船舶电力系统中源变换器的控制策略

胡晓明

(成都工业学院，四川 成都 611730)

船舶电力系统中源变换器的控制策略

胡晓明

(成都工业学院，四川 成都 611730)

船舶综合电力系统采用集成化技术，在船舶内进行电能的产生、传输、转换和配给，并利用电能作为动力源实现舰船的航行和武器发射。现代舰船上的武器发射系统(如电磁炮、电化学动力炮)、舰载机弹射、回收、电气防护等瞬时功率可达数百兆瓦，对整个电力系统形成极大的冲击，影响供电系统的稳定性。为此，本文分析了恒功率负载和电压负载对舰船综合电力系统稳定性的影响，提出了一种适用于船舶综合电力系统源变换器的恒功率负载电压电流(U-I)单开关周期反馈控制方法，提高了船舶恒功率负载运行的稳定性。

船舶电力系统；源变换器；电压电流反馈；单开关周控制

0 引 言

船舶综合电力系统集成了推进动力系统与船舶配件动力，可分为直流供电系统和交流供电系统，直流供电系统内，直流负载的电力源为直流源变换器[1]。恒定的功率输入对于许多负载至关重要，为此，当负载所需电压改变时，负载连接的源变换器输入电流需要随之升高或降低，以维持恒定功率。

负载变换器对船舶电力系统呈负输入阻抗特性。传统船舶源电力变换器由于设计时未考虑功率负载，其在与多个具有恒功率负载的源变换器级联工作时，稳定性难以得到保证[2-3]。本文分析恒功率负载和电压负载对舰船综合电力系统稳定性的影响，提出一种适用于船舶综合电力系统源变换器的恒功率负载电压电流(U-I)单开关周期反馈控制方法，以提高船舶恒功率负载运行的稳定性。

1 恒功率负载分析

P=(U+Δu)(I+Δi)，

抵消掉相同项，得到：

图1为恒功率负载的U-I特性曲线，初始时系统稳定运行，稳定运行点如图1标识所示。当负载产生电流扰动Δi时，电流由于负载所需电压小于系统电源电压将持续增大，最终偏离稳定运行点A。当负载产生电流扰动-Δi时，为了维持恒定功率运行，负载需求电压高于系统电源电压，电流会持续减小，电压偏离稳定运行点。

图1 恒功率负载扰动后U-I变化曲线Fig.1 The curve of the U-I After the constant power load disturbances

2 拓扑结构

功率开关占空比为功率开关断开时间与单开关周期的比值，其为单开关周期控制的重要参数。通过调节占空比，可使单开关周期内平均闭合时间随负载要求变化，平均值与功率负载输入控制参考量相等或线性变化。复位积分器和比较器是单开关周控制的重要组成元素，如图2所示。时钟脉冲信号CLK通过开关S将实时积分器触发，使其开始工作，积分参数关系Ts=RC。积分值Ve通过比较器与参考值Vref比较，当Ve=Vref时，比较器的输出状态变为高电平，RS触发器的输出状态转变，开关S切掉被控制信号，积分器复位。

将电压反馈控制环节加入单开关周控制系统，构成恒功率负载电压电流(U-I)单开关周期反馈控制，以更好地控制输出电压(见图2)。

图2 (U-I)单开关周期反馈控制原理示意图Fig.2 (U-I)The principle diagram of single cycle feedback control switch

3 源变换器控制系统

根据图2恒功率负载电压电流(U-I)单开关周期反馈控制源变换器控制系统结构图得到的控制系统示意图如图3所示。将闭环传递函数表示为：

Tv(s)=Hv(s)Gv(s)FC(s)Gvd(s)，

图3 U-I双反馈单开关周期控制系统示意图Fig.3 U-I The System schematic diagram of the double feedback and single switch cycle control

由上式计算得到的闭环输出电压可表示为：

单开关周期输出阻抗在同时加入电压反馈和电流反馈后可表示为：

4 阻抗分析

不同控制方式的输出阻抗计算结果如图3所示，Zoo为开环时候的输出阻抗特性，Zoi为单电流闭环输出阻抗特性，Zoiv为电压电流(U-I)闭环输出阻抗特性。无反馈开环控制时，输出阻抗呈现明显的峰值波动，但电流闭环控制时，系统阻抗类似于一阶系统，没有电阻电容谐振出现的峰值波动，近似于加入了滤波电容，加入电压电流(U-I)闭环控制后，系统的相角裕度较大，如图4所示，电感被等效为电流源，闭环输出阻抗谐振峰值抑制效果更明显。相比于无反馈开环控制，电流闭环控制一定程度抑制了系统频率穿越时产生的阻抗突起。

