基于PR控制策略的船用数字逆变电源研究

张怀亮，何金平



基于PR控制策略的船用数字逆变电源研究

张怀亮1，何金平2

(1．海军装备采购中心，北京 100071；2．武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

本文针对船用交流日用负荷的特点，设计开发了基于PR控制策略的船用三相数字逆变电源；由于采用了瞬时电压和电流控制方式，使得逆变电源的具有较快的动态特性；通过单双环快速切换，实现了逆变电源短路限流。通过实验对上述功能进行了验证。

逆变电源 PR控制 短路限流

0 引言

为了满足船上众多交流日用负荷的用电需求，需要采用逆变电源将蓄电池提供的直流电转换成日用负荷可用的交流电。

根据船规要求，船用交流电源的电压畸变率THDv要小于5%，当逆变电源带非线性负载时，如二极管整流负荷，由于交流滤波器的压降，会导致逆变电源的输出电压含有大量的低次谐波，以5次和7次为主。若不采取措施加以抑制，在非线性负荷较重时，逆变电源的THDv很容易超出规定的要求[1]。另外，船规对交流电源的稳态和动态性能都做出了要求，这就要求逆变电源不仅要从带稳态平衡负载和不平衡负载考量，还要从带平衡负载时的动态切换和带不平衡负载时的切换进行考量。由于数字逆变电源采用的是电力电子器件作为功率变换器，功率器件对短路电流的承受能力有限。负载短路后，短路电流远远大于额定电流，为了保护功率器件的安全，在检测到故障短路后，通常的做法是尽快关闭逆变器，而且越快越好。但是在船舶应用领域，为了提高供电可靠性，负载支路故障时，要求只切除故障回路而不影响其他供电支路。因此，逆变电源在检测到短路后马上停机显然是不合规范的。这就要求逆变电源具有短路限流能力，在故障时能够将电流限定在一定范围内，待故障切除后能够马上恢复供电。

根据以上要求，本文设计开发了船用数字逆变电源，采用基于瞬时值控制的双环控制方式，提高逆变电源的响应速度；并在dq坐标系下的电压外环增加了1次和6次基波频率的谐振算子，提高其在带不平衡负载时的电压精度，降低带非线性负载时的THDv；通过单环和双环的快速切换，实现了逆变电源短路限流功能。

1 数字逆变电源的结构

本文设计的数字逆变电源从结构上可以分为主回路和控制回路两个部分。如图1所示。

主回路部分主要包含直流电容、IGBT桥和LC滤波器。考虑到IGBT的散热问题，采用涡轮风机对散热片进行散热，并设计了良好的风道，保证满负荷运行时，IGBT的温度在正常范围内。为减小母排寄生电感在功率器件上引起的电压尖峰，设计采用了下沉母排的形式，有效的降低了母排寄生电感，IGBT只采用简单的电容吸收电路，就能很好的抑制过电压尖峰。

控制回路主要包含信号调理板和DSP控制板。本文设计的数字逆变电源需要采7路模拟量，包括1路直流电压、三路滤波电容电压和三路滤波电感电流。采用AD公司的AD7606芯片作为数字采样的核心。这款芯片具有最高200k的采样速率，与DSP通过数据总线连接，并且单电源供电，具有8路可正负输入的AD采样，非常适合高速数字控制电路的应用。主控芯片采用的是德州仪器公司的DSP28335，具有最高150M的运行速度，尤其是这款DSP内涵一个浮点运算单元（FPU），相对于定点DSP，这款DSP的浮点运算能力有了极大的提高，免去了繁琐的Q格式转换计算，非常适合需要反复进行复杂控制运算的场合。控制电路引出了逆变电源的启停、复位控制信号和正常及故障状态信号，方便现地操作或与外部其他控制电路接口进行遥控操作。集成的RS485通讯口，还能与上位机进行数据交换，方便实现远程监控功能。

2 控制策略

为方便控制器设计，控制器状态变量通过dq变换，将三相交流电压、三相交流电流由3相静止坐标变换到两相旋转坐标系下的d轴电压电流和q轴的电压电流。原来的基波量变成了直流量，易化了控制器的设计。但是在dq轴坐标系下，d轴和q轴的状态量产生了耦合[2-3]。为简化控制器设计，忽略dq轴状态量的耦合，在dq轴采用电容电压外环、电感电流内环的双环控制策略，正常运行时双环同时工作，将负载电流视为干扰；短路工况下外环被旁路，内环指令为恒定值，仅内环工作，此时将电容电压视为干扰，被控对象模型为单电感模型。以d轴控制为例，系统控制框图如图2所示：（q轴控制完全相同，差异仅在于dq轴控制指令不一样）。

