楊國良，崔幔，崔杰

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

三電平低壓船舶岸電電源滑?？刂圃O(shè)計(jì)

楊國良，崔幔，崔杰

（燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

為了減少傳統(tǒng)岸電變換裝置帶來的環(huán)境污染，通過交-直-交變換（AC-DC-AC）直接將380 V/50 Hz交流電轉(zhuǎn)換為450 V/60 Hz的岸電電源（SPS）為此類船舶進(jìn)行供電。同時(shí)為了改善輸出的魯棒性和穩(wěn)定性，在閉環(huán)調(diào)節(jié)中加入滑?？刂?。通過大量的Matlab仿真和實(shí)際電路的實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果均滿足魯棒性及穩(wěn)定性控制要求，驗(yàn)證了該控制的可行性和有效性。

岸電電源；二極管鉗位型三電平逆變器；滑?？刂?；空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）

隨著環(huán)境的日益惡化，燃油類污染逐漸得到重視。由于船舶一般采用柴油發(fā)電機(jī)組自行發(fā)電，柴油燃燒對港區(qū)空氣造成嚴(yán)重的污染。此外隨著對外貿(mào)易的不斷擴(kuò)大，越來越多的外國商船進(jìn)入我國港口作業(yè)?？墒菄獯按蠖嗖捎?50 V/60 Hz的交流電，而我國的工業(yè)用電標(biāo)準(zhǔn)為380 V/50 Hz。雖然傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組能夠產(chǎn)生450 V/60 Hz的交流電，但是其缺點(diǎn)眾多，如噪音大、污染重、效率低等。本文提到的低壓船舶岸電供電電源（以下簡稱岸電電源，SPS）不再需要柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)電，而是通過交-直-交變換（AC-DC-AC）直接將380 V/50 Hz交流電轉(zhuǎn)換為450 V/60 Hz，從而為此類電制的船舶進(jìn)行供電。下面就其展開討論。

1 岸電電源的工作原理

岸電電源主要由功率變換電路和控制電路2大部分組成。功率變換部分主要實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和轉(zhuǎn)換，將380 V/50 Hz三相交流電轉(zhuǎn)換為450 V/60 Hz三相交流電，如圖1所示。控制電路部分則主要是根據(jù)被檢測信號的狀態(tài)做出判斷處理，從而實(shí)現(xiàn)對岸電電源系統(tǒng)的控制和保護(hù)。

圖1 岸電電源結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of shore power supply

1.1 主電路的設(shè)計(jì)

岸電電源的主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。整流濾波電路采用三相不控整流，直流電抗器除了具有減小輸入側(cè)電流諧波含量的作用外，還可以平滑直流側(cè)輸出電壓、減小電流脈動，為后級逆變器提供相對穩(wěn)定的直流電壓。二極管鉗位型逆變器的應(yīng)用增加了岸電電源輸入電壓的靈活性，有助于岸電電源的通用性設(shè)計(jì)，同時(shí)提高輸出電壓的波形質(zhì)量。正弦濾波器是逆變系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它的主要作用是將逆變器輸出的PWM波轉(zhuǎn)換為正弦波，平滑逆變器得到的交流電壓，以保證系統(tǒng)良好的供電質(zhì)量。輸出變壓器在岸電電源中主要起到了電壓變換和隔離保護(hù)的作用。

圖2 岸電電源主電路拓?fù)銯ig.2 The main circuit topology of shore power supply

直流側(cè)電流連續(xù)的臨界條件為

式中：ω為系統(tǒng)角頻率；τ為時(shí)間常數(shù)，τ=L/R，L為直流側(cè)濾波電感，R為直流側(cè)等效電阻。

實(shí)際上，一旦電路中電流連續(xù)，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)就已經(jīng)大于0.8，因此一般ωτ在0.02～0.04之間選擇電感較為合適，此時(shí)功率因數(shù)在0.91～0.94之間。如果再增加電感值只會增加系統(tǒng)成本和設(shè)備重量，功率因數(shù)很難再有所提高。

逆變器輸出濾波電感L的計(jì)算公式如下式：

濾波電容C的計(jì)算公式如下式：

式中：Uo為逆變器輸出電壓有效值；ωc為截止角頻率；Io為逆變器輸出相電流有效值。

傳統(tǒng)的兩電平逆變器應(yīng)用于高壓大功率場合時(shí)，由于半導(dǎo)體器件自身的限制，往往通過采用開關(guān)器件串、并聯(lián)的方式來提高開關(guān)管的耐壓等級和通流能力。這就要求組合在一起的開關(guān)管能同時(shí)開通和關(guān)斷，但是由于半導(dǎo)體器件制造工藝的限制使得器件之間完全匹配具有一定的困難，所以多電平逆變器得到了廣泛研究與應(yīng)用。然而由于三電平以上的三相逆變器線路復(fù)雜，雜散電感造成的電磁干擾很難減小，器件關(guān)斷電壓尖峰也隨之增大，導(dǎo)致系統(tǒng)對器件的耐壓等級要求有所提高，所以目前應(yīng)用最廣泛的主要是三電平逆變器。二極管鉗位型（NPC）三電平逆變電路由于結(jié)構(gòu)最為簡單，無需復(fù)雜的變壓器，控制電路和控制方法也較為簡單，因而得到廣泛的應(yīng)用。

