甘世紅褚建新+顧偉+陳泰山

DOI：10.13340/j.jsmu.2016.04.013

文章編號(hào)：1672-9498（2016）04007005

摘要：為改善船舶軸帶發(fā)電機(jī)的性能，基于LCL濾波器的PWM整流器被應(yīng)用到船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中.為抑制LCL濾波器的諧振峰值，在不額外增加傳感器的情況下，設(shè)計(jì)一種新穎的電流控制器.通過(guò)Luenberger觀測(cè)器來(lái)預(yù)測(cè)電容電流，然后通過(guò)虛擬電阻反饋此電流引入有源阻尼，進(jìn)而抑制LCL濾波器諧振峰值；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)整流電壓和變流器側(cè)電流雙閉環(huán)控制策略，提高整流側(cè)直流電壓和變流器側(cè)交流電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力；最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和控制策略的可行性.

關(guān)鍵詞：

LCL濾波器； 有源阻尼； PWM整流器； 軸帶發(fā)電機(jī)

中圖分類號(hào)： U664.1；TM34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

PWM rectifiers of ship shaft generators based on LCL filters

GAN Shihonga， CHU Jianxinb， GU Weib， CHEN Taishana

（a. Merchant Marine College； b. Institute of Logistics Science & Engineering， Shanghai Maritime

University， Shanghai 201306， China）

Abstract：

In order to improve the performance of ship shaft generators， a PWM rectifier based on an LCL filter is applied to the ship shaft generator system. To suppress the resonance peak of the LCL filter， a novel current controller without additional transducers is proposed. The capacitive current is predicted by a Luenberger observer. Through the virtual resistor feedback， the predicted current creates active damping to suppress the resonance peak of the LCL filter. Based on this， the dualloop control strategy of the rectified voltage and the inverterside current is proposed to improve the dynamic responding time and the antiinterference ability of DC voltage in the rectifier side and AC current in the converter side. Finally， the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the control strategy are verified by the simulation and experiments.

Key words：

LCL filter； active damping； PWM rectifier； shaft generator

收稿日期： 20151112

修回日期： 20151222

基金項(xiàng)目：

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（2013329810350）；上海市自然科學(xué)基金（14ZR1419100）；上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目（13160501500）；上海海事大學(xué)校基金（20130430）

作者簡(jiǎn)介：

甘世紅（1970—），男，甘肅蘭州人，副教授，博士，研究方向?yàn)榇半姎饪刂葡到y(tǒng)，（Email）shgan@shmtu.edu.cn

0引言

船舶軸帶發(fā)電機(jī)主要應(yīng)用于遠(yuǎn)洋船舶上.軸帶發(fā)電機(jī)以主機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，充分利用主機(jī)的富余功率，其運(yùn)行效率及經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)高于柴油發(fā)電機(jī).船舶軸帶發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)一般采用永磁發(fā)電機(jī)和變流器方式[12]，首先將軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電進(jìn)行整流，然后通過(guò)網(wǎng)側(cè)逆變器將電能回饋到船舶電站.

軸帶發(fā)電機(jī)采用脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation， PWM）整流技術(shù)可以輸出穩(wěn)定可控的直流電壓，交流側(cè)功率因數(shù)可控.[35]此外，PWM整流器采用LCL濾波器可以有效抑制高頻電流諧波，采用較小的電感可以得到理想的濾波效果，但LCL濾波器是一個(gè)三階諧振電路，在諧振頻率時(shí)對(duì)軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和船舶電網(wǎng)的電流諧波影響很大.這是因?yàn)長(zhǎng)CL濾波器是一個(gè)無(wú)阻尼或低阻尼的系統(tǒng)，所以必須采用有源阻尼或無(wú)源阻尼方法來(lái)抑制諧振峰值.無(wú)源阻尼方法是在濾波器里串聯(lián)電阻，該方法雖然簡(jiǎn)單、概念清楚，但將引起整個(gè)系統(tǒng)功耗大增[6]；有源阻尼方法是通過(guò)反饋控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，近年來(lái)成為并網(wǎng)控制的研究熱點(diǎn)[712].目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)LCL濾波器提出的一些控制方案，基本上可以分為間接電流控制和直接電流控制兩類，前者主要采用幅相控制[1314]，后者又可以分為電壓電流雙閉環(huán)控制[1]和直接功率控制[1517].

本文對(duì)基于LCL濾波器的軸帶發(fā)電機(jī)PWM整流器采用電壓電流雙閉環(huán)控制，提出一種新的電流控制器設(shè)計(jì)方法，在不額外增加傳感器的情況下，通過(guò)Luenberger觀測(cè)器觀測(cè)電容電流，然后通過(guò)反饋此電容電流來(lái)獲得有源阻尼，進(jìn)而抑制LCL濾波器的諧振峰值，使PWM變換器獲得滿意的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論分析的正確性和控制策略的可行性.

5結(jié)論

為改善船舶軸帶發(fā)電機(jī)的性能，本文研究了基于LCL濾波器的船舶軸帶發(fā)電機(jī)PWM整流器.為抑制LCL濾波器的諧振峰值，在不額外增加傳感器的情況下設(shè)計(jì)了一種新穎的電流控制器.采用Luenberger觀測(cè)器來(lái)預(yù)測(cè)電容電流，然后通過(guò)虛擬電阻反饋此電流引入有源阻尼，進(jìn)而抑制LCL濾波器諧振；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了整流電壓和變流器側(cè)電流雙閉環(huán)控制策略，來(lái)提高整流側(cè)直流電壓和變流器側(cè)交流電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和抗干擾能力；最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和控制策略的可行性.

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（編輯賈裙平）