基于逆变技术的应急供电装置设计

代妮娜

(重庆三峡学院 信号与信息处理重点实验室，重庆 404000)

基于逆变技术的应急供电装置设计

代妮娜

(重庆三峡学院 信号与信息处理重点实验室，重庆 404000)

摘要：为了保证船舶的运行安全，一般船舶的供电系统在主电源之外，都设置有应急供电装置。在发生突发状况时，船舶的主发电机发生故障,导致供电电源中断，应急供电装置替代主电源进行供电。船舶应急供电装置可以向船舶上重要的应急用电负载进行供电，来保障船舶应急控制和船上人员安全。本文以蓄电池组作为应急电源，采用逆变技术，设计了一种应急供电装置。

关键词：应急供电；逆变；数字控制

0引言

我国《钢质海船建造与入级规范》(以下简称规范)中明确规定：一般情况下，客船及500 t以上货船都应该配有应急电源。而且，应急电源应能独立于主电源进行工作。如果应急电源是发电机组，则另外必须配有蓄电池组作为临时应急电源。

当船舶主电源失去供电能力时，临时应急电源应该能及时取代主电源，向船上的各类应急用电设备供电。为了保证应急效果，应急电源应该需要具有一定的容量，能为船舶上各类重要用电设备进行短时供电。不同航线、不同船舶类型和不同载重等级的船舶对应急供电装置的供电时间也有不同的要求。对于小的太阳能电池或蓄电池等电池类电源，其容量应至少能够保证为确定的应急供电负载正常供电0.5 h以上。对于大的应急发电机组电源，其为应急用电负载供电的时间不固定，具体可以参考表1。

表1　应急发电机组的供电时间

1系统设计

船舶应急供电系统一般包括应急供电电源、DC/AC逆变装置、交流母线及各类应急用电负载等。

船舶上的应急电源主要包括发电机组、蓄电池组、太阳能电池组和燃料电池等几类。应用最多的是发电机组和蓄电池组的应急电源组合。其中交流发电机组电源是最主要的应急电源，功率比较大，可以直接通过船舶的交流母线为应急负载供电。而应急蓄电池组电源是小的临时应急电源，容量比较受限，需要通过DC/AC逆变器，将直流的蓄电池电逆变为与母线同频同相的三相交流电，为应急照明等设备进行供电。

船舶上的应急用电负载可以参考规范中的规定，规范中规定了以下5种主要应急用电负载：

1)航行灯及各种信号灯；

2)船身各处的应急照明；

3)通信联络设备：鸣笛、无线电设备、无线通讯设备、应急报警装置等；

4)消防灭火系统：火灾报警系统，喷淋消防系统，应急消防泵控制系统；

5)其他用电设备：舵机，固定式潜水泵等[1]。

整个应急供电系统如图1所示。

图1　船舶应急供电系统的系统框图Fig.1　Block diagram of emergency power supply system of the ship

本文在对船舶应急供电系统进行分析的基础上，主要针对供电系统中的小的临时应急供电装置进行设计与分析，设计了一种基于逆变技术的应急供电装置。

2逆变器系统设计

系统的主电路结构部分，采用了两级式逆变电路结构，对整个逆变器电路进行了系统的设计与分析。前级是Boost升压电路，通过Boost升压电路实现对蓄电池组的输出电压的升压作用，其优点是：变换器可以通过调节占空比灵活的调节输出电压，可以达到拓宽蓄电池组电源输入电压范围的目的；同时变换器没有使用任何隔离变压器，可以减少磁性损耗，在一定程度上保证转换效率；后级是三相全桥逆变电路，通过三相全桥逆变电路，将前级输出的高压直流电进行逆变，逆变为与船上交流母线相同频率相同相位的三相交流电压。系统结构框图如图2所示。

系统控制部分采用先进的DSP数字处理PWM控制技术，可以方便地实现对模拟数据的准确采集和模数转换、实现电压电流双闭环控制算法、实现对IO口的数据采集与控制、实现故障检测等功能。

