电力推进系统中背靠背交—直流变流器拓扑分析与控制

杨荣如，印德武

1海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 200011

2中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

电力推进系统中背靠背交—直流变流器拓扑分析与控制

杨荣如1，印德武2

1海军装备部驻上海地区军事代表局，上海 200011

2中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

为了解决目前舰艇直流推进电力系统中变流机组机械振动和噪声大的问题，提出了一种以三相交—直流变换和三重化直—直流变换背靠背联接的交—直流双PWM变流器电路拓扑。通过对几种中、大功率密度交—直流PWM变流器电路拓扑的对比分析，表明了该变流器电路拓扑的优越性。同时，构建了以“DSP+FPGA”为核心的数字控制系统，完成了实验原理样机的研制并进行了实验验证。实验结果证实，该变换器电路拓扑不仅实现了变流机组的所有功能，而且功率密度、波形质量等得到显著提升，振动、噪声指标分别降低了20 dB和30 dB。

背靠背交—直流变流器；变流机组；电力推进；静止变流器

0 引 言

在舰艇直流电力推进系统中，往往采用变流机组来实现舰艇的直流供电。变流机组通常由交流机组与直流机组通过机械力矩耦合构成，因具有功率大、带负载能力强、可靠性高等优点，成为舰艇供电系统的首选。近年来，随着国内外对舰艇隐身性能的要求越来越高，变流机组存在的机械振动、噪声以及直流机组换相火花等问题，均直接或间接影响着舰艇生命力以及其战斗力的增强。

随着电力电子技术及数字控制技术的发展，以电力电子功率器件为核心的变流器技术得到了飞速发展，从而引发了各国海军对采用功率器件构成的静止变流器来替代变流机组的思考。早在20世纪90年代，英国海军就开始了相关的理论及实践研究，目前，已研制出静止变流器产品并已装备实船。

受半导体材料及加工技术的限制，我国对静止变流器的研究起步较晚。但由于静止变流器的军事需求，以及其在民用生产方面的用途极其广泛，近年来，在我国取得了飞速发展，一些高校和科研院所进行了广泛而深入的研究，取得了可喜的成绩。

要实现用静止变流器替代变流机组，需要解决两个问题，即静止变流器拓扑方案问题和静止变流器的控制问题。目前，随着数字处理器（DSP）的快速发展，其在软件控制算法、运算速度及实时处理能力等方面已不存在瓶颈问题；而拓扑方案问题则由于与静止变流器能否完全实现变流机组的全部功能以及综合考虑静止变流器在可靠性、体积、散热等方面的因素而成为首要解决的问题。

目前的交、直流静止变流器拓扑还存在不足，一般的电压源型PWM整流器为Boost型变换器，正常工作时，其直流侧电压须高于交流侧电压峰值。在较低的直流电压、大容量应用场合（如直流电力推进），传统的AC/DC整流器就遇到了无法克服的障碍。文献［1］和文献［2］通过对一般的PWM整流器拓扑结构进行改造，实现了直流侧输出相对较低的直流电压。其中文献［1］采用了在交流变换器侧加入降压变压器来实现降压的方法，但在大容量应用场合，该变换器存在功率开关管因过流而极易发生损坏的缺陷；文献［2］是通过在两个半桥式变换器中间加一个高频降压变压器构成的直流变换器来达到降压的目的，但同样也不适合大容量场合。针对上述交—直流变流器电路拓扑上的缺点，本文提出了一种以三相AC/DC PWM变换器和三重化DC/DC变换器为核心构成的背靠背交—直流变流器电路拓扑及其控制。

1 中、大功率交—直流变流器电路拓扑分析

1.1 隔离变压器+三相全控半桥式多功能变换器的拓扑结构（方案1）

该变换器的基本工作原理是，将从交流电网获得的交流电能通过滤波后经隔离变压器降压，然后再采用PWM整流升压成直流电压［3－4］。同样，当采用直流侧供电时，直流电压先经过PWM逆变成交流电压，然后经隔离变压器升压后再经滤波器给交流负载供电。这种拓扑结构的优点是电路结构简单，所需功率开关器件数少，降低了控制难度。当然，它也存在明显的不足，即功率开关管额定状态时承受大电流（其原因在于隔离变压器副边电流是原边电流的n倍，副边电流直接与变换器相联，从而导致功率开关管开通时流过的电流是不采用隔离变压器时的n倍）。该不足可以通过采用多个功率开关管并联的方式加以解决，但同时也会带来多管并联的均流问题。隔离变压器与变换器直接相联的另外一个不足是变换器产生的高频谐波直接注入到了变压器中，造成变压器损耗增加、发热严重，并且变压器产生的电磁噪声也相应增加了。此类拓扑最大的缺点就是当变换器运行在交流发电工况时，如果直流侧发生了短路故障，直流电压就会瞬时降为零，造成三相桥臂输出电压马上降为零，交流侧就会失电，从而实现不了不间断供电的功能。

