电力推进船舶有源滤波器的电压环设计

(南通航运职业技术学院，江苏南通 226010)

相比于普通船舶的推进系统，电力推进船舶具有效率高、机动性能好、噪音低、污染小等优点，因电力推进系统需要采用大量变频装置，其包含二极管、晶闸管等电力电子器件[1]，大量电力电子器件是电力推进船舶电网谐波的主要来源。船用电力系统对于谐波比较敏感，电力系统中高次谐波的产生会对计算机系统或者通信系统形成干扰，对船舶的正常运行造成影响[2]，因此谐波抑制对于优化电网环境起到了至关重要的作用。

目前在船舶电网谐波抑制方面，因谐波治理需求迫切，且随着有源电力滤波器的不断发展，根据现场应用的不断改进，有源电力滤波器种类逐渐增多[3]。为了保证有源电力滤波器的良好运行，直流侧电压需要基本稳定在一个值，但是由于开关器件频繁的开断会产生能量损耗，所以需要对直流侧电压进行干预控制。直流侧电压稳定是谐波补偿的基础，由于能量损耗，使得电容电压不稳定，针对这一问题对直流侧电压进行了PI控制器设计，有效解决了直流侧电压不稳定问题。

1 电压环控制原理

直流母线电容为并联有源电力滤波器的工作提供直流电压，理想情况下直流侧电压会自动保持稳定，但由于变流器存在开关损耗等原因，并受网侧和负载侧能量流动的影响，变流器直流侧电压往往会出现较大波动[2]，若不加以控制将影响到补偿装置的正常工作。因此，在变流器工作时，必须将直流侧电容电压控制在一个稳定值上，以保证APF装置良好的补偿性能。

对APF直流侧电压控制，可以采用独立电源方式，由二极管整流电路给变流器直流母线电容供电，这种方式虽然能达到电容电压控制的目的，但需增加一套设备，系统也将更加复杂，同时增加系统的成本和功耗。因此，实际应用中通常采用另一种更为简单的方式，即通过对APF主电路进行适当控制，根据能量守恒原理，在指令电流中叠加一定的有功电流分量，使变流器交直流侧之间进行能量交换，从而实现直流侧电压的稳压控制。

对于三相三线制系统，三相瞬时无功功率之和为零，APF交直流侧的能量交换取决于瞬时有功功率，瞬时有功功率的变化将直接影响直流侧电压波动[2]。可对瞬时有功电流进行补偿以达到系统有功功率平衡的目的，从而稳定APF直流侧电压，加入直流侧电压控制的FBD谐波检测原理如图1所示。

图1 加入直流侧电压控制的检测原理图

PI控制器根据直流侧电容电压实际值与参考值之间的差值，从电网侧吸收或者发出有功的电流值，来平衡直流侧电容的电压值。PI控制器的设计对于电力推进船舶有两个优点：

(1)当电力推进船舶加入大负载时或者参考电压突变时，直流侧电压能够适时的改变；

(2)对直流侧的稳压控制有良好的鲁棒性[2]。

2 电压环控制设计

2.1 基于PI调节器的电压环控制设计

图2 直流侧电压控制原理结构图

根据图2，由有功电导直流分量与参考电压信号得到基波正序有功分量，叠加Δip后附加的三相基波正序有功电流为：

(1)

电网相电压有效值为E，则叠加的补偿量产生的附加有功功率为：

(2)

假设ΔP经时间Δt，并造成直流侧电压大小变化ΔUdc，则有：

(3)

(4)

当Δt→0时，认为直流侧电压稳定，则有：

(5)

对式(5)进行拉氏变换得到：

(6)

即是说被控对象传递函数为：

(7)

为取得理想补偿效果，需要采取合适的控制手段稳定直流母线电压。由于直流侧电压给定为直流量，可采用传统的PI控制策略，采用PI调节器的直流侧电压控制框图如图3所示[5]。

图3 采用PI调节器的直流侧电压控制框图

设PI调节器的传递函数为：

(8)

式中，KvP为比例系数，KvI为积分系数。则系统的开环传递函数为：

(9)

