船用逆變電源負(fù)載短路控制技術(shù)研究

彭娟娟，黃民發(fā)，劉 洋，沈 鴻

應(yīng)用研究

船用逆變電源負(fù)載短路控制技術(shù)研究

彭娟娟，黃民發(fā)，劉 洋，沈 鴻

（武漢電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430000）

為提高船舶日用電網(wǎng)的可靠性，本文首先給出了逆變電源主電路拓?fù)洳?duì)日用電網(wǎng)三種負(fù)載短路形式進(jìn)行了分析；然后提出了基于經(jīng)典PI調(diào)節(jié)器和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略并建立了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)模型；最后在MATLAB仿真環(huán)境對(duì)所選控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，給出了仿真波形及分析結(jié)果，驗(yàn)證了控制策略的有效性。

負(fù)載短路 雙閉環(huán) 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器

0 引言

船舶日用電網(wǎng)用于為照明、水泵、風(fēng)機(jī)等小功率設(shè)備供電，用電設(shè)備品種廣、數(shù)量多，在長(zhǎng)期使用中易發(fā)生負(fù)載短路故障[1-2]。為提高其可靠性和電網(wǎng)品質(zhì)，減小設(shè)備體積，高性能船舶多選用船用逆變電源給船舶日用電網(wǎng)供電，當(dāng)船舶日用電網(wǎng)發(fā)生負(fù)載側(cè)短路時(shí)，逆變電源正常運(yùn)行但會(huì)提供較大短路電流，短路點(diǎn)被旁路后逆變電源自動(dòng)恢復(fù)正常供電。因此，如何合理地設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器和選用控制策略，保證在負(fù)載短路時(shí)逆變電源能快速限制短路電流，確保短路電流被限制在安全范圍內(nèi)，旁路后逆變電源能快速恢復(fù)輸出電壓給負(fù)載供電成為亟待解決的問(wèn)題[3-4]。

1 船用逆變電源負(fù)載短路分析

船用逆交電源負(fù)載短路分為單相對(duì)地短路、兩相對(duì)地短路、三相對(duì)地短路、兩相相間短路和三相相間短路，分析如下:

1）單相對(duì)地短路：包括A、B或C對(duì)地短路，在此，以A點(diǎn)對(duì)地短路為例分析。逆變電源經(jīng)正弦波濾波電感、直流支撐電容中性點(diǎn)接地電容和大地形成回路，由于直流支撐電容中性點(diǎn)接地電容nF級(jí)，因此對(duì)地短路電流很小。

2）兩相對(duì)地短路：包括A、B對(duì)地短路、B、C對(duì)地短路和C、A對(duì)地短路三種，在此，以A、B對(duì)地短路為例分析。存在兩個(gè)回路，逆變電源經(jīng)正弦波濾波電感、直流支撐電容中性點(diǎn)接地電容和大地形成回路，由于直流支撐電容中性點(diǎn)接地電容nF級(jí)，該回路電流很小；逆變電源A相電壓經(jīng)A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，形成相間短路。

3）三相對(duì)地短路：包括逆變電源經(jīng)正弦波濾波電感、直流支撐電容中性點(diǎn)接地電容與大地形成回路，由于直流支撐電容中性點(diǎn)接地電容為nF級(jí)，短路電流很小；逆變電源A相電壓經(jīng)A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，造成相間短路；逆變電源B相電壓經(jīng)B相正弦波濾波電感、C相正弦波濾波電感和逆變電源C相電壓形成回路，造成相間短路。

4）兩相相間短路：包括A、B相間短路、B、C相間短路和C、A相間短路三種。以A、B相間短路為例分析。逆變電源A相電壓經(jīng)A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，形成相間短路。

5）三相相間短路：逆變電源A相電壓經(jīng)A相正弦波濾波電感、B相正弦波濾波電感和逆變電源B相電壓形成回路，造成短路;逆變電源B相電壓經(jīng)B相正弦波濾波電感、C相正弦波濾波電感和逆變電源C相電壓形成回路，造成短路。

2 船用逆變電源負(fù)載短路控制策略研究

2.1 船用逆變電源負(fù)載短路控制策略

船用逆變電源控制中需保證輸出電壓恒定、同時(shí)要求在短路時(shí)，逆變電源能將電流限制在安全范圍內(nèi)，因此逆變電源屏控制采取電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方案[5]。船用逆變電源檢測(cè)斷路器后端電壓，若有電壓，則電壓閉環(huán)的給定相位為斷路器后端電壓相位，若無(wú)電壓，則電壓閉環(huán)的給定相位由控制器產(chǎn)生。船用逆變電源控制策略框圖如圖1所示。

