船舶電力推進變頻器AFE仿真研究

張利軍

● （海軍駐南京地區(qū)航天機電系統(tǒng)軍事代表室，南京 210012）

船舶電力推進變頻器AFE仿真研究

張利軍

● （海軍駐南京地區(qū)航天機電系統(tǒng)軍事代表室，南京 210012）

有源前端(AFE)在船舶電力推進變頻器中有較為廣泛的應用，AEF具有功率因數校正功能，且具有好的電流諧波特性，允許功率雙向流動，可以去除制動電阻，節(jié)約成本。文章在MATLAB/Simulink中搭建了帶有源前端的變頻器仿真模型，拖動異步推進電機，取得良好的控制效果。

電力推進；變頻器；有源前端；AEF仿真

0 引言

在中低壓船舶電力推進領域，交-直-交結構是主流的變頻器電路拓撲。交直交變頻器主要分為兩類，一類前端采用二極管不控整流，另一類前端采用AEF結構，即雙PWM變頻器[1]。

雙PWM變頻器的AEF有源前端具有功率因數校正功能，且允許能量雙向流動，方便推進電機4象限運行，因此在中小功率推進場合，正得到越來越廣泛的應用。

本文在MATLAB/Simulink中搭建了雙PWM變頻器的仿真模型，用其拖動一個異步電機，設計了網側 AEF有源前端和推進電機側PWM逆變器的控制策略。AEF有源前端采用了電壓、電流雙閉環(huán)控制，電機采用轉子磁鏈定向的矢量控制。分析了雙PWM變頻器的網側諧波和中間電容電壓穩(wěn)定性，以及推進電機的加速、制動時特性。

1 雙PWM變頻器的數學模型和控制策略

圖1 雙PWM變頻器推進系統(tǒng)原理圖

雙PWM變頻器由電壓型AEF有源前端、直流電容及電壓型PWM逆變器組成。電路結構如圖1所示。

1.1 網側AEF有源前端的數學模型及其控制[2]

網側AEF有源前端在d-q坐標系下的數學模型為：

式中，Vd、Vq分別為網側AEF有源前端交流輸出電壓的d軸分量和q軸分量；L為濾波電感的感值，R為濾波電感的電阻；Esd、Esq為電網電壓。

式（1）表明，d、q軸電流除受控制量Vd、Vq的影響外，還受到電流交叉耦合項ωLid、ωLiq和電網電壓Esd、Esq的影響。為了消除d、q軸之間的電流耦合和電網電壓擾動，采用前饋解耦控制，電流調節(jié)器采用PI調節(jié)器，則電壓控制方程為：

式中，、分別為網側有功電流和無功電流的參考值。

忽略線路損耗和變流器開關損耗，有：

式中，p為變流器發(fā)出的有功功率。根據式（3）可得：

式中，m為變流器調制度（變流器交流側輸出基波相電壓幅值與直流側電壓之比）；δ為變流器交流側輸出基波相電壓與電網相電壓的相位差。

圖2 AEF有源前端控制框圖

直流電壓控制環(huán)節(jié)可采用如下控制規(guī)律：

則AEF有源前端的控制框圖如圖2所示。

1.2 感應電機的數學模型的及其矢量控制[3,4]

轉子磁場定向矢量控制系統(tǒng)中，d-q坐標系與轉子磁鏈矢量ψr同步旋轉（旋轉角速度為同步角速度ωe），并使d軸與轉子磁鏈重矢量合。

對異步電動機的定子電壓方程、定子磁鏈方程，轉子電壓方程、轉子磁鏈方程進行變換。數量異步電機轉子短路，轉子電壓為0；消去轉子磁鏈，得到定子電壓方程為：

其中，為磁鏈控制器給出的勵磁電流給定；為轉速控制器給出的轉矩電流給定。

由電壓方程和磁鏈方程可得：

可以設計磁鏈控制器形式為：

其中，為給定磁鏈。

根據運動方程和轉矩方程可得：

式中，Tm為負載機械轉矩；p為電機極對數；J為電機軸上的等效轉動慣量。可以設計轉速控制器的形式為：

式中，為給定機械角速度。

則按轉子磁鏈定向的異步電機矢量控制框圖如圖 3所示。

圖3 按轉子磁鏈定向的異步電機矢量控制框圖

2 仿真分析

推進電機為異步電機，額定電壓 400V，額定功率165kW，額定轉速 1489r/min，這里假設電機軸上等效的轉動慣量 4kg·m2。網側 AEF有源前端濾波電感選為0.3mH，中間直流電容取9900μF，開關周期選為4kHz；電機側PWM逆變器的開關周期選為3kHz。

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中，按以上參數搭建了雙PWM變頻器的模型。仿真中電網電壓相位采用基于同步旋轉坐標系的鎖相環(huán)（SRF-PLL）獲得，采用轉子磁鏈的電流模型來求取轉子磁鏈的幅值和空間位置。