設(shè)三相正弦電壓瞬時(shí)值對應(yīng)的參考空間電壓矢量定義為

由于三電平逆變器每一相都具有3種開關(guān)狀態(tài)，即Si=（1，0，-1）；因此三相三電平逆變器可以輸出27種狀態(tài)，進(jìn)而可以得到含有27個(gè)電壓矢量的空間矢量圖（見圖3）。按照電壓矢量的幅值大小，可以將其劃分為零矢量、小矢量、中矢量、和大矢量。其中大矢量的幅值為2Udc/3，中矢量的幅值為，小矢量的幅值為零矢量的幅值為0。

圖3 三相三電平的空間矢量分布圖Fig.3 The space vector map of three-phase three-level

三電平逆變器SVPWM控制的實(shí)現(xiàn)一般需要4個(gè)步驟，1）進(jìn)行大扇區(qū)的判斷；2）判斷Ureg所在的小扇區(qū)；3）計(jì)算各合成矢量的作用時(shí)間；4）時(shí)間狀態(tài)分配。開關(guān)狀態(tài)作用次序遵循的原則如下：從負(fù)小矢量出發(fā)，每次只改變其中1相的開關(guān)狀態(tài)，而且開關(guān)狀態(tài)由1切換到-1時(shí)，必須經(jīng)過開關(guān)狀態(tài)0作為過渡工作狀態(tài)。

1.2 驅(qū)動電路

驅(qū)動電路將DSP產(chǎn)生的SVPWM信號轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動ΙGBT的信號，同時(shí)需要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的輸入與輸出之間的隔離。驅(qū)動芯片選用ΙR2113，光耦隔離選用6N137，其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 驅(qū)動電路原理圖Fig.4 The principle diagram of drive circuit

1.3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

由于滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)性、動態(tài)品質(zhì)好、魯棒性強(qiáng)以及穩(wěn)態(tài)特性好的特點(diǎn)，所以岸電電源的控制器采用滑?？刂平Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)輸出控制框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)輸出框圖Fig.5 The block diagram of the system output

三相逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的模型框圖如圖6所示。根據(jù)圖6可知，三相電壓型逆變器在d-q坐標(biāo)系下存在一定的耦合。然而經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，逆變器輸出電壓在對稱的情況下，三相逆變器輸出電壓的d軸分量是1個(gè)直流量為三相靜止坐標(biāo)系下相電壓的幅值，q軸分量為0。在這種情況下，d，q軸之間便不存在耦合關(guān)系，有利于逆變器的控制。d-q坐標(biāo)系下基于電容電壓電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制框圖如圖7所示。

圖6 三相逆變器在d-q坐標(biāo)系下的模型Fig.6 The model of three-phase inverter in the d-q system

圖7 電容電壓電流雙閉環(huán)控制的控制框圖Fig.7 The control block diagram of capacitance voltage current double closed loop control

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

其中閉環(huán)特征方程為

比較式（7）和式（8），并經(jīng)過整理得：

若期望阻尼比ζ=0.707，自然頻率K3=ωn=，n取10，調(diào)節(jié)其參數(shù)可整定為K1=0.092 7，K2=552.67，K3=85.39。

加入調(diào)節(jié)器后控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖如圖8所示。為了得到較滿意的暫態(tài)響應(yīng)，一般相角裕度應(yīng)當(dāng)在30°到60°之間，而增益裕度應(yīng)大于6 dB。根據(jù)圖8可以看出控制系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。

圖8 加入調(diào)節(jié)器后控制系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)的Bode圖Fig.8 The open-loop transfer function bode diagram of system joining regulator control

本課題的處理器采用TMS320F2812，系統(tǒng)軟件由主程序和中斷子程序組成，如圖9所示。初始化是編程前必要的準(zhǔn)備工作，初始化一般包括模塊初始化和變量初始化2種。本課題所涉及的模塊初始化主要包括：CPU配置初始化，PΙE初始化，Ι/O初始化，事件管理器的初始化以及ADC模塊初始化等。AD采樣是實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，ADC模塊的設(shè)置主要包括ADC上電順序的設(shè)置、ADC時(shí)鐘和采樣周期的配置、采樣方式和通道的配置以及確定模數(shù)轉(zhuǎn)換的條件等。

