胡曉明

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730)

船舶電力系統(tǒng)中源變換器的控制策略

胡曉明

(成都工業(yè)學(xué)院，四川 成都 611730)

船舶綜合電力系統(tǒng)采用集成化技術(shù)，在船舶內(nèi)進(jìn)行電能的產(chǎn)生、傳輸、轉(zhuǎn)換和配給，并利用電能作為動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)艦船的航行和武器發(fā)射?，F(xiàn)代艦船上的武器發(fā)射系統(tǒng)(如電磁炮、電化學(xué)動(dòng)力炮)、艦載機(jī)彈射、回收、電氣防護(hù)等瞬時(shí)功率可達(dá)數(shù)百兆瓦，對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)形成極大的沖擊，影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為此，本文分析了恒功率負(fù)載和電壓負(fù)載對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出了一種適用于船舶綜合電力系統(tǒng)源變換器的恒功率負(fù)載電壓電流(U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制方法，提高了船舶恒功率負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定性。

船舶電力系統(tǒng)；源變換器；電壓電流反饋；單開(kāi)關(guān)周控制

0 引 言

船舶綜合電力系統(tǒng)集成了推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)與船舶配件動(dòng)力，可分為直流供電系統(tǒng)和交流供電系統(tǒng)，直流供電系統(tǒng)內(nèi)，直流負(fù)載的電力源為直流源變換器[1]。恒定的功率輸入對(duì)于許多負(fù)載至關(guān)重要，為此，當(dāng)負(fù)載所需電壓改變時(shí)，負(fù)載連接的源變換器輸入電流需要隨之升高或降低，以維持恒定功率。

負(fù)載變換器對(duì)船舶電力系統(tǒng)呈負(fù)輸入阻抗特性。傳統(tǒng)船舶源電力變換器由于設(shè)計(jì)時(shí)未考慮功率負(fù)載，其在與多個(gè)具有恒功率負(fù)載的源變換器級(jí)聯(lián)工作時(shí)，穩(wěn)定性難以得到保證[2-3]。本文分析恒功率負(fù)載和電壓負(fù)載對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出一種適用于船舶綜合電力系統(tǒng)源變換器的恒功率負(fù)載電壓電流(U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制方法，以提高船舶恒功率負(fù)載運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 恒功率負(fù)載分析

P=(U+Δu)(I+Δi)，

抵消掉相同項(xiàng)，得到：

圖1為恒功率負(fù)載的U-I特性曲線，初始時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)如圖1標(biāo)識(shí)所示。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生電流擾動(dòng)Δi時(shí)，電流由于負(fù)載所需電壓小于系統(tǒng)電源電壓將持續(xù)增大，最終偏離穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)A。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生電流擾動(dòng)-Δi時(shí)，為了維持恒定功率運(yùn)行，負(fù)載需求電壓高于系統(tǒng)電源電壓，電流會(huì)持續(xù)減小，電壓偏離穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。

圖1 恒功率負(fù)載擾動(dòng)后U-I變化曲線Fig.1 The curve of the U-I After the constant power load disturbances

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

功率開(kāi)關(guān)占空比為功率開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)間與單開(kāi)關(guān)周期的比值，其為單開(kāi)關(guān)周期控制的重要參數(shù)。通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，可使單開(kāi)關(guān)周期內(nèi)平均閉合時(shí)間隨負(fù)載要求變化，平均值與功率負(fù)載輸入控制參考量相等或線性變化。復(fù)位積分器和比較器是單開(kāi)關(guān)周控制的重要組成元素，如圖2所示。時(shí)鐘脈沖信號(hào)CLK通過(guò)開(kāi)關(guān)S將實(shí)時(shí)積分器觸發(fā)，使其開(kāi)始工作，積分參數(shù)關(guān)系Ts=RC。積分值Ve通過(guò)比較器與參考值Vref比較，當(dāng)Ve=Vref時(shí)，比較器的輸出狀態(tài)變?yōu)楦唠娖?，RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)變，開(kāi)關(guān)S切掉被控制信號(hào)，積分器復(fù)位。

將電壓反饋控制環(huán)節(jié)加入單開(kāi)關(guān)周控制系統(tǒng)，構(gòu)成恒功率負(fù)載電壓電流(U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制，以更好地控制輸出電壓(見(jiàn)圖2)。

圖2 (U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制原理示意圖Fig.2 (U-I)The principle diagram of single cycle feedback control switch

3 源變換器控制系統(tǒng)

根據(jù)圖2恒功率負(fù)載電壓電流(U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制源變換器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖得到的控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。將閉環(huán)傳遞函數(shù)表示為：

Tv(s)=Hv(s)Gv(s)FC(s)Gvd(s)，

圖3 U-I雙反饋單開(kāi)關(guān)周期控制系統(tǒng)示意圖Fig.3 U-I The System schematic diagram of the double feedback and single switch cycle control

由上式計(jì)算得到的閉環(huán)輸出電壓可表示為：

單開(kāi)關(guān)周期輸出阻抗在同時(shí)加入電壓反饋和電流反饋后可表示為：

4 阻抗分析

不同控制方式的輸出阻抗計(jì)算結(jié)果如圖3所示，Zoo為開(kāi)環(huán)時(shí)候的輸出阻抗特性，Zoi為單電流閉環(huán)輸出阻抗特性，Zoiv為電壓電流(U-I)閉環(huán)輸出阻抗特性。無(wú)反饋開(kāi)環(huán)控制時(shí)，輸出阻抗呈現(xiàn)明顯的峰值波動(dòng)，但電流閉環(huán)控制時(shí)，系統(tǒng)阻抗類似于一階系統(tǒng)，沒(méi)有電阻電容諧振出現(xiàn)的峰值波動(dòng)，近似于加入了濾波電容，加入電壓電流(U-I)閉環(huán)控制后，系統(tǒng)的相角裕度較大，如圖4所示，電感被等效為電流源，閉環(huán)輸出阻抗諧振峰值抑制效果更明顯。相比于無(wú)反饋開(kāi)環(huán)控制，電流閉環(huán)控制一定程度抑制了系統(tǒng)頻率穿越時(shí)產(chǎn)生的阻抗突起。

