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    基于三相逆变器SPWM,控制和CHBPWM,控制的轴带发电机稳压稳频系统仿真研究

    时间：2023-03-24 14:10:04来源：百花范文网本文已影响人

    陈冬兵，张存喜，王 瑞，杨梓强

    （1.浙江海洋大学 海洋装备工程学院，舟山 316022；
    2.浙江海洋大学 船舶与海运学院，舟山 316022）

    船用轴带发电机相对于传统柴油发电机，具有燃油消耗量低，维修费用少，占船舱空间小，噪声低，使得船员的工作环境得到改善等优点，因此，轴带发电机在船舶上的应用越来越广泛。但是轴带发电机也存在着一些问题，船舶航行过程中，不同工况下的主机转速不同，这就使得发电机频率和电压的畸变很大，严重影响了渔船电网。此外，甲板机械、空调制冷设备等驱动电动机的起/停与变负载运行，都将造成船舶电网的瞬间有功功率需求增大。传统轴带发电机系统虽然具有节省能源、降低成本的优势，但其在改善电能质量、占用船舱体积、控制速度等方面有很多不足[1-3]。

    本文在传统轴带发电机发展基础上，针对目前单独的稳压稳频设备在面对复杂海况下，渔船电网出现较长时间电源电力跌落或短期电源电力过高问题时，设备就无法稳压稳频的现象，设计了一套新的轴带发电机系统，并对比研究了SPWM 技术和CHBPWM 技术这两种逆变控制策略，在Matlab 中进行建模仿真发现，在设置较小环宽下，电流滞环控制电路输出的电压更稳定，抗干扰性更好，谐波含量更低。

    1.1 传统轴带发电机系统

    传统的轴带发电机一般使用可控硅轴带发电机，在航行期间，螺旋浆转速变化和船舶负载变化的情况下，仍能够提供恒频恒压的电能给船舶电网[4]，其主要结构原理如图1 所示。

    图1 可控硅轴带发电机系统结构Fig.1 System structure of SCR shaft generator

    渔船航行和工作时主柴油机转速的变化和电网负载的变化会对轴带发电机的转速及轴带发电机输出的端电压、频率产生影响，为了达到稳定电压、频率的目的，传统轴带发电机系统中，整流电路和同步补偿器，励磁电流整流装置和可控硅逆变电路组成的环节构成了轴带发电机稳压稳频系统的最基本控制环节。

    传统轴带发电机系统中，由于采用了可控硅半控型器件，逆变电路中只有直流侧电压大于交流侧时可控硅器件才能导通，造成输出电压中产生较多的谐波，这些谐波会降低渔船电网的功率因数。同时，传统轴带发电机系统使用了同步补偿器提供电网的无功功率，不仅体积重量大，而且损耗和噪声都比较大。

    1.2 系统设计

    对传统轴带发电机进行分析后，设计的轻型稳压稳频系统原理如图2 所示。

    图2 系统原理图Fig.2 System schematic diagram

    首先整流环节采用了不可控整流电路，将传统可控硅整流电路替换成不可控硅整流电路，使得整流触发角为零，提高了轴带发电机的功率因素。考虑到航行中遇到复杂海况以及船舶负载变化引发转速波动，进而造成电压下降，需加入升压电路。在升压环节，系统充分利用Boost 电路升压的特性，同时引入了闭环PID 控制系统优化Boost 电路的功能，使得Boost 电路既具有升压功能又兼有电压稳定功能。稳压稳频系统中的逆变环节，结合渔船的经济性、船舱空间有限等特点，选取三相全桥逆变电路作为渔船电网逆变电路结构主电路，控制电路则分别采用SPWM 和CHBPWM 两种驱动策略。图3 所示为系统主电路。

    图3 轴带发电机稳压稳频系统主电路Fig.3 Main circuit of shaft generator voltage and frequency stabilization system