i:负载电流；

v:输出电压；

v:输出电压参考值；

G:电压外环控制器；

I:短路限流参考值；

i:电流参考值；

G:电流内环控制器；

G:数字控制器延时；

K:逆变器桥增益。

2.1 电流内环

电流内环控制器采用常用的PI调节器，电流内环的框图如图3所示。

其开环传递函数为

其中Gd中的延时包括数字控制的一拍滞后和ZOH环节的半拍滞后，滞后时间为1.5 Ts。数字域下系统开环传递函数为：

2.2 电压外环

由于R控制器参数可做独立设计，对系统稳定性影响不大，设计时先设计PI控制器，再根据运行实际情况调整R控制器。外环控制对象传递函数为：

前文已提到，为了使逆变电源带整流型非线性负载时，降低输出电压中的5次和7次谐波，电压控制器中加入了谐振频率为300 Hz（6次谐波）的谐振控制器；为了降低带不平衡负载时输出电压中的2次谐波，电压控制器中加入了谐振频率为50Hz的谐振控制器。因此，电压谐振控制器[4-5]可表示为：

其中，Kprv、Kirv和Kp6rv、Ki6rv分别为谐振频率为50 Hz和600 Hz时的比例控制参数和谐振控制参数，控制器具体参数的数值可通过极点配置法进行计算，并在实验当中进行调整。

2.3 短路限流切换

输出发生短路故障时，故障电流迅速上升，同时输出电压迅速下降。系统采样速度为12 kHz，因此，判断系统发生故障的最长时间为0.8 ms左右，在此期间，由于有电感的限流作用，短路电流不会上升很快。在系统判断除发生短路后，控制器瞬时从双环切换到单环限流运行，单环为电流环，用以迅速限值短路电流大小。限流电流的大小跟踪给定值。在短路故障切除后，控制器瞬时从单环运行切换到双环运行，逆变器恢复正常。短路恢复的判据为电压明显升高。

3 实验及分析

根据以上分析，对开发的40 kW逆变电源进行了实验验证，直流输入电压560 VDC，交流输出设定为三相 375 VAC。实验内容包括稳态测试和动态测试。稳态实验分为带平衡负载和不平衡负载输出电压的幅值及THD，动态测试包含平衡和不平衡负载时满载到空载切换以及短路切换实验。

稳态带平衡负荷时，输出电压精度达到0.21%，线性负荷时的THDv=0.2%，二极管整流负载时THDv=2.5%；带不平衡负载时电压精度达到0.4%，线性负荷时THDv=0.7%，非线性负荷时THDv=2.8%，均满足设计要求，如图4所示，分别是带线性负载和整流负载时的一相输出电压波形。

图5所示为逆变电源带平衡三相负载时，空载到满载切换的过程(红、黄为AB和BC线电压，绿色为A相电流，以下同)，在切换过程中，输出电压的峰值达到557 V，动态电压的波动范围达到8.66%，恢复时间小于2 ms，满足规范要求。

图6所示为平衡负载时，负载在空载和满载之间不断切换的动态过程，图(a)显示在切除满载时引起的输出电压超调，在577V左右；图(b)显示在电压超调到恢复到正常电压水平的时间，在2 ms左右。带不平衡负载时的超调电压及恢复时间具有相似的情况。

图7所示为逆变电源带不平衡三相负载时，空载到满载切换的过程，在切换过程中，输出电压的峰值达到582 V，动态电压的波动范围达到9.61%，恢复时间小于2 ms，满足规范要求。

图8所示为三相空载时，输出三相短路及恢复波形，从波形可以看出，输出短路后，输出电压基本为0，而输出电流限定在峰值150 A左右，故障切除后，系统电压恢复，恢复时间在2 ms左右，输出电流接近0 A。

4 结论

本文针对船用交流日用负荷的特点及要求，本文设计开发了基于PR控制策略的船用三相数字逆变电源；通过瞬时控制方式，由于采用了瞬时电压和电流控制方式，使得逆变电源的具有较快的动态特性；通过单双环快速切换，实现了逆变电源短路限流。通过实验对上述功能进行了验证。

[1] 中国船级社. 钢制海船入级规范[S]. 2009.

[2] 李永坚, 黄绍平. 带LC滤波的三相逆变器的比例谐振控制[J]. 电力电子技术, 2011, 45(6): 76-78.

[3] 王继东, 等. 三相光伏并网Z源逆变器的比例谐振控制[J]. 电机与控制学报, 2010, 14(4): 86-91.

[4] 黄如海, 谢少军. 基于比例谐振调节器的逆变器双环控制策略研究[J]. 电工技术学报, 2012, 27(2): 77-81.

[5] 张文娟. 基于比例谐振与重复控制的高性能逆变器研究[J]. 变流技术, 2013, 35(4): 51-53.

Research on Digital Inverter Power Based on PR Control Strategy for A Ship

Zhang Huailiang1, He Jinping2

(1. Armaments Procurement Agency, Naval Equipment Ministry, Beijing 100071, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TN710.9

A

1003-4862（2014）11-0052-04

2014-09-13

张怀亮(1972-)，男，工程师。研究方向：舰船电力系统。