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        船用逆變電源穩(wěn)定性分析

        2022-03-19 03:03:30陳紅健
        船電技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:調(diào)制器船用閉環(huán)

        陳紅健

        船用逆變電源穩(wěn)定性分析

        陳紅健

        (上海打撈局 上海 200090)

        本文建立了船用逆變電源動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,研究了船用逆變電源控制策略,對船用逆變電源進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算;利用MATLAB仿真工具對其進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,給出了提高船用逆變電源穩(wěn)定性的具體措施。

        逆變電源 小信號(hào)模型 穩(wěn)定性

        0 引言

        船用逆變電源將直流電網(wǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪航涣麟娋W(wǎng)給船舶日用負(fù)荷供電,其運(yùn)行穩(wěn)定性直接決定了船用日用電網(wǎng)的可靠性。

        國外針對逆變電源穩(wěn)定性分析較早,弗吉尼亞理工大學(xué)Middlebrook是最早開展此類工作的代表人物,芬蘭的坦佩雷理工大學(xué)對逆變電源穩(wěn)定性做了大量研究;國內(nèi)起步較晚,研究工作集中在逆變電源本身的穩(wěn)定性上,對逆變電源對系統(tǒng)穩(wěn)定性研究較少。

        因此,急需開展船用逆變電源的穩(wěn)定性研究,提出提高船用逆變電源穩(wěn)定性的措施,為船用逆變電源的實(shí)船應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),具有重大工程研究價(jià)值。

        1 船用逆變電源主電路拓?fù)?/h2>

        船舶日用電網(wǎng)對電網(wǎng)品質(zhì)有較高要求,船用逆變電源輸出端需配置正舷波濾波器。

        逆變電源輸入側(cè)配有熔斷器,同時(shí)為方便維修,配有手動(dòng)隔離開關(guān),確保逆變電源發(fā)生故障或短路時(shí),逆變電源能與直流區(qū)域配電網(wǎng)快速隔離,能進(jìn)行斷電維修。為保證人員安全,逆變電源直流側(cè)配置安全放電電阻。

        船用逆變電源主電路拓?fù)淙鐖D1所示:

        圖1 船用逆變電源主電路拓?fù)?/p>

        船用逆變電源主電路參數(shù)設(shè)計(jì)如下:逆變電源支撐電容為10 mF,濾波電感為0.2 mH,濾波電容為0.1 mF,安全放電電阻為20000W,接地電阻為1000W。

        2 船用逆變電源動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型

        船用逆變電源由三相逆變器、SPWM調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)電路、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、反坐標(biāo)變換矩陣組成,如圖2所示:

        圖2 船用逆變電源系統(tǒng)框圖

        2.1 三相逆變器數(shù)學(xué)模型

        三相逆變器是一種非線性系統(tǒng),在研究它在某一工作點(diǎn)附近的動(dòng)態(tài)特征時(shí),可近視為線性系統(tǒng)[1]。

        三相逆變器小信號(hào)模型為:

        其小信號(hào)模型等效電路如圖3所示:

        其中,V2為輸入直流電壓,i為逆變電源輸入直流電流,d為逆變電源開關(guān)函數(shù),L2為濾波電感,C2為濾波電容,u為逆變電源輸出三相電壓,i為逆變電源輸出三相電流,2為逆變電源輸出負(fù)載等效阻抗。

        所以,三相逆變器控制至輸出的傳遞函數(shù)為:

        2.2 SPWM調(diào)制器數(shù)學(xué)模型

        SPWM調(diào)制器將連續(xù)控制量轉(zhuǎn)化為占空比可調(diào)的脈沖序列,由周期性的三角波與控制量經(jīng)比較后輸出脈沖序列[2]。

        假設(shè)三相電壓的開關(guān)周期平均值為:

        SPWM調(diào)制器輸出的開關(guān)周期平均值為:

        得到小信號(hào)模型交流關(guān)系式:

        SPWM調(diào)制器輸入至輸出的傳遞函數(shù)為:

        2.3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型

        補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)選用PI調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為:

        式中,Kp2——比例系數(shù),Ki2——積分系數(shù)。

        逆變電源閉環(huán)傳遞函數(shù)為:

        3 船用逆變電源控制策略

        逆變電源控制策略如圖5所示,逆變電源控制策略中引入狀態(tài)機(jī),狀態(tài)機(jī)1分為正常工作模式、短路工作模式,正常工作模式下為電壓閉環(huán)控制,短路工作模式下為電流閉環(huán)控制;狀態(tài)機(jī)2為正常工作模式和短路模式,短路模式下先封鎖脈沖再起動(dòng);

        在工頻角度的基礎(chǔ)上加入相位同步調(diào)節(jié)功能,使逆變電源輸出電壓相位與電網(wǎng)電壓相位同步,實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)功能[4]。

        圖5 逆變電源控制框圖

        4 船用逆變電源穩(wěn)定性分析

        4.1船用逆變電源穩(wěn)定性仿真

        選用MATLAB 工具對船用逆變電源進(jìn)行穩(wěn)定性分析(以逆變電源A相為例分析)。

        仿真波形如圖6~圖8所示:

        圖6 參數(shù)變化對逆變電源穩(wěn)定性影響

        圖7 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對逆變電源穩(wěn)定性影響

        圖8 負(fù)載變化對逆變電源穩(wěn)定性影響

        圖6可知,逆變電源開環(huán)系統(tǒng)相位裕量為40.4(deg)。增大濾波電感后,相位裕量為56.7(deg),減小濾波電容后,相位裕量為56.7(deg);因此,增大濾波電感或減小濾波電容可以提高了逆變電源的相位裕量。

        圖7可知,逆變電源閉環(huán)系統(tǒng)相位裕量為53.1(deg),增益裕量略有減小;增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后提高了逆變電源的相位裕量、降低了增益裕量。

        圖8中,2 MW負(fù)載下,逆變電源相位裕量為53.1(deg);0.1 MW負(fù)載下,逆變電源相位裕量為15.9(deg);負(fù)載越大,閉環(huán)系統(tǒng)相位裕量越大,增益裕量影響較小[6]。

        4.2 船用逆變電源穩(wěn)定性分析結(jié)果

        1)增大濾波電感或減小濾波電容有利于提高逆變電源的相位裕量;

        2)負(fù)載越大,閉環(huán)系統(tǒng)相位裕量越大,增益裕量影響較小;

        3)設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后提高了逆變電源的相位裕量,減小了增益裕量。

        5 結(jié)論

        本文針對低壓直流配電系統(tǒng)中逆變電源進(jìn)行了穩(wěn)定性分析,通過數(shù)學(xué)建模、控制策略研究、穩(wěn)定性仿真分析等方法對該型逆變電源進(jìn)行了穩(wěn)定性分析方法,并提出了改善該型逆變電源穩(wěn)定性具體措施,為船用逆變電源的實(shí)船應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

        [1] 肖奔奔.直流分布式電源系統(tǒng)穩(wěn)定性分析: (碩士論文). 哈爾濱工程大學(xué), 2018.

        [2] 楊曉平, 張浩, 馬西奎. 基于ESAC 標(biāo)準(zhǔn)的分布式電源系統(tǒng)穩(wěn)定裕度監(jiān)控[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2009, 24(8): 14-21.

        [3] Vesti S, Suntio T, Oliver J A, et al. Impedance-based stability and transient-performance assessment applying maximum peak criteria[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(5): 2099-2104.

        [4] Wildrick C M, Lee F C, Cho B H, et al. A Method of defining the load impedance specification for a stable distributed power system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(3): 280-285.

        Stability analysis of marine inverter power supply

        Chen Hongjian

        (Shanghai Salvage, Shanghai 200090, Shanghai, China)

        TM464

        A

        1003-4862(2022)03-0020-04

        2021-08-10

        陳紅健(1973-),男,高級輪機(jī)長,主要從事船舶設(shè)備,機(jī)務(wù)管理,輪機(jī)管理。E-mail: 1340145060@qq.com

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