船舶電力系統中源變換器的控制策略

胡曉明

(成都工業學院，四川 成都 611730)

船舶電力系統中源變換器的控制策略

胡曉明

(成都工業學院，四川 成都 611730)

船舶綜合電力系統采用集成化技術，在船舶內進行電能的產生、傳輸、轉換和配給，并利用電能作為動力源實現艦船的航行和武器發射。現代艦船上的武器發射系統(如電磁炮、電化學動力炮)、艦載機彈射、回收、電氣防護等瞬時功率可達數百兆瓦，對整個電力系統形成極大的沖擊，影響供電系統的穩定性。為此，本文分析了恒功率負載和電壓負載對艦船綜合電力系統穩定性的影響，提出了一種適用于船舶綜合電力系統源變換器的恒功率負載電壓電流(U-I)單開關周期反饋控制方法，提高了船舶恒功率負載運行的穩定性。

船舶電力系統；源變換器；電壓電流反饋；單開關周控制

0 引 言

船舶綜合電力系統集成了推進動力系統與船舶配件動力，可分為直流供電系統和交流供電系統，直流供電系統內，直流負載的電力源為直流源變換器[1]。恒定的功率輸入對于許多負載至關重要，為此，當負載所需電壓改變時，負載連接的源變換器輸入電流需要隨之升高或降低，以維持恒定功率。

負載變換器對船舶電力系統呈負輸入阻抗特性。傳統船舶源電力變換器由于設計時未考慮功率負載，其在與多個具有恒功率負載的源變換器級聯工作時，穩定性難以得到保證[2-3]。本文分析恒功率負載和電壓負載對艦船綜合電力系統穩定性的影響，提出一種適用于船舶綜合電力系統源變換器的恒功率負載電壓電流(U-I)單開關周期反饋控制方法，以提高船舶恒功率負載運行的穩定性。

1 恒功率負載分析

P=(U+Δu)(I+Δi)，

抵消掉相同項，得到：

圖1為恒功率負載的U-I特性曲線，初始時系統穩定運行，穩定運行點如圖1標識所示。當負載產生電流擾動Δi時，電流由于負載所需電壓小于系統電源電壓將持續增大，最終偏離穩定運行點A。當負載產生電流擾動-Δi時，為了維持恒定功率運行，負載需求電壓高于系統電源電壓，電流會持續減小，電壓偏離穩定運行點。

圖1 恒功率負載擾動后U-I變化曲線Fig.1 The curve of the U-I After the constant power load disturbances

2 拓撲結構

功率開關占空比為功率開關斷開時間與單開關周期的比值，其為單開關周期控制的重要參數。通過調節占空比，可使單開關周期內平均閉合時間隨負載要求變化，平均值與功率負載輸入控制參考量相等或線性變化。復位積分器和比較器是單開關周控制的重要組成元素，如圖2所示。時鐘脈沖信號CLK通過開關S將實時積分器觸發，使其開始工作，積分參數關系Ts=RC。積分值Ve通過比較器與參考值Vref比較，當Ve=Vref時，比較器的輸出狀態變為高電平，RS觸發器的輸出狀態轉變，開關S切掉被控制信號，積分器復位。

將電壓反饋控制環節加入單開關周控制系統，構成恒功率負載電壓電流(U-I)單開關周期反饋控制，以更好地控制輸出電壓(見圖2)。

圖2 (U-I)單開關周期反饋控制原理示意圖Fig.2 (U-I)The principle diagram of single cycle feedback control switch

3 源變換器控制系統

根據圖2恒功率負載電壓電流(U-I)單開關周期反饋控制源變換器控制系統結構圖得到的控制系統示意圖如圖3所示。將閉環傳遞函數表示為：

Tv(s)=Hv(s)Gv(s)FC(s)Gvd(s)，

圖3 U-I雙反饋單開關周期控制系統示意圖Fig.3 U-I The System schematic diagram of the double feedback and single switch cycle control

由上式計算得到的閉環輸出電壓可表示為：

單開關周期輸出阻抗在同時加入電壓反饋和電流反饋后可表示為：

4 阻抗分析

不同控制方式的輸出阻抗計算結果如圖3所示，Zoo為開環時候的輸出阻抗特性，Zoi為單電流閉環輸出阻抗特性，Zoiv為電壓電流(U-I)閉環輸出阻抗特性。無反饋開環控制時，輸出阻抗呈現明顯的峰值波動，但電流閉環控制時，系統阻抗類似于一階系統，沒有電阻電容諧振出現的峰值波動，近似于加入了濾波電容，加入電壓電流(U-I)閉環控制后，系統的相角裕度較大，如圖4所示，電感被等效為電流源，閉環輸出阻抗諧振峰值抑制效果更明顯。相比于無反饋開環控制，電流閉環控制一定程度抑制了系統頻率穿越時產生的阻抗突起。

