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