图4 开环、电流、电压-电流反馈控制的阻抗Fig.4 The impedance of the open loop, current, voltage-current feedback control

5 Matlab数值仿真

以Matlab对采用恒功率负载电压电流单开关周期反馈控制进行了数值仿真，输出电压启动过程结果如图5所示，电力系统源变换器的电压仿真结果如图6所示，该系统能够在多个负载级联时快速启动后稳定运行。

图5 Matlab仿真电压启动输出过程图Fig.5 The voltage startup output process diagram simulated by Matlab

图6 Matlab仿真源变换器负载的电压变化Fig.6 Source converter load voltage variation simulated by Matlab

6 实验结果分析

搭建了实验样机平台，其由某型号直流变换器和直流变换器负载构成，具体参数设置如表1所示。

表1 实验装置参数表

比例积分调节(PI)控制的输出电压和电感电流波形分别如图7和图8所示。源变换器的功率在0.35 s时由5.1 kW变化为6.5 kW，输出电压U和电感电流I在产生较小波动后0.1 s内回复稳定。0.7 s时源变换器的功率由6.4 kW增大至8 kW，输出电压和电感电流均在0.7 s时发生震荡，持续至1 s未见衰退，原因是系统阻抗未达到ESAC标准。

图7 源变换器功率变化时PI控制的电压波形图Fig.7 Power source converter changes PI control of the voltage waveform figure

图8 源变换器功率变化时PI控制的U-I波形图Fig.8 U-I waveform figure during Power source converter changes of PI control

系统运行时，如表1所述负载变换器运行功率为4 kW，采用变化负载将负载变化器功率增大，恒功率负载电压电流(U-I)单开关周期反馈控制下直流变换器输出电压波形如图9所示，直流变换器输出电感电流波形如图10所示。

图9 负载变换器功率4 kW-8 kW的电压波形Fig.9 The voltage waveform of 4kW-8kW load power converter

图10 负载变换器功率4 kW-8 kW的电感电流波形Fig.10 The inductor current waveform of 4kW-8kW load transducer power

从图9中可以看出，0.5 s时负载变换器功率增大4 kW后，由于采用了电压电流(U-I)单开关周期反馈控制方法，0.25 s后系统进入稳定状态，输出电压能够满足稳定性要求，同理，电感电流0.25 s内由50 A增大至90 A，并稳定运行，输出电感电流能够满足稳定性要求，如图10所示。

7 结 语

本文分析了恒功率负载和电压负载对舰船综合电力系统稳定性的影响，提出了一种适用于船舶综合电力系统源变换器的恒功率负载电压电流(U-I)单开关周期反馈控制方法，分析了该控制方法的控制原理及阻抗特性，以Matlab对采用恒功率负载电压电流单开关周期反馈控制进行了数值仿真，该系统能够在多个负载级联时快速启动后稳定运行，根据原理参数以原理样机对论文中所提到的稳定控制方法进行了实验研究，该源变换器输出电压及电感电流能够满足稳定性要求。

[1] 李冬丽.舰船综合全电力系统暂态稳定性分析及其仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2004.

[2] 胡龙,罗安,吕志鹏.双向高效准Z源变换器的充电机研究[J].电网技术,2014,38(2):341-346.

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Research of control strategy for source converter in integrated ship power system

HU Xiao-ming

(Chengdu Technological University,Chengdu 611730,China)

Ship Integrated Power System(SIPS) could integrate power generation, transmission, transformation and distribution, and could achieve the ship′s navigation and weapon launch with the power generated. The weapons firing systems (such as electromagnetic guns, electrochemical power guns), aircraft carrier catapult and recycling system, electrical protecting system on modern ships could generate instantaneous power up to hundreds of megawatts, and this could have a great impact on the power system and caused unstability on the system. To reduce the impact, the influence of constant power load and voltage load on the stability of ship integrated power system was analyzed and a constant power load voltage and current (UI) feedback control of a single switch cycle method for the ship integrated power system source converter, and improved the operation stability for the ship with constant power load.

SIPS;source sonverter;voltage and current(VI)feedback;single switch cycle control

2014-05-28;

2014-06-23

胡晓明(1974-)，男，硕士，讲师，研究方向为电气控制。

U665.26

A

1672-7649(2014)12-0070-04

10.3404/j.issn.1672-7649.2014.12.015