    三相不可控整流部分，采用的是带电容滤波的三相桥式电路，当负载为空载时，电压平均值Ud==1.41Ul，随着负载加重，直流侧电压将逐渐减小，直至时，电流id进入临界连续整流情况，其输出电压平均值将减小至相电压的2.34倍，即输出直流侧电压：

    在标准的三相电压型逆变电路中，对负载相电压展开成傅里叶级数得[5]：

    式中：n=6k±1，k 为自然数。

    基波幅值UUN1m和基波有效值UUN1分别为

    2.1 SPWM 技术

    与占空比不会发生改变的单位脉冲相比，SPWM 控制更加具有优越性。利用双极性SPWM 调制方式（如图4），通过改变正弦波的幅值来达到改变占空比[5]。脉宽是随着正弦波幅值变化而变化，正弦波的幅值越大，脉宽越大。SPWM 输出经过滤波后是正弦波。

    图4 双极性PWM 控制方式波形Fig.4 Bipolar PWM control mode waveform

    2.2 CHBPWM 控制技术

    CHBPWM 控制技术是一种电流瞬时值比较控制技术，其基本原理是把补偿电流的指令信号与电路真实的补偿电流Ic进行比较，将两者的偏差ΔIc作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生脉冲信号，该脉冲信号经驱动电路来控制主电路中开关的通断，从而控制补偿电流Ic的变化[6]。CHBPWM控制原理如图5 所示。

    图5 原理图Fig.5 Schematic diagram

    CHBPWM 的控制精度与滞环比较器的环宽有关，同时还受功率开关器件允许的开关频率制约。环宽h 设置较大时，可降低开关频率，但是电流波形不但失真较多，而且谐波分量高；
    环宽太小，输出电流波形虽然好，但是开关频率却增大了，增加了损耗。所以在实际应用中，在充分考虑器件开关频率的基础上，择优选择尽可能小的环宽[7]。

    CHBPWM 控制与SPWM 相比具有以下特点：①滞环电流控制是基于电流暂态的控制，属于实时控制，具有动态响应速度快、鲁棒性好的优点；
    ②滞环电流控制不用载波，输出电压波形中不含特定频率的谐波分量，并且硬件电路简单，属于闭环控制。

    3.1 实验参数与主电路仿真

    为了使设计更具有现实性，本文选用舟山渔船码头通用STC2-24-4-H 型号渔船三相同步发电机作为发电装置，其具体参数：额定功率（视在功率）P=22 kW，额定电压（线电压）U=400 V，额定电流I=43.2 A，额定频率f=50 Hz，功率因数λ=0.8，转速范围n=1000～2200 r/min。

    轴带发电机转速工作范围为1000～2200 r/min，当发电机转子绕组励磁电流不变，即产生的励磁磁通不变时，发电机端电压与转子转速成正比，当转速满转时，电源电压有效值为额定电压400 V，当其转速下降到1000 r/min 时，所发电压有效值也同时下降到U=×400=182 V，所以轴带发电机电源电压U 的变化为182～400 V。

    设计时变电压源模拟轴带发电机发出线电压为400 V，频率为50 Hz。船舶实际航行中，在恶劣工况下，驱动电机转速突变会造成发电机电压骤降，所以设计在0.05 s～0.07 s 时，线电压从400 V 变成200 V，模拟这一工况验证系统稳定性，时变电压源波形如图6 所示。

    图6 时变电压源Fig.6 Time varying voltage supply

    针对设计的原理图，在Matlab/Simulink 中搭建了稳压稳频仿真系统，如图7 所示。

    图7 轴带发电机稳压稳频系统仿真系统Fig.7 Simulation system of shaft generator voltage and frequency stabilization system

    搭建的具体不可控整流电路、升压电路、三相逆变电路，如图8 所示。具体仿真主要参数如下：整流电路中滤波电容C=4×10-4F，R=13 Ω，Boost 升压电路中C=7×10-5F，R=13 Ω，仿真时间为0.1 s。