圖4 開(kāi)環(huán)、電流、電壓-電流反饋控制的阻抗Fig.4 The impedance of the open loop, current, voltage-current feedback control

5 Matlab數(shù)值仿真

以Matlab對(duì)采用恒功率負(fù)載電壓電流單開(kāi)關(guān)周期反饋控制進(jìn)行了數(shù)值仿真，輸出電壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程結(jié)果如圖5所示，電力系統(tǒng)源變換器的電壓仿真結(jié)果如圖6所示，該系統(tǒng)能夠在多個(gè)負(fù)載級(jí)聯(lián)時(shí)快速啟動(dòng)后穩(wěn)定運(yùn)行。

圖5 Matlab仿真電壓?jiǎn)?dòng)輸出過(guò)程圖Fig.5 The voltage startup output process diagram simulated by Matlab

圖6 Matlab仿真源變換器負(fù)載的電壓變化Fig.6 Source converter load voltage variation simulated by Matlab

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)，其由某型號(hào)直流變換器和直流變換器負(fù)載構(gòu)成，具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)裝置參數(shù)表

比例積分調(diào)節(jié)(PI)控制的輸出電壓和電感電流波形分別如圖7和圖8所示。源變換器的功率在0.35 s時(shí)由5.1 kW變化為6.5 kW，輸出電壓U和電感電流I在產(chǎn)生較小波動(dòng)后0.1 s內(nèi)回復(fù)穩(wěn)定。0.7 s時(shí)源變換器的功率由6.4 kW增大至8 kW，輸出電壓和電感電流均在0.7 s時(shí)發(fā)生震蕩，持續(xù)至1 s未見(jiàn)衰退，原因是系統(tǒng)阻抗未達(dá)到ESAC標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 源變換器功率變化時(shí)PI控制的電壓波形圖Fig.7 Power source converter changes PI control of the voltage waveform figure

圖8 源變換器功率變化時(shí)PI控制的U-I波形圖Fig.8 U-I waveform figure during Power source converter changes of PI control

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如表1所述負(fù)載變換器運(yùn)行功率為4 kW，采用變化負(fù)載將負(fù)載變化器功率增大，恒功率負(fù)載電壓電流(U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制下直流變換器輸出電壓波形如圖9所示，直流變換器輸出電感電流波形如圖10所示。

圖9 負(fù)載變換器功率4 kW-8 kW的電壓波形Fig.9 The voltage waveform of 4kW-8kW load power converter

圖10 負(fù)載變換器功率4 kW-8 kW的電感電流波形Fig.10 The inductor current waveform of 4kW-8kW load transducer power

從圖9中可以看出，0.5 s時(shí)負(fù)載變換器功率增大4 kW后，由于采用了電壓電流(U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制方法，0.25 s后系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓能夠滿足穩(wěn)定性要求，同理，電感電流0.25 s內(nèi)由50 A增大至90 A，并穩(wěn)定運(yùn)行，輸出電感電流能夠滿足穩(wěn)定性要求，如圖10所示。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了恒功率負(fù)載和電壓負(fù)載對(duì)艦船綜合電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，提出了一種適用于船舶綜合電力系統(tǒng)源變換器的恒功率負(fù)載電壓電流(U-I)單開(kāi)關(guān)周期反饋控制方法，分析了該控制方法的控制原理及阻抗特性，以Matlab對(duì)采用恒功率負(fù)載電壓電流單開(kāi)關(guān)周期反饋控制進(jìn)行了數(shù)值仿真，該系統(tǒng)能夠在多個(gè)負(fù)載級(jí)聯(lián)時(shí)快速啟動(dòng)后穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)原理參數(shù)以原理樣機(jī)對(duì)論文中所提到的穩(wěn)定控制方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該源變換器輸出電壓及電感電流能夠滿足穩(wěn)定性要求。

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Research of control strategy for source converter in integrated ship power system

HU Xiao-ming

(Chengdu Technological University,Chengdu 611730,China)

Ship Integrated Power System(SIPS) could integrate power generation, transmission, transformation and distribution, and could achieve the ship′s navigation and weapon launch with the power generated. The weapons firing systems (such as electromagnetic guns, electrochemical power guns), aircraft carrier catapult and recycling system, electrical protecting system on modern ships could generate instantaneous power up to hundreds of megawatts, and this could have a great impact on the power system and caused unstability on the system. To reduce the impact, the influence of constant power load and voltage load on the stability of ship integrated power system was analyzed and a constant power load voltage and current (UI) feedback control of a single switch cycle method for the ship integrated power system source converter, and improved the operation stability for the ship with constant power load.

SIPS;source sonverter;voltage and current(VI)feedback;single switch cycle control

2014-05-28;

2014-06-23

胡曉明(1974-)，男，碩士，講師，研究方向?yàn)殡姎饪刂啤?/p>

U665.26

A

1672-7649(2014)12-0070-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.015