基于船舶电网的三相PWM 整流器控制策略

陈 涛，张谢天，杨恒瑞

（1. 海装上海局驻上海地区第一军事代表室，上海 201913，2. 上海船舶设备研究所，上海 200031）

0 引言

陆上电网是无限容量系统，而船舶电网是独立的有限容量系统，船舶电力容量与陆上电网相比是有限的[1]。在许多应用中，船舶设备都需要使用整流器，特别是电力推进在船舶中的应用越来越多。传统整流器在运行过程中具有两个固有问题：输入功率因数低以及造成电流谐波输入。

这些问题对有限容量的船舶电网的影响也就更加突出，PWM整流技术是从根本上解决低功率因数和输入电流的畸变的一个积极有效的方法[2-4]。同时采用无电网电压传感器的控制策略可以降低成本，节省空间。这些特性对于提高船舶航行的能耗比，提高船舶空间的利用效率具有十分重要的作用。

PWM整流器的发展似乎停滞在了十几年前，传统全控制装置整流器的桥接模式仍在使用之中。研究人员提出了对并网测电流进行控制，使其电流波形可以更好地与电压波形相匹配。电压型PWM整流器的并网侧电流控制策略分为2种：1）间接电流控制策略；2）控制目前占主导地位的直流电的策略。在此基础上，近年来有研究人员提出了新的控制方法，包括无网络电压传感器、虚拟流量定向以及这两种方法的结合[5-10]。矢量控制可以采用电压定向控制方法也可以采用虚拟磁链定向控制方法，但是虚拟磁链定向的控制方式对谐波和干扰有良好的抑制作用，同时可以不用电网电压传感器，这样既可以减小体积，又可以减小成本，同时还可以提高控制性能。因此对不带电网电压传感器虚拟磁链定向控制方法的研究更具有实用价值。

图1 d 轴虚拟电网磁链定向的三相VSR 稳态矢量图

1 虚拟磁链定向矢量控制原理

图2给出了三相PWM整流器的主电路。其中ea、eb、ec为三相电网电压，L、R为输入电抗器的电感和电阻，v0为直流母线电压；其与逆变器供电的三相交流电机的定子电路有很大的相似之处。PWM整流器可以看作由逆变器供电的同步电机，以定子电阻和漏电感为和，同时以恒速运行[2]。

图2 三相PWM 整流器的主电路

1.1 虚拟磁链观测传统方法

在虚拟磁链估计中，初始位置的误差是实际存在的。为了解决纯积分器的初值问题，通常采用1阶惯性滤波器1/(s+ωc)来代替磁链估计中的纯积分器1/s。从1阶滤波器的表达式可知，当ωc足够小时，滤波器可视为积分器，当ω接近ωc时，滤波器表现出随时间对初始分量具有衰减作用。如图3所示，当正弦波信号输入积分器后，此处相当于交流侧电压信号输入，从解析式来看，正弦信号如果初始值不在峰值处，则积分器输出会出现直流偏移，而1阶滤波器的输出直流分量随时间快速衰减。采用纯积分器的输出信号始终含有直流分量，而准积分器的输出信号直流分量很快可衰减为0，信号仍然以0为中心交替变化[18]。

图3 纯积分和1 阶惯性环节对正弦信号的响应

由图3可知，1阶惯性滤波器1/(s+ωc)对于直流偏置量φ0有衰减作用。同时也可将其看成一个直流量的输入导致的结果，对1阶惯性滤波器1/(s+ωc)进行频域的分析可知，当ω=0时，1/(s+ωc)的幅频特性是衰减的，衰减幅度由ωc决定，而相位没有偏差。按照ωc＜10%＜ω对ωc进行取值。虚拟电网磁链观测器的原理框图见图4。

图4 虚拟电网磁链观测器

1.2 新颖的无直流偏移的积分算法

可以用2个或3个1阶低通滤波器代替纯积分环节，如式（1）：

图5 新颖的虚拟电网磁链观测器

在用一阶惯性环节时对ωc的选取采用了一个折中原则，即ωc＜10%ω。但是衰减需要时间，所以从图6中明显可以看出：新颖算法比传统方式反应更快。

图6 2 种观测方式的比较

图6 2 种观测方式的比较（续）

1.3 电压定向和磁链定向的区别

2种方式的区别主要是对定向时θ角的求取。

由式（2）和式（3）可以看出：θe受eα、eβ的影响，而式（3）中θψ受eα、eβ的影响较小，由于积分的低通特性，n次谐波被消减了(1/n)倍，同时高频的开关谐波也被消减了。因此，采用虚拟磁通定向控制可以有很好的抑制谐波和干扰的效果。

2 采用不同虚拟电网磁链观测方法PWM整流器控制系统仿真

在分析了上述无电网电压传感器的虚拟电网磁链定向矢量控制策略的基础上，设计了单位功率因数PWM整流器的仿真模型。结合新旧虚拟磁链观测方法的具体仿真比较波形见图7。

如图7所示，在保持超调量基本不变的情况下，采用积分法直接观察磁链时，电压的动态和稳态特性最差。改进后，新型磁链观测方法的响应速度比传统方法更快；稳定后，新磁链观测方法的稳态误差小于传统方法。

图7 不同磁链观测方式下的电压响应波形

交流侧三相电流波形如图8所示。采用积分法、传统法和新法都可以保证三相交流电的平衡。但是用积分法可以看出有明显的不对称性，幅度偏差在10 A左右，如图8(a)所示；传统方法好一点，幅度偏差在4A左右，如图8(b)所示；新方法最好，效果更好，如图8(c)所示。

图 8 交流侧三相电流波形

使用无电网电压传感器的虚拟磁链定向控制策略来保证功率因数为1。如图9所示，在3种方法中，无论是积分方法、传统方法还是改进的磁链观测方法，都能确保电压和电流同相，功率因数为1。

图9 交流侧电压电流相位比较波形

如图10所示，在3种磁链观测方法的交流侧电流谱图中可以看出，采用积分观测的磁链总谐波量为33.56%，传统方法为3.02%，提升明显，但新方法后谐波总量为1.73%，谐波总量又减少了近50%，效果更好。

图10 交流侧电流频谱图像

本文采用了突加负载的方法，进行无电网电压传感器虚拟磁链方向矢量控制策略时的抗扰动性能分析。如图11所示，新的磁链观测方法在响应速度方面是最快的，稳态的效果也是最好的。

图11 负载突然增加时的动态波形

当负载突然增加时，交流侧的三相电流波形变化如图12所示。3种方法的反应都很及时，效果基本一致。

图12 交流测量电流变化波形

如图13所示，三相电网交流侧的电流在突然增加负载后增加，功率因数仍然保证为1，进一步验证了PWM整流器的高功率因数特性。

图13 交流测得的电压电流相位波形

3 结论

本文从三相PWM整流器主电路拓扑结构分析了基于无电网电压传感器的虚拟磁链定向的系统模型。在此基础上，提出了新的无直流偏置虚拟磁链观测算法，并应用于无电源电压传感器的三相PWM整流器磁链方向矢量控制法。使用该策略的仿真结果验证了新方法的正确性和优越性，对进一步提高PWM整流器性能有很大帮助。

PWM整流器具有高功率因数、低谐波负载、双向能流、恒定直流电压控制等优点。在有源滤波、功率补偿、潮流控制、太阳能、交流和直流输电系统等领域有着广阔的应用前景。而三相无电压传感器PWM整流器在船用电网中的应用，对于进一步提高船舶电网利用效率和船舶空间利用效率具有积极意义。