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        基于LCL濾波的AFE在船舶變頻器的應(yīng)用

        2019-11-28 06:54:20魏玲玲
        裝備制造技術(shù) 2019年9期
        關(guān)鍵詞:變流器諧振電感

        魏玲玲

        (湖南工貿(mào)技師學(xué)院,湖南 株洲 412001)

        0 引言

        在電力推進(jìn)船舶中,大功率的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)作為主要的非線性負(fù)載,對船舶電力系統(tǒng)造成諧波污染,嚴(yán)重時影響船舶電機(jī)、通信導(dǎo)航設(shè)備、儀器儀表設(shè)備等正常運(yùn)行。船舶電站較陸用電站容量小且脆弱,控制船舶電網(wǎng)的THD(Total Harmonic Distortion,總諧波失真)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要[1]。各國船級社要求船舶低壓配電網(wǎng)中電壓的THD<5%,有的甚至對單次諧波含量作出明確限定。

        網(wǎng)側(cè)前端采用PWM整流控制可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行、降低船舶電網(wǎng)THD及對電網(wǎng)友好等優(yōu)勢。傳統(tǒng)AFE網(wǎng)側(cè)采用L濾波器,為滿足并網(wǎng)諧波要求,需較大電感值,增加損耗、成本以及影響系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。LCL濾波較L濾波在成本、降低THD、控制系統(tǒng)快速性等方面的優(yōu)勢明顯[2],但LCL濾波器本身的三階系統(tǒng)易引起諧振,需增加阻尼消除諧振影響[5,6]。

        本文主要就基于LCL的AFE的應(yīng)用問題進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)和仿真研究,首先介紹AFE的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);其次詳細(xì)分析了并網(wǎng)LCL濾波器幅頻特性,推導(dǎo)了LCL濾波的AFE數(shù)學(xué)模型;最后以船舶變頻器為例對LCL濾波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),并通過Matlab/Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行仿真,綜合驗(yàn)證LCL濾波的AFE方案的優(yōu)越性。

        1 AFE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        船舶電力推進(jìn)變頻器網(wǎng)側(cè)前端AFE整流系統(tǒng)主電路如圖1所示,系統(tǒng)由前級Lg、Cf、Lf構(gòu)建LCL濾波器和后級PWM整流器構(gòu)成。Rg和Rf在實(shí)際中非常小,進(jìn)行控制時可忽略不計(jì)。AFE與多脈波整流的區(qū)別即為采用全控型IGBT器件取代整流二極管,構(gòu)建與逆變器模塊結(jié)構(gòu)一致的整流變流器,僅將輸入輸出進(jìn)行對調(diào)。

        圖1 LCL濾波的AFE主電路拓?fù)?/p>

        圖中,Lg為網(wǎng)側(cè)電感;Rg為Lg的寄生電阻;Lf為變流器側(cè)電感;Rf為Lf的寄生電阻;C1為濾波電容(此處為△接法,轉(zhuǎn)換為Y接法為Cf,且C1=Cf/3);Cd為直流母線電容;RL為負(fù)載電阻;es為模擬船舶電網(wǎng)三相電源。

        2 LCL濾波器分析

        假設(shè)三相平衡,將整流器交流側(cè)輸出等效為電壓源并忽略電感寄生電阻,建立單相等效電路如圖2所示。

        圖2 LCL濾波器單相等效電路(低頻模型)

        對LCL濾波器低頻模型列寫變流器交流側(cè)電壓u(s)與網(wǎng)側(cè)電流ig(s)的傳遞函數(shù)如式(1)所示,圖2中去除濾波電容即為L型濾波器,L型濾波器輸入輸出傳遞函數(shù)如式(2)所示。

        式中,LT=Lg+Lf為濾波電感和網(wǎng)側(cè)電感之和。LCL型濾波器為三階系統(tǒng),在某一頻率范圍內(nèi),系統(tǒng)會產(chǎn)生諧振,影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,諧振角頻率為ωres,具體如式(3)所示。由此繪制G1(s)和G2(s)的波特圖,如圖3所示。

        圖3 L型與LCL型濾波器的波特圖

        由圖3知,當(dāng)ω<ωres時,LCL型和L型濾波器在低頻段的特性一致,幅頻特性以-20 dB/dec衰減;當(dāng)ω>ωres時,在高頻段,相同的電抗器參數(shù)值下,LCL型濾波器以-60 dB/dec衰減,L型衰減速率不變。在同樣濾波效果下,LCL所選用的網(wǎng)側(cè)和變流器側(cè)電感值之和小于單L型濾波器,電抗器減小的同時,系統(tǒng)在電抗器上的損耗減少,無論是成本還是濾波性能上都占有優(yōu)勢,但需要采取一定措施對LCL濾波器的諧振加以抑制。