式(9)是一个典型II型系统，中频环宽为：

hv=τv/Tv

(10)

由典型II型系统控制器参数整定关系得到[6]：

(11)

考虑到对电压环控制系统抗扰性以及跟随性的要求，一般取中频环宽hv=5，代入上式计算得到PI调节器的参数为：

(12)

将本文参数代入公式(12)，可得到电压环PI调节器参数为：比例系数KvP=0.28，积分系数KvI=2.81。

2.2 设计验证

根据所设计的PI控制器及其相应参数，电压控制系统得到的阶跃响应曲线如图4所示，由曲线可以看出，设计的控制系统虽然存在一定超调，但其动态响应速度较快，基本可以实现系统的稳定。

图5为电压控制系统的波特图，从图中可以看出，其幅值裕度约为41.1，而相角裕度近似无穷大，理论上可以满足二阶控制系统对于稳定性的基本要求，由此验证了本文所设计的APF电压控制系统的正确性。

图4 电压控制系统阶跃响应曲线

图5 电压控制系统波特图

3 仿真分析

3.1 仿真参数设定

为了验证电压环PI控制方式的有效性，基于Matlab/Simulink环境搭建仿真模型进行了对比的模拟分析。其主要的仿真参数为：网侧电压额定值660 V；所采用的模拟电力推进船舶谐波源为非线性阻感负载，其前端为二极管整流单元；变流器的电容为4 500 μF，其给定电压值为2 000 V；交流侧电感值为4 mH；为了能观察所研究的控制系统在跳变负载下的响应速度，设置于负载等值的跳变电阻。仿真中，设置计算机的结算步长为100 kHz，开关频率为10 kHz。

3.2 基于PI调节器的电压环控制仿真

为了验证直流侧电流PI控制方法的有效性，基于MATLAB/Simulink环境搭建了仿真模型进行模拟分析。在仿真中，电流跟踪控制器为基于重复控制的改进无差拍控制器，图6为直流侧电压实际值的检测环节，通过对APF变流器直流侧的电容电压值进行采样测量，可以得到当前时刻的直流侧电压值。

图6 直流侧实际电容电压值的检测环节

图7 APF直流侧电压控制原理图

图7为APF直流侧电压控制的原理图，可以看出经过采样得到的直流侧实际电容电压值与给定电压值(2 000 V)进行比较，能够得到期望与给定值之间的偏差，由本文所研究的PI控制器进行跟踪控制以后送至检测环节的有功通道，便可得到直流侧有功功率的需求控制值，最终得以实现APF直流侧电压的稳定。

图8为APF变流器直流侧电压不加控制时的电压波形图，根据波形可以看出，直流侧电压值一直处于上升的趋势中，这将给电容器和APF的稳定性带来不利影响。

图8 电容电压不加控制的波形图

图9为APF变流器直流侧电压加PI控制时的电压波形图，根据波形可以看出，直流侧电压得到了较好控制，不但前期电容电压能够快速响应，同时在负载跳变点处，电压也能够维持在稳定水平。根据波形可知，采用所研究的PI控制器进行控制以后，直流侧电压得到了较好的动态平衡控制，能够为APF正常且高效工作提供了较为有力的支撑。

图9 电容电压PI控制的波形图

4 结 语

本文介绍了电压环控制的原理，并针对电力推进船舶有源电力滤波器的电压环进行了设计研究。为了保证直流侧电压的稳定以及系统的安全运行，采用了基于PI调节器直流侧电压控制，研究了PI调节器直流侧电压控制的结构以及数学模型，验证了电压控制系统的稳定性，通过PI调节器对直流侧电压进行了有效控制。

从仿真结果中可以看出，在没有加入PI调节器时，直流侧储能电容的电压波形发散。而加入PI调节器对并联有源电力滤波器的电压环控制后，直流侧电压稳定在2 000 V，储能电容的电压波形在一个周波内便能实现稳定，且其波动范围较小，Matlab仿真结果验证了所设计的PI控制器动态性能与控制精度的合理性。