楊 誠，楊祥國，陳 輝，林治國，陶烽偉，田 畾，豐浩宇

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢430063)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的日趨成熟，電力電子技術(shù)與大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)在船舶得到了廣泛的應(yīng)用。電力推進(jìn)船舶與傳統(tǒng)推進(jìn)系統(tǒng)船舶相比具有效率高，靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展在國內(nèi)外受到了高度重視，并成為了今后船舶行業(yè)的重點(diǎn)研究和發(fā)展對(duì)象［1］。

對(duì)于經(jīng)常啟停和變速的交直交變頻器驅(qū)動(dòng)的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)而言，在制動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)處于再生制動(dòng)狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子、船體本身和螺旋槳由于慣性而具有巨大的機(jī)械能，可以將其轉(zhuǎn)化為電能后回饋利用［2］。但傳統(tǒng)的交直交變頻器，因?yàn)槠湔鳝h(huán)節(jié)采用的是不可全控的晶閘管，沒有逆變功能。因此其電路僅具有能量的單向流動(dòng)性，回饋能量不能注入電網(wǎng)。對(duì)此，本文提出了三電平四象限變流控制技術(shù)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中的利用。該方法實(shí)現(xiàn)了雙向變流，旨在通過并網(wǎng)技術(shù)將船舶的回饋能量回饋到船舶電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)能量回饋利用。這大大減少了能量的消耗，有利于“綠色船舶”的發(fā)展，但目前國內(nèi)外對(duì)船舶電力推進(jìn)制動(dòng)能量的回饋研究很少。

1 制動(dòng)能量回饋回收方法

目前，國內(nèi)外對(duì)制動(dòng)能量的回收方法主要有電阻消耗型、電容儲(chǔ)能型、逆變回饋型、飛輪儲(chǔ)能型4 種［3］。

1.1 電阻消耗型

電阻消耗型再生制動(dòng)能量的主要回收裝置是吸收電阻和IGBT斬波器，兩者之間的配合實(shí)現(xiàn)了能量的恒壓吸收［4］，通過控制IGBT斬波器的導(dǎo)通比來改變電阻的消耗功率，將直流網(wǎng)側(cè)的電壓維持在某一設(shè)定的范圍內(nèi)，利用吸收電阻消耗制動(dòng)能量。這種方法能量不能再生利用，而且消耗的熱能會(huì)使周圍環(huán)境的溫度升高，造成不必要的元器件損壞。

1.2 電容儲(chǔ)能型

電容儲(chǔ)能裝置是將多個(gè)超級(jí)電容元件通過并、串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)滿足所需容量的電容器組，電容儲(chǔ)能裝置除了超級(jí)電容組之外還有直流快速斷路器、雙向DC/DC變換電路、控制電路和電壓電流傳感器等，用來控制電容器組的充、放電。

1.3 逆變回饋型

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收方案采用PWM逆變器，其將原有的二極管整流電路改為可控硅整流電路，或者在原有的整流支路兩端重新并聯(lián)一組可控硅整流電路來實(shí)現(xiàn)。隨著電力電子技術(shù)的日趨成熟，可靠的逆變回饋型再生制動(dòng)能量利用技術(shù)將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

1.4 飛輪儲(chǔ)能型

飛輪儲(chǔ)能型制動(dòng)能量吸收裝置主要是利用飛輪旋轉(zhuǎn)的慣性，把制動(dòng)的能量通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能儲(chǔ)存起來。這種方法節(jié)能效果很好，但飛輪的體積過大，而且這種裝置比較昂貴。

從能源節(jié)約和成本的角度綜合考慮，把三電平四象限變流控制技術(shù)運(yùn)用在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)制動(dòng)能量回收上，可以很好地利用再生能量，降低能量損耗，降低成本。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1為典型的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，它直接利用變頻器把發(fā)電機(jī)組輸出的交流電變頻后供電動(dòng)機(jī)使用，理想情況下其推進(jìn)效率大概在0.95－0.97之間，效率較高。當(dāng)船舶制動(dòng)時(shí)，由于沒有能量回饋裝置，電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能將損失一部分，剩下的部分通過變頻器的回饋。若這部分能量不加以處理，將會(huì)使直流母線的電壓升高，升高的這部分電壓稱為泵升電壓。過高的泵升電壓會(huì)燒毀變頻調(diào)速裝置，對(duì)整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)造成不良的影響［5］。

圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)Fig.1 Ship electrical propulsion system

