一種基于LCL輸出濾波器的船用逆變器研究

萬福瑞，王國玲，劉先越，俞萬能，廖衛強

（1.集美大學輪機工程學院福建廈門361021，2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室福建廈門361021）

一種基于LCL輸出濾波器的船用逆變器研究

萬福瑞1,2，王國玲1,2，劉先越1,2，俞萬能1,2，廖衛強1,2

（1.集美大學輪機工程學院福建廈門361021，2.福建省船舶與海洋工程重點實驗室福建廈門361021）

針對高功率密度、高體積重量比的船舶電力系統應用場合，研究基于LCL輸出濾波器的電路結構與電流瞬時值控制策略，為船舶多能源供電系統中逆變器與同步發電機并聯供電的實現提供技術方案。通過逆變器建模與解耦、控制器數學模型的建立與系統的仿真，獲得了控制策略實現及參數確定的方法。仿真結果表明，所設計的船用逆變器與同步發電機并聯構成的供電系統，具有穩定性高、動態特性好、供電質量優、發電機利用率高等優良性能。

LCL濾波器新能源逆變器船舶電力系統

0 引言

隨著地球能源危機、環境污染等問題的日益突出，可再生新能源逐步替代傳統能源的綠色船舶技術成為船舶發展的新方向。由于太陽能、風能等自然能源存在電力供應不穩定、不連續問題，故將新能源與柴油發電機組相結合的船舶多能源供電系統，將成為船舶電力系統的發展趨勢[1]。然而由于船舶電力系統變化頻繁，負載啟動引起的電網電壓、頻率下降較大，因此，研究具有高穩定性、高效率的逆變器成為船舶交流多能源交流供電系統發展的關鍵。

本文結合船舶電網的實際情況，合理設計基于LCL型濾波器的船用逆變器，并在dq坐標系下進行逆變器的解耦分析；根據逆變器數學模型，采用基于電網電壓定向的雙閉環控制策略對逆變器進行控制，通過理論推導，獲得控制器參數設計準則；從諧振頻率、總電感量以及諧波抑制能力等方面考慮，獲得LCL濾波器的設計方法；通過Matlab/Simulink對這種LCL船用逆變器系統的仿真研究，驗證了所提出的控制策略的有效性。

1 船舶供電系統結構及逆變器電路拓撲

多能源船舶供電系統如圖1所示，多種新能源直流并聯后共同接入逆變器前端，從船舶交流電網側來看，逆變器輸出端與柴油發電機組交流并聯后共同為船舶負載供電，且有：

其中，IG、I2及IL分別為同步發電機輸出電流、逆變器輸出電流及負載電流對應的矢量。

綜合考慮船舶對逆變器成本、體積及控制復雜程度的要求，選擇元器件個數少、拓撲結構簡單、LCL型輸出濾波器的三相全橋拓撲，如圖2所示。其中VT1～VT6為6個IGBT開關管，R1為濾波電感L1內阻與功率變換器內阻之和，R2為濾波電感L2內阻，L1、

圖1 船舶交流電網側電氣連接圖

當直流電源向船舶電網傳遞功率時，功率變換器工作在逆變狀態，將直流電壓Udc逆變成雙極性兩電平高頻交流脈沖電壓ua、ub和uc，ua、ub和uc經輸出LCL濾波器后變換成低頻輸出電流i2a、i2b和i2c，并與發電機輸出iGa、iGb和iGc共同為船舶負載供電；當船舶電網向直流電源回饋能量時，功率變換器工作在整流狀態。

圖2 逆變器電路拓撲

2 系統建模

2.1 逆變器本體解耦模型

在三相負載平衡條件下，圖2所示的三相逆變器中，電容中性點N’與負載中性點N等電位，逆變器三相可以完全解耦，故將其等效為單相電路，如圖3所示，其中ui為濾波器前端高頻斬波電壓的基波分量，則電壓電流方程為

經過Park、Clark變換，可將上式變換成基于電壓定向的dq旋轉坐標系下的模型，即為

式中ωo為同步旋轉角頻率，即uo的角頻率。

C、L2組成三階LCL濾波器。

圖3 三相LCL濾波器單相等效電路

對上式進行拉氏變換，可得到并網逆變器s域的數學模型為

從上式可以看出，在dq坐標系中，逆變器的數學模型在dq軸間存在耦合。引入前饋解耦的開環解耦模型結構如圖5所示。其中

2.2 控制系統模型

圖6所示為本文設計的船用三相逆變器基本控制框圖。通過電流參考生成器獲得d軸電流參考值i2d*給電流內環，本文為了使逆變器盡可能多的輸出有功功率令i2q*=0。交流電流i2abc經過變換得到反饋電流i2d和i2q，而交流電壓空間矢量角θ由鎖相環得到，隨后經過解耦后生成逆變器d軸和q軸的電壓參考指令Ud*和Uq*，再經過Park反變換生成Uα*和Uβ*，進而通過空間矢量發生器產生控制開關管的導通信號。

圖4 dq坐標下基于狀態反饋解耦控制原理圖

圖5 引入前饋解耦的模型結構

圖6 三相并網逆變器基本控制框圖

3 關鍵電路參數設計

3.1 逆變器LCL參數設計

逆變器參數設計的前提條件如下：電網相電壓的有效值Uo=220 V，直流母線電壓Udc=900 V，電網頻率fn=50 Hz，開關頻率fs=5 kHz，逆變器額定容量SN=30 kW。

