基于PWM逆變的新型船用軸帶發電系統研究

王樂 唐石青

（中國船舶重工集團公司第七O四研究所，上海 200031）

0 引言

船用軸帶發電系統以推進主機作原動機，利用主機的功率裕量發電，具有提高主機的運行效率、減少柴油發電機使用時間、減少燃油消耗、降低維護成本等優點。

可控硅逆變器式軸帶發電系統在遠洋船舶上得到極大的推廣，但是這種軸帶發電系統由于器件的固有特性需要大容量的調相機，而且輸出諧波電流較大，參數匹配復雜[1]。而采用 PWM 逆變技術的新型軸帶發電系統可以獨立控制有功功率和無功功率，省去調相機，使得系統簡單；使得輸出諧波降低；大大增加了控制的靈活性。因此，近年來該型軸帶發電系統成為研究和應用熱點。德國 SAM公司的軸帶發電系統產品和 R-R公司的可逆式軸帶發電系統均采用此種技術。

本文首先分析了新型軸帶發電系統的組成和控制策略，研究了新型軸帶發電系統與柴油發電機并聯運行的難點，并提出將基于虛擬同步發電機的逆變技術應用到本系統中。之后，建立了逆變器、虛擬發電機和控制策略的數學模型，搭建了系統仿真模型，給出了部分仿真結果。文章最后給出了研究結論。

1 系統組成與控制策略

采用PWM逆變技術的軸帶發電系統，整流側采用不可控二極管整流，逆變側采用基于全控型器件IGBT的PWM逆變器，其結構如圖1所示：

圖1 基于PWM逆變的軸帶發電系統

主機通過齒輪箱驅動軸帶發電機，軸帶發電機的轉速隨著主機轉速發生變化。軸帶發電機產生電壓幅值和頻率可變的電能，經二極管整流為直流電，再經過全控型器件IGBT進行逆變，經由并網電抗器送入電網。

常規的逆變器控制是將逆變器當做電流源。同陸上大電網相比，船舶電力系統是容量有限的獨立電網，逆變器容量相對較大，若按常規電流源控制方法，將對船舶電力系統穩定性產生不良影響。

另外，PWM 逆變器與柴油發電機組在電氣和機械特性方面的巨大差異造成兩者并聯運行時穩定性和功率分配成為難題。所以，新型軸帶發電系統在船舶上使用時，其應具有與常規柴油發電機組相似的頻率-有功和電壓-無功輸出特性，以確保兩者并聯運行的穩定性和功率分配[2]。

本文擬引入虛擬同步發電機的控制方式，將發電機的動態變化過程與控制模式引入逆變器中，以期解決并聯運行時的穩定性和功率分配問題。新型軸帶發電系統網側逆變器整體的控制框圖如圖2所示：

圖2 控制策略整體框圖

2 逆變器的原理與數學模型

三相電壓型PWM逆變器基于Buck降壓變換器原理工作，因此其輸出負載線電壓的幅值不超過直流母線電壓vdc。

在同步旋轉dq坐標系下電壓方程為：

其中：vd、vq和id、iq分別為網側電壓、電流轉換后的值，vrd、vrq為逆變橋輸出端相電壓的轉換值。

可以看到，dq軸電壓方程之間存在交叉耦合項，為此采用前饋解耦控制策略，引入控制環節如下：

式中：id*、iq*為id、iq的電流參考值。

將控制環節代入逆變器方程式簡化可得：

可以看到基于前饋解耦的控制策略使dq軸電流控制完全解耦[3]。

3 虛擬發電機模型及其控制環節

3.1 虛擬發電機模型[4]

本文建立同步發電機的模型，并將該模型植入到新型軸帶發電機系統網側逆變器的控制策略中，使得新型軸帶發電機系統具有與常規發電機相似的輸出特性。

同步發電機的電壓和磁鏈方程如下：

其中：vd、vq、vfd＇分別為d軸、q軸和勵磁電壓；vkd＇、vkq1＇、vkq2＇分別為d軸和q軸上的兩個阻尼繞組電壓；id、iq、ifd＇分別為d軸、q軸和勵磁電流；ikd＇、ikq1＇、ikq2＇分別為d軸和q軸上的兩個阻尼繞組電流。