為此，設(shè)計(jì)了如圖2的反饋系統(tǒng)對(duì)制動(dòng)能量進(jìn)行回饋再利用。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)主要由主電路、控制單元 (DSP)、驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路、電網(wǎng)電壓、信號(hào)調(diào)理電路等組成。驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)PWM觸發(fā)信號(hào)的功率放大與電氣隔離。電網(wǎng)電壓和電流由霍爾電壓傳感器隔離采樣和調(diào)理電路調(diào)理后傳遞給DSP的A/D轉(zhuǎn)換單元，構(gòu)成系統(tǒng)的受控對(duì)象。系統(tǒng)檢測(cè)電網(wǎng)電壓并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的控制，使電網(wǎng)電壓保持穩(wěn)定。

圖2 船舶電力推進(jìn)制動(dòng)能量反饋系統(tǒng)Fig.2 Ship electrical propulsion braking energy feedback system

此時(shí)裝置將多余的再生制動(dòng)能量通過雙向逆變系統(tǒng)以及多個(gè)變壓器后回饋到電網(wǎng)中。當(dāng)船舶在正常行駛的時(shí)候遇到風(fēng)浪時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈上下波動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)回饋的量較少，可以直接供生活用電。當(dāng)船舶需要急速制動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速幾乎為直線下降，回饋的能量較多，這時(shí)回饋的能量一部分供給生活用電，剩余部分通過一個(gè)絕緣柵門雙極型晶體管，把電網(wǎng)中的交流電轉(zhuǎn)化為直流電存儲(chǔ)在儲(chǔ)能單元里面。其中儲(chǔ)能單元由雙向DC/DC變換器和儲(chǔ)能裝置構(gòu)成，通過控制雙向DC/DC變換器的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元的充放電。當(dāng)船舶加速或者起航的時(shí)候，儲(chǔ)能單元釋放制動(dòng)時(shí)儲(chǔ)存的能量供其使用。這樣可以減少發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量，從而實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。其中能量轉(zhuǎn)變形式為交—直—交，在交流電源與交流輸出之間有一個(gè)中間直流環(huán)節(jié)，所以這種形式屬于間接式。按照中間直流環(huán)節(jié)直流電源性質(zhì)不同，逆變器可以分成電壓型和電流型兩種，其中電壓型在理想情況下是一個(gè)內(nèi)阻為0的恒壓源，其直流電壓波形較平直，中間環(huán)節(jié)并聯(lián)大電容濾波，輸出的交流電壓是階梯波或者矩形波。電源型逆變器在理想情況下相當(dāng)于一個(gè)恒流源，直流電流較平直，中間環(huán)節(jié)串聯(lián)大電感濾波，輸出的交流電流是階梯波或者矩形波。

在能量的回饋中，對(duì)于經(jīng)常制動(dòng)的機(jī)械，電流源型逆變器比電壓源型逆變器更具有優(yōu)勢(shì)。因?yàn)殡娏髟葱湍孀兤骺梢詫?shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，便于能量的回饋［6］。如圖3，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，UCR控制角α＜90°，處于整流工作狀態(tài)下，Ud為直流回路的電壓，其極性為上正下負(fù)，當(dāng)電流Id從正端流向逆變器CSI時(shí)，CSI處于逆變工作狀態(tài)下，此時(shí)輸出電壓的頻率關(guān)系為w1＞w，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為w，圖3(a)所示為電功率P的傳送方向，如果降低變壓變頻器的頻率w1，使頻率關(guān)系為w＞w1，同時(shí)增大UCR的控制角，使α＞90°，則電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電工作狀態(tài)，逆變器進(jìn)入整流工作狀態(tài)，可控整流器進(jìn)入有源逆變的工作狀態(tài)，此時(shí)電流Id方向保持不變，而直流電壓Ud立即反向，電動(dòng)機(jī)將電能回饋給交流電網(wǎng)，如圖3(b)所示。

圖3 電流源型系統(tǒng)電動(dòng)和回饋制動(dòng)兩種運(yùn)行狀態(tài)Fig.3 Two running states of electric and regenerative braking for current source system

