壓一旦發(fā)生平衡崩潰這種極端情況，就會(huì)給功率開關(guān)器件造成不良影響，或者使交流側(cè)產(chǎn)生偶次諧波等弊害。為了使分壓后的電壓保持恒定，需控制流至直流電容上的平均電流為零，但是，當(dāng)電容容量較小時(shí)，容易產(chǎn)生過渡過程中的不平衡。

1.4 三相全控半橋式多功能變換器+多重化直流雙向變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（方案4）

由三相全控半橋式多功能變換器與多重化直流雙向變換器構(gòu)成的交、直流雙向變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［9－10］如圖1所示。

圖1 三相多功能變換器+多重化直流雙向變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Three phase full－controlled half－bridge converter plus multiphase converter topology

為便于理解和比較，進(jìn)行如下假設(shè)：電路拓?fù)渲械慕?、直流變換器相當(dāng)于原變流機(jī)組的交流電機(jī)；直流雙向變換器相當(dāng)于原變流機(jī)組的直流電機(jī)；直流母線間的耦合相當(dāng)于原變流機(jī)組間的機(jī)械力矩耦合。

該電路圖拓?fù)涞幕竟ぷ髟硎牵航弧⒅绷髯儞Q器從交流電網(wǎng)經(jīng)隔離變壓器、交流濾波器和交流電抗器獲得380 V的交流電源。前級(jí)多功能變換器作為PWM整流器運(yùn)行，將380 V的交流電源整流為670 V的直流電源。后級(jí)直流雙向變換器作為三重化Buck變換器運(yùn)行，將670 V的直流電源降壓為240 V（±20%）的直流電源，經(jīng)直流濾波器向直流負(fù)載供電。

通過與前3種變換器拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，方案4具有如下特點(diǎn)：能完全實(shí)現(xiàn)變流機(jī)組的所有功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)變流機(jī)組的真正替代，例如，方案1就實(shí)現(xiàn)不了變流機(jī)組的不間斷供電功能等；工程實(shí)現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)實(shí)用性強(qiáng)，例如，方案1對(duì)功率開關(guān)管功率等級(jí)的要求較高，而功率開關(guān)管的經(jīng)濟(jì)成本是隨功率等級(jí)的提高而成倍增加。同時(shí)，再綜合考慮功率開關(guān)管的散熱及可靠性等方面，方案1也均不理想。與方案4相比，方案2的功率開關(guān)管數(shù)增加了2只，同時(shí)還引進(jìn)了一個(gè)高頻變壓器，不僅增加了裝置的體積，還多增加了一個(gè)噪聲源，其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性及對(duì)艦船的聲隱身均欠佳。方案3也存在功率開關(guān)管的數(shù)量增加太多，經(jīng)濟(jì)成本太高的問題。

綜上所述，在實(shí)現(xiàn)艦艇直流電力推進(jìn)系統(tǒng)中用靜止變流器來替代變流機(jī)組方面，因方案4在工程實(shí)現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)性等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而成為本文的首選對(duì)象。

2 背靠背交—直流變流器的控制

交、直流雙向變換器的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)分為功率變換主電路和控制電路兩大部分。主電路采用了AC/DC/DC結(jié)構(gòu)，交流多功能變換器采用三相橋式全控整流電路，采用三相三重化全控橋式電路。因交流多功能變換器和直流雙向變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與外部接口完全相同，因此本文采用了電力電子模塊化（PEBB－Power Electronics Building Blocks）設(shè)計(jì)方案，即將兩個(gè)IGBT模塊（FZ3600R17KE3）采用單元層復(fù)合母排連接構(gòu)成一個(gè)功率單元模塊。同時(shí)功率單元模塊還安裝了無感吸收電容、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路、控制電源濾波器、散熱器、兩臺(tái)直流24 V風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控器及溫度傳感器。功率單元模塊采用真空釬焊鋁合金散熱器，具有散熱效果好、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的特點(diǎn)。每個(gè)功率變換單元安裝的無感電容用于抑制功率器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過電壓。驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路與控制系統(tǒng)采用光纖連接，以解決抗干擾及電氣隔離問題。

圖2 交、直流雙向變換器系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 System diagram of bidirectional AC－DC converter

為了使雙PWM變流器獲得更好的靜、動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)由于PI控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作且魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，交、直流變換器和直流雙向變換器均采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制。為了提高直流母線的電壓利用率，交、直流變換器采用空間矢量PWM調(diào)制，而直流雙向變換器則采用三相載波移相PWM調(diào)制。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證上述控制方法的可行性和正確性，完成了交—直流雙PWM變流器系統(tǒng)原理樣機(jī)的研制，樣機(jī)的主要參數(shù)如下：輸出功率Po= 380 kW；隔離變壓器采用Y，d11聯(lián)接，變比390 V/390 V，漏感Lg=50 μH；交流電容器的電容Cf=300 μF；交流電抗器的電感Lm=190 μH；直流母線的電容Cd=81 mF；直流電抗器的電感Lb=400 μH；直流電容器的電容Cb=81 mF；功率開關(guān)器件選用Eupec公司型號(hào)為FZ3600R17KE3的IGBT模塊。同時(shí)，采用Ti公司 的 TMS320F2812PGFS和 Altera公 司 的EP1C3T144FPGA構(gòu)成的數(shù)字處理系統(tǒng)來完成控制策略的實(shí)現(xiàn)，利用TMS320F2812內(nèi)部12位的采樣通道進(jìn)行電壓、電流采樣，采樣頻率為9.45 kHz；采用TMS320F2812內(nèi)部的EVA生成用于驅(qū)動(dòng)交、直流變換器的6路PWM脈沖，同時(shí)結(jié)合FPGA邏輯編程性能優(yōu)的特點(diǎn)來生成直流雙向變換器所需的6路PWM脈沖，開關(guān)頻率均為3.2 kHz。使用LDS公司的Nicolet數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行電壓、電流信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。