1.2 三相全控半桥式多功能变换器+隔离式直流双向变换器的拓扑结构（方案2）

该变换器的基本工作原理如下：前级三相全控半桥式多功能变换器作为PWM整流/逆变运行，后级采用2个高频整流/逆变单元和高频变压器完成直流能量的双向传递［5－6］。该拓扑常用于大功率场合，采用移相的方法控制功率的流向和大小，控制方法较简单，并且可以通过引入有源钳位电路、无源谐振电路和饱和电感来使全部功率开关管工作在软开关状态。该方案的缺点是，需要的功率开关管数量较多，同时直流变换器部分是采用高频变压器互感传递能量，受高频铁磁材料及加工工艺的限制，功率变压器的设计成本较高。

1.3 三电平二极管钳位式多功能变换器+直流双向变换器的拓扑结构（方案3）

三电平二极管钳位式多功能变换器中的直流母线电压Vd由两个开关器件分担，分压电容Cd1和Cd2的电压各为Vd/2，钳位二极管将开关的端电压限制在不超过Vd/2，因而相对于二电平变换器来说，三电平变换器开关器件的额定电压可以低一倍，或者说具有同样额定值的开关器件用于三电平变换器时直流母线电压可以高出一倍，因而输出功率也可以大一倍。可见，三电平及多电平变换器适用于大功率、高电压场合［7－8］。

三电平及多电平变换器是通过将直流母线电压分成N－1等分，那么在“+”侧，包括0电平在内，可以得到N个电平值。而且，由于每相的开关模式有N个，所以对于三相变换器，其电压模式可以有N3种选择结果，使得变换器输出电压更接近正弦波，因而可有效降低交流侧谐波。

三电平及多电平变换器虽然具有上述优点，但同时也增加了若干个半导体器件，即每相需要2（N－1）个功率开关器件及与直流分压点相连接的二极管。分压后的直流电压一旦发生平衡崩溃这种极端情况，就会给功率开关器件造成不良影响，或者使交流侧产生偶次谐波等弊害。为了使分压后的电压保持恒定，需控制流至直流电容上的平均电流为零，但是，当电容容量较小时，容易产生过渡过程中的不平衡。

1.4 三相全控半桥式多功能变换器+多重化直流双向变换器的拓扑结构（方案4）

由三相全控半桥式多功能变换器与多重化直流双向变换器构成的交、直流双向变换器拓扑结构［9－10］如图1所示。

图1 三相多功能变换器+多重化直流双向变换器拓扑结构Fig.1 Three phase full－controlled half－bridge converter plus multiphase converter topology

为便于理解和比较，进行如下假设：电路拓扑中的交、直流变换器相当于原变流机组的交流电机；直流双向变换器相当于原变流机组的直流电机；直流母线间的耦合相当于原变流机组间的机械力矩耦合。

该电路图拓扑的基本工作原理是：交、直流变换器从交流电网经隔离变压器、交流滤波器和交流电抗器获得380 V的交流电源。前级多功能变换器作为PWM整流器运行，将380 V的交流电源整流为670 V的直流电源。后级直流双向变换器作为三重化Buck变换器运行，将670 V的直流电源降压为240 V（±20%）的直流电源，经直流滤波器向直流负载供电。

通过与前3种变换器拓扑进行对比发现，方案4具有如下特点：能完全实现变流机组的所有功能，实现对变流机组的真正替代，例如，方案1就实现不了变流机组的不间断供电功能等；工程实现及经济实用性强，例如，方案1对功率开关管功率等级的要求较高，而功率开关管的经济成本是随功率等级的提高而成倍增加。同时，再综合考虑功率开关管的散热及可靠性等方面，方案1也均不理想。与方案4相比，方案2的功率开关管数增加了2只，同时还引进了一个高频变压器，不仅增加了装置的体积，还多增加了一个噪声源，其经济实用性及对舰船的声隐身均欠佳。方案3也存在功率开关管的数量增加太多，经济成本太高的问题。

综上所述，在实现舰艇直流电力推进系统中用静止变流器来替代变流机组方面，因方案4在工程实现及经济性等方面均具有明显的优势，因而成为本文的首选对象。

2 背靠背交—直流变流器的控制

交、直流双向变换器的总体结构如图2所示。系统分为功率变换主电路和控制电路两大部分。主电路采用了AC/DC/DC结构，交流多功能变换器采用三相桥式全控整流电路，采用三相三重化全控桥式电路。因交流多功能变换器和直流双向变换器拓扑结构与外部接口完全相同，因此本文采用了电力电子模块化（PEBB－Power Electronics Building Blocks）设计方案，即将两个IGBT模块（FZ3600R17KE3）采用单元层复合母排连接构成一个功率单元模块。同时功率单元模块还安装了无感吸收电容、驱动与保护电路、控制电源滤波器、散热器、两台直流24 V风机、风机监控器及温度传感器。功率单元模块采用真空钎焊铝合金散热器，具有散热效果好、结构强度高的特点。每个功率变换单元安装的无感电容用于抑制功率器件关断时产生的过电压。驱动和保护电路与控制系统采用光纤连接，以解决抗干扰及电气隔离问题。