電流紋波ΔiLmax一般可限制在10%～25%，本文選取20%，根據公式(5)可以得到逆變器側濾波電感L1的最小值。

計算結果L1≥2.475 mH，適當增加一些裕量，最終選取L1的值為2.5 mH。

對于濾波器電容C的選取，一般要求其無功功率低于5%，本文要求無功功率的限定值為2%。由公式（6）可以據算出濾波電容的大小。

最終選取C的值為13 μF。

電網側電感與逆變器側電感關系如式（7）所示，其中r為相關系數。

電網側電感可以根據在開關頻率處電流諧波的衰減度進行設計。式（8）表示諧波電流的衰減度，iL2(hsw)與iL1(hsw)比值越小，諧波電流衰減效果越好。

其中iL2(hsw)和iL1(hsw)分別為開關頻率處的電網側電流諧波和逆變器側電流諧波。

由于LCL自身存在諧振問題，一般要求諧振頻率介于10倍工頻頻率和一半開關頻率之間：

由式（8）可知r越大電流諧波衰減效果越好。本文選取r=0.5，算得

帶入式(7)得

將LCL濾波器參數帶入式(9)驗證結果符合諧振頻率要求，LCL濾波器設計完畢。

3.2 逆變器控制器參數設計

在設計控制器參數時，LCL濾波器在低頻段可以看作是單L型濾波器，此時濾波器相當于一個感值為3.75 mH的大電感。以電流d軸分量為例設計控制器參數如下：Ts為電流采樣周期，逆變橋的放大特性可比例增益Kpwm表示。此時電流內環控制結構如圖7示。其中G1d(s)為電流內環PI調節器，且有

其中ki、Ti分別為控制器的比例系數和積分系數。

圖7 逆變器d軸電流閉環控制簡化模型

由圖7可以看出系統開環傳遞函數Goi(s)為：

電流環需要有快速的電流跟蹤特性，由典型Ⅰ型系統設計原理可知Ti=L/r。那么電流環的開環傳遞函數為：

取反饋比例kif=1，電流環閉環傳遞函數為：

Kpwm=200，R=0.1，kif=1，Ts=200 μs可得Ti=0.047，則系統特性如圖8所示。圖8(a)中實線和虛線分別為對應的Go(s)、Gc(s)頻率特性，圖8(b)為Go(s).Gc(s)

頻率特性。從圖中可以看出加入Gc(s)后，幅頻曲線以20dB/十倍頻通過零點且有一定的帶寬，相角裕度大于45o；高頻段衰減明顯，抗干擾能力強。

圖8 控制系統特性曲線

4 仿真結果

基于LCL型濾波器的船用光伏逆變器并網仿真結果如圖9所示：

逆變器并網電流穩態輸出如圖9(a)所示，最終逆變器輸出相電流為45 A的三相交流電。逆變器A相電流諧波如圖9(b)所示，逆變器輸出電流總諧波失真為0.58%。圖9(c)和圖(d)分別為逆變器A相輸出電壓電流波形和逆變器輸入輸出功率，圖(c)虛線表示A相電壓，實線表示A相電流，圖9(d)中實現表示輸出功率，虛線表示輸入功率。從圖中可以看出系統在0.12 s以后電壓電流同步，逆變器輸出無功功率為零。此時逆變器輸出有功功率為29.5 kW并保持恒定，逆變器效率為98%。

圖9 仿真波形

5 結論

本文對船用逆變器主電路拓撲和濾波器設計進行分析，得到完整船用逆變器數學模型。通過理論分析和仿真研究得到如下結論：

1）船用逆變器宜采用三相全橋拓撲，分別從諧振頻率、總電感量以及諧波抑制能力等角度分析，總結出一套簡易可行的LCL濾波器設計原則并得到精確的逆變器數學模型。

2）采用并網電流i2進行反饋控制，基于所建的逆變器數學模型，引入前饋并通過dq軸解耦，建立逆變器電流閉環控制系統，獲得了控制器參數設計方法。

3）仿真結果與理論分析一致，驗證了依據本文提出的濾波器和控制器設計方案可行性；基于完整的LCL型濾波器的數學模型，采用網側電流反饋控制可以保證并網系統穩定運行，使逆變器以高功率因數向船舶電網輸電。

[1]俞萬能,李丹,鄭為民.太陽能游覽船能量控制系統研發[J].中國造船,2013,03：177-183.

[2]王國玲,許順孝,廖衛強,常玉崗,俞萬能.船用逆變器電流隨動控制策略研究[J].船舶工程,2016,02：74-79.

Research onAn Inverter with LCL Output Filter inAShip

Wan Furui1,2,Wang Guoling1,2,Liu Xianyue1,2,Yu Wanneng1,2,Liao Weiqiang1,2

（1.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen361021,Fujian,China;2.Fujian Province Key Laboratory of Naval Architecture and Marine Engineering,Xiamen 361021,Fujian,China）

For the application of high power density and high volume-weight ratio of ship’s electric power system, a control strategy for circuit structure based on LCL output filter and instantaneous current value is researched so as to put forward a technical proposal for realization of parallel power supply for inverter and synchronous generator in multi-energy power supply system for the ship.By means of modeling and de-coupling of inverter, mathematical modeling of controller and simulation of system,the way for implementation of the control strategy and determination of parameters is obtained.The simulation shows that the power supply system that consists of the inverter designed and synchronous generator in parallel has high stability,good dynamic behavior,excellent power supply quality and high utilization efficiency of generator,etc.

LCL filter;new energy;inverter;marine electrical system

TM464

A

1003-4862（2016）12-0001-05

2016-08-04

福建省自然科學青年基金項目（2013 J05081）；集美大學預研基金項目（Z81218）；交通部應用基礎主干學科科技項目（2015329815160）

萬福瑞（1991-），男，碩士研究生。研究方向：多能源微電網逆變技術。

王國玲（1978-），女，博士，副教授。研究方向：電力電子與電力傳動、多能源微電網逆變技術。