同步發電機的轉子機械特性方程由下式表示：

其中：Tm、Te分別為機械轉矩和電磁轉矩；D為定常阻尼系數；H為慣性時間常數；θ為轉子機械轉角；ω為角速度。

3.2 虛擬發電機的調速系統[5,6]

發電機有功功率的輸出根據有功—頻率下垂特性決定自身有功的輸出，由各自的調速系統實現，如圖3所示。有功—頻率下垂特性通過在頻率的閉環控制中設置。當輸出有功功率與額定輸出不同時，其功率差乘以下垂系數的差值進入閉環系統，改變參考頻率，從而實現輸出頻率的改變。

圖3 調速系統框圖

3.3 虛擬發電機的勵磁系統[5,6]

發電機無功功率的輸出根據無功—電壓幅值下垂特性決定，如圖4所示。勵磁系統中，通過引入電流幅值與功率因數正弦值的乘積來引入無功功率，這樣當無功功率增大時，通過引入量的改變，輸出電壓的幅值就會相應降低，從而完成無功—電壓幅值下垂特性。

圖4 勵磁系統框

4 仿真分析

為驗證新型軸帶發電系統可行性，本文利用MATLAB/Simulink軟件搭建新型軸帶發電系統仿真模型。逆變器輸出側電感L=0.1 mH，電阻R=0.01 Ω；虛擬發電機額定容量670 kVA，額定線電壓400 V，其他參數如表1。

表1 虛擬發電機參數（標幺值）

a） 在初始時刻，逆變器輸出端接500 kW負載穩定后，在3 s和6 s時分別減小有功功率150 kW，9 s時再增加有功功率150 kW，仿真結果如圖5和圖6所示。可以看到，有功負荷減小后，電壓的頻率升高，電壓幅值也會受到輕微影響，但基本保持不變。有功負荷增大后，頻率下降，按照頻率—有功功率下垂特性變化。

b） 在初始時刻，逆變器輸出端接500 kW負載穩定后，在3 s和6 s時分別增加無功功率200 kvar，9 s時減少無功功率200 kvar仿真結果如圖7和圖8所示。可以看到，無功負荷增大后，電壓的幅值隨之下降，同時也影響到有功功率的輸出，電壓頻率隨著有功輸出的降低有所升高，但幅度變化很小。無功負荷減小后，電壓幅值增加，有功功率輸出也相應有所增大，頻率輕微下降。電壓幅值的變化按照電壓幅值—無功功率的下垂特性變化。

綜上，從逆變器的動態輸出可以看出，有功和無功負荷變化時，軸帶發電系統按照下垂特性改變輸出電壓的頻率和幅值，逆變器的調節過程和輸出量的變化也按照發電機的動態過程變化。

圖5 有功負荷變化時逆變器輸出電壓頻率（左）及相電壓有效值（右）

圖6 有功負荷變化時逆變器輸出的有功功率（左）和無功功率（右）

圖7 無功負荷變化時逆變器輸出電壓頻率（左）及相電壓有效值（右）

圖8 無功負荷變化時逆變器輸出的有功功率（左）和無功功率（右）

5 結論

本文研究了一種采用PWM逆變技術的新型船用軸帶發電系統，通過仿真驗證了基于虛擬發電機的控制策略，實現了逆變器輸出模擬了發電機的輸出特性，為下一步與柴油發電機長期穩定并聯提供了技術支持。

[1] T. Kataoka, S. Nishikata. Transient Performance Analysis of Self-Controlled Synchronous Motors.IEEE Trans. on industry applications. 1981, 17（2）.

[2] 黃倫坤, 朱正鵬, 劉宗德. 船舶電站及其自動裝置.北京: 人民交通出版社, 1994

[3] 張崇巍, 張興. PWM整流器及其控制. 北京: 機械工業出版社, 2005.1

[4] Krause, P.C. Analysis of Electric Machinery. McGraw-Hill, 1986, Section 12.

[5] 王良秀,唐石青,李冬麗.船舶電力系統中性點接地方式研究. 船電技術, 2006（5）.

[6] 陳次祥, 唐石青, 孫曉蔚, 沈志剛.船用中頻機組帶整流負載的建模與仿真分析. 船電技術, 2008（4）.