1）當電機在負載轉矩為額定轉矩 1050N·m（負載轉矩方向與轉速方向相反）時，從0加速到額定轉速的仿真結果。

圖 4可以看到電機經歷一個加速過程后達到額定轉速；在加速過程中電磁轉矩大于負載轉矩，電機電流大于額定電流，加速階段結束后，電磁轉矩等于負載轉矩，電機電流將為額定電流；還可以看到，加速過程中電機電流的頻率有一個上升的過程。

圖5可以看到，在電機加速過程中，雙PWM變頻器網側電流慢慢增大，加速過程結束后變頻器電流下降并穩(wěn)定；加速過程中，系統(tǒng)功率在增大，加速過程結束后功率下降并穩(wěn)定；系統(tǒng)無功功率為0，實現了單位功率因數。

圖4 電機定子電流、轉速、電磁轉矩

圖5 電網電壓、AFE網側電流、系統(tǒng)總功率

圖6可以看出，雙PWM變頻器網側AEF有源前端可以保持中間電容電壓穩(wěn)定。

圖7可以看到，雙PWM變頻器網側AEF有源前端的網側電流為正弦波，總的電流THD為3.7%，但是低頻5、7、9次諧波分量并不顯著。

圖6 變頻器中間直流側電容電壓

圖7 網側電流諧波情況（2.4s～2.5s）

2）當電機在負載轉矩為額定轉矩 1050N·m（負載轉矩方向與轉速方向相反）時，從0加速到額定轉速，經過再生能量制動，然后反向加速到額定轉速時的仿真結果。

圖8可以看到，電機在（0, 1s）經歷一個加速過程，在加速過程中正向電磁轉矩與負載轉矩只差作為加速轉矩；電機在（2.5s, 2.72s）經歷一個能量再生制動的過程；在制動過程中，反向的電磁轉矩和負載轉矩一起成為制動轉矩，因此制動過程很快；電機在（2.72s, 3.6s）經歷一個反向加速過程，在反向加速過程中反向電磁轉矩與負載轉矩之差作為加速轉矩，加速過程和正向加速過程相似（不需經歷電機啟動過程中的磁鏈建立過程）。

圖9可以看到，在（0, 1s）電機加速過程中，雙PWM變頻器網側電流慢慢增大，系統(tǒng)功率也在增大；在（1s,2.5s）電機額定轉速運行中，雙PWM變頻器網側電流穩(wěn)定，系統(tǒng)功率也穩(wěn)定；在（2.5s, 2.72s）電機再生能量制動過程中，系統(tǒng)功率為負，即向電網回饋能量；在（2.72s, 3.6s）電機反向加速過程中，雙PWM變頻器網側電流慢慢增大，系統(tǒng)功率也在增大；在（3.6s, 5s）電機額定轉速運行中，雙PWM變頻器網側電流穩(wěn)定，系統(tǒng)功率也穩(wěn)定。在整個過程中，系統(tǒng)無功功率為0，實現了單位功率因數。

圖8 電機定子電流、轉速、電磁轉矩

圖9 電網電壓、AFE網側電流、系統(tǒng)總功率

圖10可以看出，在能量再生制動開始時刻，電容電壓有個突增，但很快就重新實現穩(wěn)定，雙 PWM 變頻器AEF有源前端可以保持中間電容電壓穩(wěn)定。

圖10 變頻器中間直流側電容電壓

3 結論

本文從理論上分析了背靠背雙PWM變頻器的數學模型，并進行了仿真分析，仿真結果表明，雙PWM變頻器具有好的網側諧波特性和好的機側動態(tài)特性，可以實現能量的雙向流動，適合用在船舶電力推進場合。

[1]馬小亮. 高性能變頻調速及其典型控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2010.

[2]張崇魏. PWM 整流器及其控制[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.

[3]陳伯時. 電力拖動自動控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2003.

[4]李永東. 交流電機數字控制系統(tǒng)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002.

Study on AFE Simulation of Marine Electric Propulsion Frequency Converter

ZHANG Li-jun
(Representative Section Stationed at Aerospace Mechanical and Electrical System in Nanjing, Nanjing 210012, China)

Active Front End (AFE) rectifier has a wide range of applications in Marine Electric Propulsion frequency converter.AEF has power factor correction function, and good current harmonics characteristics. Because the active front end rectifier is a bi-directional power flow rectifier, the braking resistor can be removed and the cost can be reduced. In this paper, the electric propulsion simulation model of the frequency converter with AFE rectifier and asynchronous propulsion motor is built under MATLAB / Simulink software. The control effect is excellent with this simulation model.

electric propulsion; frequency converter; active front end; AFE simulation

U664.14

A

張利軍（1964-），男，高級工程師。研究方向：船舶電氣及控制。