圖4 開環、電流、電壓-電流反饋控制的阻抗Fig.4 The impedance of the open loop, current, voltage-current feedback control

5 Matlab數值仿真

以Matlab對采用恒功率負載電壓電流單開關周期反饋控制進行了數值仿真，輸出電壓啟動過程結果如圖5所示，電力系統源變換器的電壓仿真結果如圖6所示，該系統能夠在多個負載級聯時快速啟動后穩定運行。

圖5 Matlab仿真電壓啟動輸出過程圖Fig.5 The voltage startup output process diagram simulated by Matlab

圖6 Matlab仿真源變換器負載的電壓變化Fig.6 Source converter load voltage variation simulated by Matlab

6 實驗結果分析

搭建了實驗樣機平臺，其由某型號直流變換器和直流變換器負載構成，具體參數設置如表1所示。

表1 實驗裝置參數表

比例積分調節(PI)控制的輸出電壓和電感電流波形分別如圖7和圖8所示。源變換器的功率在0.35 s時由5.1 kW變化為6.5 kW，輸出電壓U和電感電流I在產生較小波動后0.1 s內回復穩定。0.7 s時源變換器的功率由6.4 kW增大至8 kW，輸出電壓和電感電流均在0.7 s時發生震蕩，持續至1 s未見衰退，原因是系統阻抗未達到ESAC標準。

圖7 源變換器功率變化時PI控制的電壓波形圖Fig.7 Power source converter changes PI control of the voltage waveform figure

圖8 源變換器功率變化時PI控制的U-I波形圖Fig.8 U-I waveform figure during Power source converter changes of PI control

系統運行時，如表1所述負載變換器運行功率為4 kW，采用變化負載將負載變化器功率增大，恒功率負載電壓電流(U-I)單開關周期反饋控制下直流變換器輸出電壓波形如圖9所示，直流變換器輸出電感電流波形如圖10所示。

圖9 負載變換器功率4 kW-8 kW的電壓波形Fig.9 The voltage waveform of 4kW-8kW load power converter

圖10 負載變換器功率4 kW-8 kW的電感電流波形Fig.10 The inductor current waveform of 4kW-8kW load transducer power

從圖9中可以看出，0.5 s時負載變換器功率增大4 kW后，由于采用了電壓電流(U-I)單開關周期反饋控制方法，0.25 s后系統進入穩定狀態，輸出電壓能夠滿足穩定性要求，同理，電感電流0.25 s內由50 A增大至90 A，并穩定運行，輸出電感電流能夠滿足穩定性要求，如圖10所示。

7 結 語

本文分析了恒功率負載和電壓負載對艦船綜合電力系統穩定性的影響，提出了一種適用于船舶綜合電力系統源變換器的恒功率負載電壓電流(U-I)單開關周期反饋控制方法，分析了該控制方法的控制原理及阻抗特性，以Matlab對采用恒功率負載電壓電流單開關周期反饋控制進行了數值仿真，該系統能夠在多個負載級聯時快速啟動后穩定運行，根據原理參數以原理樣機對論文中所提到的穩定控制方法進行了實驗研究，該源變換器輸出電壓及電感電流能夠滿足穩定性要求。

[1] 李冬麗.艦船綜合全電力系統暫態穩定性分析及其仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2004.

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HU Long,LUO An,LV Zhi-peng.A bi-directional quasi-Z source converter based high-efficiency electric vehicle charger[J].Power System Technology,2014,38(2):341-346.

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Research of control strategy for source converter in integrated ship power system

HU Xiao-ming

(Chengdu Technological University,Chengdu 611730,China)

Ship Integrated Power System(SIPS) could integrate power generation, transmission, transformation and distribution, and could achieve the ship′s navigation and weapon launch with the power generated. The weapons firing systems (such as electromagnetic guns, electrochemical power guns), aircraft carrier catapult and recycling system, electrical protecting system on modern ships could generate instantaneous power up to hundreds of megawatts, and this could have a great impact on the power system and caused unstability on the system. To reduce the impact, the influence of constant power load and voltage load on the stability of ship integrated power system was analyzed and a constant power load voltage and current (UI) feedback control of a single switch cycle method for the ship integrated power system source converter, and improved the operation stability for the ship with constant power load.

SIPS;source sonverter;voltage and current(VI)feedback;single switch cycle control

2014-05-28;

2014-06-23

胡曉明(1974-)，男，碩士，講師，研究方向為電氣控制。

U665.26

A

1672-7649(2014)12-0070-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.015