圖9 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖Fig.9 The program chart of system design

2 實(shí)驗(yàn)

硬件電路主要包括二極管不控整流變換器、二極管鉗位型三電平逆變器、驅(qū)動電路、電壓電流采樣電路和DSP開發(fā)板。三電平二極管鉗位型逆變器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示，并給出了岸電電源的主要電氣性能指標(biāo)，如表1所示。

圖10 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.10 Block diagram of the hardware system

表1 低壓船舶岸電電源部分電氣性能指標(biāo)Tab.1 The part of the electrical performance of the low voltage shore power supply

岸電電源的輸出相電壓波形如圖11a所示；輸出線電壓波形如圖11b所示。

圖11 逆變器輸出相電壓、線電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experiment waveforms of phase voltage and line voltage

通過對圖12實(shí)驗(yàn)波形的觀察測量發(fā)現(xiàn)輸出電壓的輸出頻率為60 Hz，滿足岸電電源的要求。圖13a給出的是A相交流輸出電壓(UA)和輸出電流（IA）的實(shí)驗(yàn)波形，其中交流輸出電流是經(jīng)過電流互感器縮小為原來的1/25，實(shí)際電流為4.3A，此時(shí)輸出電壓有效值為17.4 V。從圖13b可以看出此時(shí)A相輸出電流實(shí)際為8.2A，輸出電壓有效值為15.3V。然而上述2種情況都是在直流側(cè)電壓為50 V時(shí)測得，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載加重時(shí)，輸出電壓有所下降，說明岸電電源在開環(huán)時(shí)帶載能力不足。

圖12 逆變器uAn濾波前后輸出電壓的實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experiment waveforms of uAnoutput voltage and the output voltage through filtering

由圖14a和圖14b的開環(huán)和閉環(huán)的實(shí)驗(yàn)輸出線電壓波形的對比發(fā)現(xiàn)，逆變器經(jīng)過閉環(huán)參數(shù)的調(diào)節(jié)控制，使得輸出的線電壓波形更加穩(wěn)定平滑，波動較小，基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖14 輸出線電壓以及濾波后的波形Fig.14 Experiment waveforms of output voltage and the output voltage through filtering

圖15分別給出了岸電電源在開環(huán)和電容電壓電流雙環(huán)控制的情況下，進(jìn)行負(fù)載切換時(shí)輸出電壓的變化情況。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，采用電容電壓電流反饋的雙閉環(huán)控制能夠很好地改善逆變器輸出外特性，提高系統(tǒng)的帶載能力和動態(tài)響應(yīng)速度。

圖15 負(fù)載切換時(shí)輸出電壓、電流波形Fig.15 Output voltage and current waveforms with load switching

圖16給出了岸電電源輸出電壓的THD值，由圖16可以看出THD為0.7%，滿足岸電電源對輸出電壓THD小于5%的要求。

圖16 岸電電源輸出電壓的THD仿真波形Fig.16 The THD of shore power supply output voltage waveform

3 結(jié)論

隨著我國環(huán)境問題的日益嚴(yán)重以及對外貿(mào)易的不斷擴(kuò)大，岸電電源的研究則體現(xiàn)出很強(qiáng)大的現(xiàn)實(shí)意義。本論文根據(jù)岸電電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作原理結(jié)合滑模控制詳細(xì)分析了設(shè)計(jì)原理。并在此基礎(chǔ)上完成了岸電系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)，根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)表明，基于滑模控制的岸電電源能夠獲得很好的電壓質(zhì)量，滿足岸電電源的性能指標(biāo)。

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Design of Three Level Low Voltage Shore Power Supply Used on Shipping Based on Sliding Control

YANG Guoliang，CUI Man，CUI Jie
（School of Electrical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，Hebei，China）

In order to reduce the environmental pollution caused by traditional shore power transformation device，shore power supply（SPS）was supplied to such ships by transferring directly 380 V∕50 Hz to 450 V∕60 Hz.At the same time，in order to improve the robustness and stability of the output，the sliding mode control was added to the closed-loop control.Through the research of a lot of simulation and actual circuit experiment，the simulation and experiment results meet the requirements of robustness and stability control，the results verify the feasibility and effectiveness of the control.

shore power supply；diode-lamped three-level inverter；sliding mode control；space vector pulse width modulation（SVPWM）

TM464

A

10.19457∕j.1001-2095.20170712

2016-06-29

修改稿日期：2016-10-11

楊國良（1973-），男，博士，副教授，Email：y99ygl@ysu.edu.cn