        3 AFE控制策略

        AFE的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)變流器前端單位功率運(yùn)行或有源逆變,通過對三相橋臂的PWM控制,調(diào)制波采用基波與船舶電網(wǎng)同頻率、幅值成比例的三相電壓信號與三角載波比較生成相應(yīng)PWM信號,驅(qū)動IGBT實(shí)現(xiàn)對整流器輸入電流的控制。由于船舶電網(wǎng)的特殊性,前級連接為柴油機(jī)和電勵磁同步電機(jī)構(gòu)建的獨(dú)立的發(fā)電系統(tǒng)[8],多余的能量無法回饋至船舶變流器前端,中間直流電壓過高時,需經(jīng)由斬波環(huán)節(jié)釋放能量。AFE保證單位功率運(yùn)行,減少對船舶電網(wǎng)的諧波污染。

        對圖2所示AFE電路進(jìn)行分析,在低頻時,Cf相當(dāng)于開路,此時LCL等效為LT濾波器(LT=Lg+Lf)。將三相abc坐標(biāo)系下的PWM整流器模型經(jīng)旋轉(zhuǎn)變換至同步坐標(biāo)系dq下的模型(4)和(5)所示。

        式中,ed,eq為電網(wǎng)電動勢的 d,q 軸分量;ud,uq為變流器交流側(cè)電壓的d,q軸分量;id,iq為網(wǎng)側(cè)電流的d,q軸分量;R為電阻,R=Rg+Rf,通常很小,可忽略;idc,vdc為直流側(cè)電流和電壓;p為微分算子。

        式(4)為電路電壓方程,式(5)為前后級的功率方程[3,4],id,iq分別為有功和無功電流,在控制環(huán)節(jié)中分別控制有功和無功功率。要實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào),需要對id,iq分別單獨(dú)控制,兩者存在耦合,采用前饋解耦控制策略。在電流內(nèi)環(huán)中,對id,iq采用PI控制器,目標(biāo)電壓矢量u可由(6)式生成。

        電壓外環(huán)則主要用于穩(wěn)定直流電壓。要實(shí)現(xiàn)單位功率運(yùn)行,只須令=0,系統(tǒng)所需功率僅由有功電流提供,給定直流電壓和實(shí)測電壓差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后即為有功電流。變流器前級采用LCL濾波器,在控制環(huán)節(jié)采用電容電流乘以相應(yīng)比例系數(shù)的“虛擬電阻法”消除諧振影響。系統(tǒng)整體控制框圖如圖4所示。

        圖4 AFE控制框圖

        4 仿真研究

        針對LCL濾波器的AFE在船舶變頻器中應(yīng)用,利用計(jì)算出的LCL濾波器參數(shù),對LCL濾波的AFE控制的靜態(tài)和動態(tài)性能通過仿真和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。見表1。

        表1 LCL濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)

        AFE前端發(fā)電系統(tǒng)采用電壓源串聯(lián)電勵磁同步發(fā)電機(jī)的等效電抗Xeq,Xeq可近似由(7)式確定,其與系統(tǒng)的諧波有關(guān)[7]。

        濾波電容采用三角型接法,其后負(fù)載用電阻代替逆變器和異步電機(jī),對AFE額定功率下系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真,結(jié)果如圖5所示。網(wǎng)側(cè)輸入電流高頻分量很小,中間直流電壓維持700 V不變,網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量明顯低于變流器側(cè)電流。仿真結(jié)果表明:(1)系統(tǒng)運(yùn)行良好,LCL濾波器濾波特性良好,設(shè)計(jì)參數(shù)均能滿足系統(tǒng)對THD=5%的要求;(2)變流器側(cè)模塊電流和網(wǎng)側(cè)電流THD比較如表2所示,B組LCL濾波效果優(yōu)于A組;(3)對比A,B兩組數(shù)據(jù),適當(dāng)增大變流器側(cè)電感可明顯降低變流器側(cè)和網(wǎng)側(cè)電流諧波含量,但考慮到成本和系統(tǒng)諧振頻率的限制,要綜合考慮變流器側(cè)電感的取值。

        表2 AFE靜態(tài)指標(biāo)

        圖5 LCL濾波AFE仿真曲線(A組參數(shù))

        圖6 LCL濾波AFE仿真曲線(B組參數(shù))

        5 結(jié)束語

        本文采用LCL濾波的AFE取代傳統(tǒng)的移向變壓器+多脈波整流方案,其具有體積小、功率因數(shù)高、THD小等優(yōu)點(diǎn)。重點(diǎn)研究了LCL濾波器參數(shù)計(jì)算選取的原則和方法。對AFE采用電壓環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)控制策略,為消除LCL的諧振,采用“虛擬電阻法”加以抑制,通過仿真和試驗(yàn)對系統(tǒng)采用不同LCL參數(shù)下,系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明適當(dāng)增大變流器側(cè)電感降低系統(tǒng)諧波含量,但也受成本和諧振頻率制約。后期將對系統(tǒng)接入實(shí)際電機(jī)負(fù)載進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證,有些參數(shù)仍需要不斷調(diào)整和優(yōu)化,也可對系統(tǒng)從功率控制角度進(jìn)行其他控制算法的探索。

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