图2 交、直流双向变换器系统构成Fig.2 System diagram of bidirectional AC－DC converter

为了使双PWM变流器获得更好的静、动态特性，同时由于PI控制具有结构简单、易于操作且鲁棒性好等优点，交、直流变换器和直流双向变换器均采用电压外环、电流内环的双闭环PI控制。为了提高直流母线的电压利用率，交、直流变换器采用空间矢量PWM调制，而直流双向变换器则采用三相载波移相PWM调制。

3 系统实验研究

为了验证上述控制方法的可行性和正确性，完成了交—直流双PWM变流器系统原理样机的研制，样机的主要参数如下：输出功率Po= 380 kW；隔离变压器采用Y，d11联接，变比390 V/390 V，漏感Lg=50 μH；交流电容器的电容Cf=300 μF；交流电抗器的电感Lm=190 μH；直流母线的电容Cd=81 mF；直流电抗器的电感Lb=400 μH；直流电容器的电容Cb=81 mF；功率开关器件选用Eupec公司型号为FZ3600R17KE3的IGBT模块。同时，采用Ti公司 的 TMS320F2812PGFS和 Altera公 司 的EP1C3T144FPGA构成的数字处理系统来完成控制策略的实现，利用TMS320F2812内部12位的采样通道进行电压、电流采样，采样频率为9.45 kHz；采用TMS320F2812内部的EVA生成用于驱动交、直流变换器的6路PWM脉冲，同时结合FPGA逻辑编程性能优的特点来生成直流双向变换器所需的6路PWM脉冲，开关频率均为3.2 kHz。使用LDS公司的Nicolet数据采集系统进行电压、电流信号的实时采集。

3.1 交—直流变流器与变流机组总体性能对比

试验样机的实验结果与变流机组的性能指标对比如表1所示。

表1 交-直流变流器与变流机组性能对比Tab.1 Performance comparison between motor converter and AC-DC converter

3.2 交—直流变流器实验波形

图3所示为变流器由空载突加380 kW额定直流负载时的实验波形。由图可见，在大负载动态条件下，背靠背变流器系统依然稳定运行，直流母线电压和直流电压约在100 ms内恢复。可见，所采用的控制策略及控制器参数是合理的，控制器的参数也还有进一步优化的空间。

图3 变流器由空载突加380 kW直流负载实验波形Fig.3 DC generation experiment waveforms with load from 0 to 380 kW for AC－DC converter

图4所示为变流器直流侧发生短路时的实验波形。由图可以看出，短路瞬间，短路电流达到约8 000 A时，直流电压接近于零。之后，在调节器的控制下，直流电流快速稳定在3 000 A左右。当短路切除后，直流电压快速恢复至240 V输出。在整个短路过程中，交流电流均无太大冲击。实验结果表明，该变换器具有较强的抗短路能力。

图4 变流器直流短路实验波形Fig.4 DC short circuit experiment waveforms for AC－DC converter

4 结 语

本文通过对几种静止式变流器拓扑进行分析，最后采用了以交、直流变换器和直流双向变换器为核心的背靠背交、直流变流器的电路拓扑。原理样机实验结果表明，该电路拓扑不仅可以实现变流机组的所有功能，而且与变流机组相比，其在功率密度、波形质量、振动和噪声等各项性能技术指标上均具有较大的优势，是一种适合舰艇直流电力推进系统中变流机组的理想替代产品。

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Topology Analysis and Control Strategy of Back-to-Back AC-DC Converters in Naval Electric Propulsion Systems

YANG Rongru1，YIN Dewu2

1 Shanghai Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Shanghai 200011，China

2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

This paper presents a back－to－back AC－DC converter circuit topology with a three phase AC/ DC converter and a triple－channel interleaved DC/DC converter.This converter resolves the mechanical vibration and noise problem of motor units in naval DC electric propulsion systems.Comparison and analysis of several other large power density AC－DC converters reveal the superiority of the proposed one.Meanwhile，the digital control system，based on DSP and FPGA，is built and a corresponding prototype converter is constructed.The experiment results show that the converter not only realizes all functions of conventional motor units and demonstrates excellent performance in power density and waveform quality，but also reduces the vibration and noise by 20 dB and 30 dB.

back－to－back AC－DC converter；motor converter；electric propulsion；static converter

U665.14

A

1673－3185（2013）01－117－06

10.3969/j.issn.1673－3185.2013.01.019

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130116.1426.005.html

2012－04－17 网络出版时间：2013－01－16 14:26

杨荣如（1971－），男，硕士，工程师。研究方向：船舶机电。

印德武（1971－），男，硕士，高级工程师。研究方向：船舶机电。

印德武。

book=8,ebook=180

张智鹏］