圖1 船用逆變電源控制策略框圖

2.2 船用逆變電源動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

當(dāng)船船舶日用電網(wǎng)發(fā)生負(fù)載短路時(shí)，船用逆變電源的輸出電流會(huì)急劇上升，為保證其不產(chǎn)生過(guò)流故障，必須快速地電流限制在過(guò)流故障閥值內(nèi)，同時(shí)保證船用逆變電源可以輸出大電流。

船船舶日用電網(wǎng)發(fā)生負(fù)載短路時(shí)，負(fù)載電流急劇上升，單純依靠提高經(jīng)典PI調(diào)節(jié)器的響應(yīng)速度來(lái)滿足預(yù)定指標(biāo)，可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)參數(shù)過(guò)大，使控制系統(tǒng)處于振蕩的邊緣，降低了設(shè)備的可靠性。因此，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器，使得在正弦輸入量激勵(lì)下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零，可將船用逆變電源負(fù)載短路電流快速限制在船用逆變電源電流限定值內(nèi)，成為提高船用逆變電源可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

要求系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，即控制系統(tǒng)輸入端穩(wěn)態(tài)誤差為零，同時(shí)在擾動(dòng)源的激勵(lì)下，輸出端穩(wěn)態(tài)誤差為零，一般采取自適應(yīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，加入動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器補(bǔ)償擾動(dòng)影響，因此，船用逆變電源穩(wěn)態(tài)性能主要是分析在正弦輸入源激勵(lì)下的控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差收斂情況，為調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 船用逆變電源負(fù)載短路控制策略仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)建模方法的可行性及選擇性保護(hù)的正確性，仿真模型如圖2所示，主回路由直流電壓源、3相逆變器、正弦波濾波器、變壓器和阻感負(fù)載裝置組成，主回路仿真步長(zhǎng)，逆變器開(kāi)關(guān)頻率4 kHz，逆變電源輸出額定線電壓400 V，額定相電流720 A。

圖2 逆變電源仿真框圖

3.1 船用逆變電源負(fù)載兩相相間短路

兩相相間短路包括A. B相間短路、B、C相間短路和C、A相間短路三種，在此，以A、B相間短路為例開(kāi)展仿真驗(yàn)證，仿真波形如圖3所示。船用逆變電源負(fù)載A、B相間短路瞬間，逆變電源輸出電流急劇上升，電流上升至峰值時(shí)，電流限制功能起作用，船用逆變電源輸出電壓快速降低，輸出電流被限定在峰值以內(nèi)，船用逆變電源負(fù)載A、B相間短路恢復(fù)瞬間，逆變電源輸出電壓快速增加，輸出電流減小，0.925 s之后船用逆變電源輸出電壓恢復(fù)。

3.2 短船用逆變電源負(fù)載三相相間短路

船用逆變電源負(fù)載三相相間短路瞬間，逆變電源輸出電流急劇上升，電流上升至峰值時(shí)，電流限制功能起作用，逆變電源屏輸出電壓快速降低，輸出電流被限定在峰值以內(nèi)，船用逆變電源負(fù)載三相相間短路恢復(fù)瞬間，逆變電源輸出電壓快速增加，輸出電流減小，0.925 s后，船用逆變電源輸出電壓恢復(fù)。仿真波形如圖4所示。

4 小結(jié)

文以船用逆變電源為主要研究對(duì)象，闡述并分析了船用逆變電源工作原理、控制策略。針對(duì)船用逆變電源負(fù)載短路故障進(jìn)行了分析，建立了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償調(diào)節(jié)器數(shù)學(xué)模型并對(duì)船用逆變電源負(fù)載短路控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文選用的控制策略可快速將負(fù)載短路電流限定在船用逆變電源安全工作范圍內(nèi)，滿足船用逆變電源的功能、性能需求，研究成果具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 馬偉明. 艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2002(6): 1-5, 9.

[2] 徐正喜, 楊金成, 吳大立, 等. 基于逆變電源組網(wǎng)的綜合電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)研究[J]. 船電技術(shù), 2011, 31(7): 1-4, 74.

[3] 柳彬, 謝煒, 余躍聽(tīng), 等. 逆變電源短路保護(hù)及限流策略[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2011, 33(8): 95-98, 129.

[4] 張志, 彭曉濤, 李曉寧, 等. 改進(jìn)的多母線船舶電力系統(tǒng)短路電流計(jì)算方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2013, 37(8): 2212-2217.

[5] 張勤進(jìn). 基于自適應(yīng)滑模的船舶微電網(wǎng)多模式運(yùn)行控制研究[D]. 大連: 大連海事大學(xué), 2015.

Research on load short control technology of marine inverter power

Peng Juanjuan, Huang Minfa, Liu Yang, Shen Hong

（Wuhan Electirc Power Technical College , Wuhan 430000）

TP273

A

1003-4862（2022）12-0005-03

2022-07-19

彭娟娟（1983-），女，高級(jí)工程師。主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏ο到y(tǒng)、電力營(yíng)銷。E-mail: 15902791474@163.com