    图8 三相不可控整流电路模型Fig.8 Three phase uncontrollable rectifier circuit model

    当渔船正常航行，即发电机满转时，发电机额定频率工作，由式（1）可知，经整流后的输出直流电压的理论值=1.35×400=540 V。如图8所示，仿真实测值为538.5 V，与理论值540 V 相差1.5 V，误差为0.27%，符合设计标准。

    当轴带同步发电机不在额定正常的工作范围内运行，导致轴带发电机的端电压经不可控整流电路转换后的直流电大小发生变化时，会出现电压下降的情况，故在系统中加入了Boost 升压模块（如图9），并且对其进行PID 闭环控制，对电压波动进行反馈，同时对误差进行修正。

    图9 Boost 升压电路模型Fig.9 Boost circuit model

    本文选取的三相全桥逆变电路（如图10）作为渔船电网逆变电路结构。当采用标准的三相电压型逆变，由式（4）可知，当发电机正常工作时，输出相电压有效值UUN1=0.45×540=243 V。以此做为本文两种控制方式输出电压的理论判断依据。

    3.2 采用SPWM 控制的建模与仿真

    图10 中的PWM 端口接入SPWM 控制器，仿真模型如图11 所示。

    图10 三相逆变电路模型Fig.10 Three phase inverter circuit model

    图11 SPWM 控制器仿真模型Fig.11 SPWM controller simulation model

    经过仿真分析可知输出电压波形和谐波分析分别如图12 和图13 所示。

    图12 三相负载电压波形Fig.12 Three phase load voltage waveform

    由模型仿真分析可知，负载相电压有效值为243.8 V，其中基波有效值如图13 所示为153.2 V，与理论值243 V 相差89.8 V，误差较大，很难满足渔船电网供电需求。对图12 中的负载相电压进行快速傅里叶分析，得到电压谐波总畸变率（THD）为37.38%，从图13 中可以看出该电压谐波分量中900 Hz 谐波分量所占比重较大，所以SPWM 逆变电路经滤波产生的电压质量不是很理想。

    图13 SPWM 逆变相电压谐波总畸变率（THD）Fig.13 Total harmonic distortion rate（THD）of SPWM inverter phase voltage

    3.3 采用CHBPWM 控制的建模与仿真

    为了验证基于滞环控制的轴带发电机稳压稳频系统性能，搭建系统模型如图14 和图15 所示，滞环控制仿真参数设置：上环宽h 为0.3，下环宽h为0.2。

    图14 滞环控制器仿真模型Fig.14 Simulation model of hysteresis controller

    图15 滞环控制器子电路系统Fig.15 Hysteresis controller sub circuit system

    经过仿真分析得出的相电压波形和谐波分析分别如图16 和图17 所示。

    图16 三相负载电压波形Fig.16 Three phase load voltage waveform

    图17 CHBPWM 逆变相电压谐波总畸变率（THD）Fig.17 Total harmonic distortion rate（THD）of CHBPWM inverter phase voltage

    根据模型仿真分析可知，负载相电压有效值为243.6 V，其中基波有效值如图17 中所示为239.2 V，与理论值243 V 相差3.8 V，误差为1.6%，符合设计标准。对其进行快速傅里叶变换分析，该波形相较于SPWM 逆变产生的波形有了大的改善，电压谐波总畸变率（THD）由37.38%下降到11.93%，同时该电压谐波分量中900 Hz 谐波分量的比重也大幅下降，输出电压质量提高。

    本文设计了一种船用轴带发电机稳压稳频系统，并介绍了其组成部分，为了使输出三相交流电更加稳定，具有更好的抗干扰性。对主电路逆变部分的控制方案进行了仿真研究。结果表明，采用的SPWM 调制技术实现起来比较简单，但是输出三相电压分量中的900 Hz 谐波比重较大，而CHBPWM控制策略，由于其不需要使用载波，且设置了较小的固定环宽，输出电压波形中不含特定频率（900 Hz）的谐波分量，控制精度提高了，电压谐波总畸变率明显降低，满足对逆变控制策略快速性、稳定性的要求。说明在此轴带发电机稳压稳频系统中，CHBPWM控制比SPWM 控制更具有优越性。

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