3.1 交—直流變流器與變流機(jī)組總體性能對(duì)比

試驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與變流機(jī)組的性能指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 交-直流變流器與變流機(jī)組性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison between motor converter and AC-DC converter

3.2 交—直流變流器實(shí)驗(yàn)波形

圖3所示為變流器由空載突加380 kW額定直流負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可見，在大負(fù)載動(dòng)態(tài)條件下，背靠背變流器系統(tǒng)依然穩(wěn)定運(yùn)行，直流母線電壓和直流電壓約在100 ms內(nèi)恢復(fù)?？梢?，所采用的控制策略及控制器參數(shù)是合理的，控制器的參數(shù)也還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

圖3 變流器由空載突加380 kW直流負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形Fig.3 DC generation experiment waveforms with load from 0 to 380 kW for AC－DC converter

圖4所示為變流器直流側(cè)發(fā)生短路時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖可以看出，短路瞬間，短路電流達(dá)到約8 000 A時(shí)，直流電壓接近于零。之后，在調(diào)節(jié)器的控制下，直流電流快速穩(wěn)定在3 000 A左右。當(dāng)短路切除后，直流電壓快速恢復(fù)至240 V輸出。在整個(gè)短路過程中，交流電流均無太大沖擊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器具有較強(qiáng)的抗短路能力。

圖4 變流器直流短路實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 DC short circuit experiment waveforms for AC－DC converter

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過對(duì)幾種靜止式變流器拓?fù)溥M(jìn)行分析，最后采用了以交、直流變換器和直流雙向變換器為核心的背靠背交、直流變流器的電路拓?fù)?。原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路拓?fù)洳粌H可以實(shí)現(xiàn)變流機(jī)組的所有功能，而且與變流機(jī)組相比，其在功率密度、波形質(zhì)量、振動(dòng)和噪聲等各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)上均具有較大的優(yōu)勢(shì)，是一種適合艦艇直流電力推進(jìn)系統(tǒng)中變流機(jī)組的理想替代產(chǎn)品。

［1］ JOHNS T.Replacement of a large rotating motor generator with a static power converter［J］.British Maritime Technology，1993，105（2）：109－113.

［2］ SHIGENORI I，HIROFUMI A.A bi－directional DC/ DC converter for an energy storage system［C］//Proceedings of the APEC.Anaheim，2007.

［3］ JOHNS T.Replacement of a large rotating motor generator with a static power converter［J］.Institute of Marine Engineers Transaction，1993，105（2）：109－115.

［4］ WEBSTER D，YACAMINI R，MURPHY M，et al.A submarine static power converter：the test programme［J］.Institute of Marine Engineers Transaction，1995，107（2）：151－166.

［5］ RAJESH G，KIM S，HAHN J H，et al.Development of a low cost fuel cell inverter system with DSP control［J］.Power Electronics，2004，19（5）：1256－1262.

［6］ XU Haiping，LI Kong，WEN Xuhui.Fuel cell power system and high power DC－DC converter［J］.Power Electronics，2004，19（5）：1250－1255.

［7］ EFTICHION K，KOSTAS K，NICHOLAS C V.Development of a microcontroller－based photovoltaic maximum power point tracking control system［J］.Power Electronics，2001，16（1）：46－54.

［8］ WOYTE A，BELMANS R，NIJS J.Testing the island protection function of photovoltaic inverters［J］.IEEE Transaction on Energy Conversion，2003，18（1）：157－162.

［9］ NASER A R，JOHN E Q.Three phase voltage source UPS inverter with voltage－controlled current－regulated feedback control scheme［C］//Proceedings of IEEE Industrial Electronics Control and Instrumentation，1994.

［10］ MATTEW S R，JAMES D P，RASHID M H.An overview of uninterruptible power supplies［C］//The Proceedings of the Thirty－Seventh Annual North American Power Symposium，2005.

Topology Analysis and Control Strategy of Back-to-Back AC-DC Converters in Naval Electric Propulsion Systems

YANG Rongru1，YIN Dewu2

1 Shanghai Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Shanghai 200011，China

2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

This paper presents a back－to－back AC－DC converter circuit topology with a three phase AC/ DC converter and a triple－channel interleaved DC/DC converter.This converter resolves the mechanical vibration and noise problem of motor units in naval DC electric propulsion systems.Comparison and analysis of several other large power density AC－DC converters reveal the superiority of the proposed one.Meanwhile，the digital control system，based on DSP and FPGA，is built and a corresponding prototype converter is constructed.The experiment results show that the converter not only realizes all functions of conventional motor units and demonstrates excellent performance in power density and waveform quality，but also reduces the vibration and noise by 20 dB and 30 dB.

back－to－back AC－DC converter；motor converter；electric propulsion；static converter

U665.14

A

1673－3185（2013）01－117－06

10.3969/j.issn.1673－3185.2013.01.019

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130116.1426.005.html

2012－04－17 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013－01－16 14:26

楊榮如（1971－），男，碩士，工程師。研究方向：船舶機(jī)電。

印德武（1971－），男，碩士，高級(jí)工程師。研究方向：船舶機(jī)電。

印德武。

book=8,ebook=180

張智鵬］