船用逆變器帶電動機穩定性研究

李興東，汪永茂，鄢 倫

船用逆變器帶電動機穩定性研究

李興東，汪永茂，鄢 倫

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064)

針對船用逆變器帶電動機類負載有時出現功率振蕩的問題，理論分析指出了逆變器和電動機阻抗特性不匹配是振蕩產生的原因，結合理論分析結論通過改變逆變器電壓外環和電流內環的控制參數，調節逆變器的輸出阻抗，避開振蕩發生條件，解決了逆變器帶電動機時的功率振蕩問題。逆變器整改前后帶電動機的實際試驗結果驗證了解決方案的可行性。

船用逆變器 功率振蕩 阻抗特性

0 引言

電力電子技術的飛速發展，使得采用電力電子開關器件直接實現交、直流電能雙向變換的整流-逆變型主變流裝置替代旋轉式變流機組成為船舶電力系統發展的趨勢，在當前船舶電力系統中扮演了舉足輕重的角色[1]。整流-逆變型主變流裝置相比發電機-電動機式結構具有振動噪聲低、無換向火花、無機械磨損、效率高、響應快、體積小和操作方便等優點，且采用了三重化雙向直流變換器和交流多功能變換器的拓撲結構[2]，實現了高頻整流、逆變、雙向直流變換、不間斷供電、無功補償、蓄電池充放電和交直流限流等功能的一體化，大大簡化了船舶電力系統的設計。

某型船采用了交、直流雙向變換器的獨立電力系統結構。當該型船用主變流裝置直流發電時，其輸入為正常交流電網，輸出為直流電網提供電能，向蓄電池、推進電機、其它直流負載等供電；當交流電網出現故障時，主變流裝置由直流電網供電，經雙向變換器產生交流電，保證交流電網的正常運行，此時該主變流裝置相當于一臺逆變器。

在實船上艦船電氣設備多，且負載類型復雜多樣，有可能出現由于負載不匹配出現的功率振蕩現象。本文將針對某型船用逆變器帶電動機負載功率振蕩問題展開詳細分析，并給出解決措施。

1 現象

某型船用逆變器在單機交流發電啟動制冷機負載時(額定功率90 kW，為Y/Δ繞組切換啟動)有時出現交流電流振蕩(電機出現較大噪聲后人為停機)，振蕩頻率10 Hz，振蕩期間逆變器端口交流電流約280～580 A/rms，該逆變器端口交流電壓正常且無波動(約390 V/rms)，相應直流電流有10 Hz的很大振蕩波動(相應有功產生振蕩)。制冷機負載由岸電起動完成后轉切至由該逆變器供電時，有時也出現同樣的交流電流振蕩。振蕩期間現場控制器內部采集的相關波形分別如圖1(控制器內部采集波形為標幺值)。此類制冷機由岸電電網和發電機供電時，均無此現象。

圖1　控制器內部采集的交流端口電壓(上圖)和電流波形(下圖)

2 穩定性分析

根據文獻[3]和[4]，逆變器帶電動機負載原理圖如圖2所示，假定逆變器的輸出阻抗為s()，電動機的輸入導納為L()，逆變器、電動機單獨運行穩定，則兩者級聯時，系統穩定的充分條件為式(1)。

則由式(1)，可得出兩者等效阻抗的關系需滿足：

圖3 某型逆變器的實際控制框圖

圖4 某型逆變器的開環控制框圖

其中，1為輸出電壓對參考電壓傳函，2為輸出電壓對負載電流(逆變器輸出阻抗)傳函，令1=1/(Ls+R)，G(s)=R+1/Cs，G(s)=K+K/s，G(s)=K+K/s=K/(0.5Ts+1)，H(s)=K/(Ts+1)，H(s)=K/(Ts+1)，

則：

結合文獻[5]和[6]中的參數，可以分別得到開環和閉環下的逆變器輸出阻抗。該型逆變器在陸上聯調和實船所用電動機參數如表1所示。利用三相電動機詳細的動態數學模型[7-8](考慮轉子運動方程及定子磁鏈、轉子磁鏈動態后為5階非線性微分代數方程組)，以逆變器輸出額定電壓(390 V)、電動機拖動恒轉矩特性制冷機(負載轉矩L=74 Nm，對應電動機25%功率輸出)為輸入條件，分別計算得出兩種工況電動機的等效輸入阻抗，并將其與逆變器閉環輸出阻抗進行對比(實際控制參數為實船裝備參數)，如圖5所示。

表1 陸上聯調、實船實驗時的電動機參數

從圖5的計算結果可以看出，整改前參數會使得逆變器輸出阻抗與電動機輸入阻抗存在交叉，且交叉點在逆變器輸出頻率范圍內，不能嚴格滿足式(3)，因此導致系統振蕩。整改前控制參數及3組新控制參數如表2。與整改前參數相比，3組新的控制參數均能有效提高逆變器的輸出阻抗，且保證逆變器輸出阻抗與電動機輸入阻抗沒有交叉點，系統可穩定運行。

圖5 某型逆變器輸出阻抗與兩型電動機輸入阻抗計算結果

表2 某型逆變器環節控制參數

3 試驗驗證

圖6 整改前90 kW電動機定子A相電流

圖7 整改前90 kW電動機電磁轉矩

圖8 整改后90 kW電動機定子A相電流

整改參數后在實船上針對該型逆變器進行了問題復現和整改抑制振蕩試驗、控制參數調整后靜止主變的并網和并聯試驗、實船現有負載條件下的靜止主變負載突加及突缷試驗，試驗結果如圖6-圖9所示。結果表明：通過調節逆變器交流電壓控制參數來抑制振蕩是有效的。

圖9 整改后90 kW電動機電磁轉矩

4 結論

綜上所述，船用逆變器帶電動機負載穩定性與兩者阻抗匹配有關。該振蕩問題與電機的功率等級有關，最終反映在阻抗匹配問題上。逆變器輸出阻抗特性偏軟，在工作頻率范圍內出現了逆變器輸出阻抗大于電動機輸入阻抗的情況。合理選用控制參數，可以對逆變器的輸出阻抗特性進行調節，從而到達避開發生振蕩的條件。該方法對其他場合和類型的電力電子設備帶電動機負載穩定性同樣有借鑒意義。

[1] 馬偉明. 電力電子在艦船電力系統中的典型應用[J]. 電工技術學報, 2011.

[2] 陳明, 汪光森, 劉德紅, 等. 多重化雙向DC-DC 變換器復合校正雙閉環控制策略研究[J]. 電力自動化.

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[4] 崔建明. 逆變器驅動異步電動機的穩定性分析[J]. 太原理工大學學報, 1999(01): 45-48.

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[7] 姚家祎. 三相交流異步電動機阻抗參數計算[J]. 建筑電氣, 2016, 35(4): 21-24.

[8] H. Wayne Beaty. 電力計算手冊 M . 第 3 版.北京中國電力出版社, 2007.

Stable Analysis of Ship Inverter with Electric-motors

Li Xingdong, Wang Yongmao, Yan Lun

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

U665.14; TM464

A

1003-4862(2019)12-0058-04

2019-09-04

李興東(1987-），男，工程師。研究方向：船舶電力系統。E-mail: liznrn@126.com