通過電壓型的交－直－交變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)以及四象限運(yùn)行存在巨大困難，因?yàn)槠渲虚g直流環(huán)節(jié)存在大電容鉗制電壓極性的現(xiàn)象，并不能即刻反向，同時(shí)電流因?yàn)槠骷蜗驅(qū)щ娦砸膊荒芊聪?，因此在原有裝置上并不能實(shí)現(xiàn)制動(dòng)回饋，只有在直流環(huán)節(jié)并聯(lián)上電阻來實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)，或是在UCR反并聯(lián)一組反向整流器，使反向的制動(dòng)電流通過，實(shí)現(xiàn)回饋制動(dòng)［7］。

若只考慮制動(dòng)能量回饋，選擇電流源型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單。但其功率因數(shù)不及電壓源型系統(tǒng)，且諧波較大。綜合考慮，該系統(tǒng)采用電壓源型系統(tǒng)。

3 數(shù)學(xué)模型及其仿真

圖4是四象限PWM變流器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 三相半橋電壓型PWM變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Three-phase half-bridge PWM converter topology

VSR一般數(shù)學(xué)模型在三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系(a，b，c)中具有便于理解、描述直觀等特點(diǎn)。只是在這種數(shù)學(xué)模型中，VSR交流側(cè)均為時(shí)變交流量，對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不利。基于以上兩點(diǎn)，采取坐標(biāo)變換的方法將三相相對(duì)靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步轉(zhuǎn)換的(d，q)坐標(biāo)系。通過坐標(biāo)變換以后，三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系下的基波正弦變量就轉(zhuǎn)化成了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流變量，由此使控制設(shè)計(jì)得以簡化［8］。三相VSR一般數(shù)學(xué)模型 (三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系下)經(jīng)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換以后，即轉(zhuǎn)換成三相VSR的dq模型。

由圖4所示的電路可以得到PWM整流器在abc三相靜止坐標(biāo)系下的方程:

式中:U為三相電壓;I為三相電流，整流方向?yàn)檎?x=a，b，c;L為網(wǎng)側(cè)濾波電感;R為網(wǎng)側(cè)濾波電阻;S為邏輯函數(shù)，S=0表示下橋臂導(dǎo)通，S=1表示上橋臂導(dǎo)通;k=a，b，c;U為直流側(cè)電容電壓。

把三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換成dq坐標(biāo)系，其數(shù)學(xué)模型為:

式中:e為電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量E在d，q分量;i為交流側(cè)電流矢量I在d，q的分量;v為交流側(cè)電壓矢量V在d，q分量。

假設(shè)電機(jī)在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的是標(biāo)準(zhǔn)三相交流電，三相電A、B、C的頻率都為50 Hz，相位差為120°，產(chǎn)生的交流電壓為380 V;中間直流環(huán)節(jié)的額定直流電壓為600 V。利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，如圖5所示。

圖5 制動(dòng)能量回饋仿真模型Fig.5 Simulation model of the braking energy feedback

圖6 制動(dòng)能量回饋仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of the braking energy feedback

從時(shí)間0開始制動(dòng)，圖6(a)為直流側(cè)電壓的變換波形。直流側(cè)電壓從0開始不斷升高，超過額定電壓后開始儲(chǔ)能，把多余的電能供給生活用電使用或者儲(chǔ)存在儲(chǔ)能單元里面，這樣不僅可以保持電網(wǎng)電壓的不超過額定值，而且還節(jié)約了能源。交流側(cè)電流如圖6(b)所示，其輸出為一系列交流電，該波形的變化與直流側(cè)的輸出電壓相似，制動(dòng)開始后，電流的幅值不斷升高并且高于額定電流。用于儲(chǔ)能裝置的作用，電流不會(huì)長時(shí)間超過額定電流，這樣保證了整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。當(dāng)船舶啟動(dòng)、加速時(shí)，儲(chǔ)能單元放電供電網(wǎng)使用。該方式不僅保持了電網(wǎng)的穩(wěn)定，并且提高了船舶的能效利用率，推動(dòng)了“綠色船舶”的發(fā)展。

4 結(jié)語

針對(duì)船舶電力推進(jìn)裝置的制動(dòng)能量，本文對(duì)比和總結(jié)了機(jī)車制動(dòng)能量回饋的回收方法，提出了三電平四象限變流器進(jìn)行雙向變流的新技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)框架的設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)模型的分析。該系統(tǒng)能夠很好的實(shí)現(xiàn)能量回饋再利用，對(duì)于船舶能源的節(jié)約具有很好的價(jià)值。這對(duì)今后研究船舶制動(dòng)能量回饋的回收利用具有參考價(jià)值，對(duì)于“綠色船舶”的發(fā)展有著重要的意義。

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