图2　逆变器系统结构框图Fig.2　System block diagram of inverter

3升压电路设计

规范中规定：一般船舶的交流供配电网应采用380 V/50 Hz的交流电源进行供电。本文为三项二线制的380 V/50 Hz交流系统。由于逆变电路对输入电压的大小有一定的要求，只有保证足够高的输入电压，才能有逆变成功的可能性，所以需要将输入蓄电池组的电压升高到一定电压值，即大于逆变交流的峰值电压。根据380 V的交流电进行反向换算，至少需要537 V的直流输入电压[2-3]。

由于蓄电池的电压限制，单节蓄电池的电压等级都比较低，为了得到较高的直流输入电压，一般有以下2种方式：

1)电池串并联组合：将多个低压的单节蓄电池通过一定的串并联组合，成为完整的一个蓄电池组，使整体蓄电池组的输出电压达到537 V以上。这样的好处是可以提高输电电压的同时提高电池容量，但是这样会占据很大面积，同时会有一定的安全隐患。

2)升压变换器：通过升压变换器，将单节蓄电池的输入电压进行升压至所需要的指定电压，但是由于输入电压过低，开关管损耗过大，导致变换器的效率不高，同时单节蓄电池的功率也受到限制。

本文采用两者组合的方式，即先将若干个蓄电池进行串并联组合为一个蓄电池组，达到一定的电压和功率等级，然后通过Boost升压变换器对蓄电池组进行升压，将电压升高到大于逆变交流的峰值电压537 V，这样可以保证逆变成功的可能性[4-5]。

图3　典型逆变电路Fig.3　Typical inverter circuit

图3为变换器前级采用的典型Boost升压电路，电路的主要功能是将蓄电池组的低输入电压Vi升高至满足逆变器要求的输入电压Vo。

图4　Boost电路电压闭环控制框图Fig.4　Block diagram of voltage closed-loop control　of the boost circuit

为了得到稳定可调的直流输出电压,电路采用基于PI调节器的电压闭环系统进行控制，控制框图如图4所示。

基本控制原理是将计算设定好的基准值Vref与实际输出电压值VO作差，然后经过PI调节器计算得到PWM波的脉宽, 进而得到开关管的占空比D，并以此进行调节，得到稳定的输出电压VO。另外，基准值Vref根据输出电压进行折算得到,可以通过改变基准值Vref，来灵活的改变电路的输出电压。

4逆变电路设计

逆变电路采用三相桥式逆变电路，将前一级升压后的高压直流电进行逆变，然后经过滤波环节，最后把得到的三相交流电输送到船舶的应急电网上给负载供电。

电路结构如图5所示。UDC为逆变器的输入电压，即前级升压环节的输出电压，主电路由S1~S6六只主功率开关管组成，组成上下3个桥臂，每个桥臂的中点分别经过电感La，Lb，Lc与电网连接，起到滤波的作用。CDC为直流母线支撑电容，起到储能的作用，同时也作为前级Boost升压电路的输出滤波电容。控制部分采用先进的DSP数字控制，通过DSP发出的PWM控制信号来驱动6个开关管的开通和关段，控制桥臂中点电压。电路要正常工作应保证直流侧电压高于电网电压的峰值[3]。

图5　典型三相全桥逆变电路图Fig.5　Typical circuit of three phase full-bridge inverter

本系统中的电路采用正弦脉冲宽度调制技术。正弦脉宽调制技术是指利用标准的正弦调制波与三角载波进行比较，在每个交点处控制开关管的开通与关段，控制输出电压的脉冲宽度，将直流电压调制成等幅、不等宽(宽度按正弦规律变化)的系列交流电压脉冲，来控制输出电压的有效值。根据输出电压UN的极性和产生方式不同，可以将正弦脉宽调制技术分为双极性调制技术、单极性调制技术和单极性倍频方式。本系统采用简单的单极性调制技术，其优点是开关损耗较小，可以实现较高的转换效率，缺点是输出电流脉动较大，牺牲了一定的功率因素[6]。

本系统采用母线电压外环控制、并网电流内环控制的典型的双闭环控制方式。其中电压外环采用PI调节器进行调节控制，电流内环则是基于无差拍电流控制理论,整个系统的控制器只有一个PI调节器，参数比较容易设定和调整。外环电压控制主要作用是使直流母线支撑电容CDC两端的电压UDC为恒定值；内环电流控制的主要作用是使输出电流呈正弦变化，保证输出电能质量。

1)电流内环控制

本系统采用的电流内环控制系统是基于传统的无差拍控制技术。由于使用DSP数字控制技术，采集到的数据需要一定处理的时间，导致数据采集和PWM控制信号输出两者之间存在一定的延时。从采集到数据到得到最终的PWM脉冲信号的宽带值的产生，需要经过一定的时间，所以导致最终的PWM脉冲信号的宽带值实际作用于主电路的开关管需要延时一个开关周期。系统通过无差拍控制器计使输出电流严格跟踪电网的标准的正弦信号的规律变化，极大的提高功率因素。控制框图如图6所示。

图6　电流内环控制框图Fig.6　Current loop control block diagram

2)电压外环控制

本系统电压外环控制，采用PI控制，通过调节并网输出功率使直流母线支撑电容CDC两端的电压UDC保持恒定。当并网功率小于蓄电池的输出功率时，母线向电容回馈能量，向电容充电，电容两端电压升高；同理，当并网功率大于蓄电池组的输出功率时，母线电容CDC进行放电，电容两端电压降低。通过电源外环控制，实现保持直流母线支撑电容CDC两端的电压UDC恒定的目的[7]。控制框图如图7所示。

图7　电压外环控制框图Fig.7　Voltage loop control block diagram

通过以上设计的逆变器，将蓄电池组输出的低压直流电逆变为与船舶电网相同频率相同相位的正弦交流电,并入船舶的交流电网。在主电源遇到突发故障停止供电的时，应急供电装置通过交流母线，为应急用电负载供电，实现应急供电的功能。

5结语

本文就船舶应急电源的作用以及应急供电系统的整体结构进行了简单分析。重点针对以蓄电池组作为应急电源的应急供电装置进行了详细的设计与分析。应急供电装置采用两级式的逆变电路，实现对蓄电池输出电压的升压与逆变，使最终的输出电压与交流母线电压同频同相。在主电源遇到故障，停止供电的时候，基于逆变技术的蓄电池应急供电装置能够替代主电源为应急负载供电，保障船舶的正常运行和船上的人员安全。本文给出了应急供电装置的基本电路设计，下一步需要搭建实验平台，进行实际的试验验证。

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[7]王剑斌.小功率非隔离光伏并网逆变器技术研究[D].北京:北京交通大学,2012.

Design of emergency power supply device based on inverter technology

DAI Ni-na

(Signal and Information Processing Key Laboratory, Chongqing Three Gorges

University，Chongqing 404000,China)

Abstract：In order to ensure the safe operation of the ship, general ships′ power supply systems are usually equipped with emergency power supply device besides the main power source. In the event of emergency situation, the main generator ship fault occurs, lead to the break down of the main power supply, the emergency power supply device replace the main power supply device for power supply. The emergency power supply device of a ship can supply power for the important load, to guarantee the emergency control of the ship and personal safety on the ship.This paper designs a kind of emergency power supply device using the batteries as the emergency power supply based on inverter technology.

Key words：emergency power supply;inverter;digital control

作者简介：代妮娜( 1983 - ) ，女，硕士，讲师，研究方向为控制与通信技术。

收稿日期：2014-11-23； 修回日期： 2014-12-10

文章编号：1672-7649(2015)02-0132-04

doi：10.3404/j.issn.1672-7649.2015.02.028

中图分类号：TM464

文献标识码：A