一种基于LCL输出滤波器的船用逆变器研究

万福瑞，王国玲，刘先越，俞万能，廖卫强

（1.集美大学轮机工程学院福建厦门361021，2.福建省船舶与海洋工程重点实验室福建厦门361021）

一种基于LCL输出滤波器的船用逆变器研究

万福瑞1,2，王国玲1,2，刘先越1,2，俞万能1,2，廖卫强1,2

（1.集美大学轮机工程学院福建厦门361021，2.福建省船舶与海洋工程重点实验室福建厦门361021）

针对高功率密度、高体积重量比的船舶电力系统应用场合，研究基于LCL输出滤波器的电路结构与电流瞬时值控制策略，为船舶多能源供电系统中逆变器与同步发电机并联供电的实现提供技术方案。通过逆变器建模与解耦、控制器数学模型的建立与系统的仿真，获得了控制策略实现及参数确定的方法。仿真结果表明，所设计的船用逆变器与同步发电机并联构成的供电系统，具有稳定性高、动态特性好、供电质量优、发电机利用率高等优良性能。

LCL滤波器新能源逆变器船舶电力系统

0 引言

随着地球能源危机、环境污染等问题的日益突出，可再生新能源逐步替代传统能源的绿色船舶技术成为船舶发展的新方向。由于太阳能、风能等自然能源存在电力供应不稳定、不连续问题，故将新能源与柴油发电机组相结合的船舶多能源供电系统，将成为船舶电力系统的发展趋势[1]。然而由于船舶电力系统变化频繁，负载启动引起的电网电压、频率下降较大，因此，研究具有高稳定性、高效率的逆变器成为船舶交流多能源交流供电系统发展的关键。

本文结合船舶电网的实际情况，合理设计基于LCL型滤波器的船用逆变器，并在dq坐标系下进行逆变器的解耦分析；根据逆变器数学模型，采用基于电网电压定向的双闭环控制策略对逆变器进行控制，通过理论推导，获得控制器参数设计准则；从谐振频率、总电感量以及谐波抑制能力等方面考虑，获得LCL滤波器的设计方法；通过Matlab/Simulink对这种LCL船用逆变器系统的仿真研究，验证了所提出的控制策略的有效性。

1 船舶供电系统结构及逆变器电路拓扑

多能源船舶供电系统如图1所示，多种新能源直流并联后共同接入逆变器前端，从船舶交流电网侧来看，逆变器输出端与柴油发电机组交流并联后共同为船舶负载供电，且有：

其中，IG、I2及IL分别为同步发电机输出电流、逆变器输出电流及负载电流对应的矢量。

综合考虑船舶对逆变器成本、体积及控制复杂程度的要求，选择元器件个数少、拓扑结构简单、LCL型输出滤波器的三相全桥拓扑，如图2所示。其中VT1～VT6为6个IGBT开关管，R1为滤波电感L1内阻与功率变换器内阻之和，R2为滤波电感L2内阻，L1、

图1 船舶交流电网侧电气连接图

当直流电源向船舶电网传递功率时，功率变换器工作在逆变状态，将直流电压Udc逆变成双极性两电平高频交流脉冲电压ua、ub和uc，ua、ub和uc经输出LCL滤波器后变换成低频输出电流i2a、i2b和i2c，并与发电机输出iGa、iGb和iGc共同为船舶负载供电；当船舶电网向直流电源回馈能量时，功率变换器工作在整流状态。

图2 逆变器电路拓扑

2 系统建模

2.1 逆变器本体解耦模型

在三相负载平衡条件下，图2所示的三相逆变器中，电容中性点N’与负载中性点N等电位，逆变器三相可以完全解耦，故将其等效为单相电路，如图3所示，其中ui为滤波器前端高频斩波电压的基波分量，则电压电流方程为

经过Park、Clark变换，可将上式变换成基于电压定向的dq旋转坐标系下的模型，即为

式中ωo为同步旋转角频率，即uo的角频率。

C、L2组成三阶LCL滤波器。

图3 三相LCL滤波器单相等效电路

对上式进行拉氏变换，可得到并网逆变器s域的数学模型为

从上式可以看出，在dq坐标系中，逆变器的数学模型在dq轴间存在耦合。引入前馈解耦的开环解耦模型结构如图5所示。其中

2.2 控制系统模型

图6所示为本文设计的船用三相逆变器基本控制框图。通过电流参考生成器获得d轴电流参考值i2d*给电流内环，本文为了使逆变器尽可能多的输出有功功率令i2q*=0。交流电流i2abc经过变换得到反馈电流i2d和i2q，而交流电压空间矢量角θ由锁相环得到，随后经过解耦后生成逆变器d轴和q轴的电压参考指令Ud*和Uq*，再经过Park反变换生成Uα*和Uβ*，进而通过空间矢量发生器产生控制开关管的导通信号。

图4 dq坐标下基于状态反馈解耦控制原理图

图5 引入前馈解耦的模型结构

图6 三相并网逆变器基本控制框图

3 关键电路参数设计

3.1 逆变器LCL参数设计

逆变器参数设计的前提条件如下：电网相电压的有效值Uo=220 V，直流母线电压Udc=900 V，电网频率fn=50 Hz，开关频率fs=5 kHz，逆变器额定容量SN=30 kW。

电流纹波ΔiLmax一般可限制在10%～25%，本文选取20%，根据公式(5)可以得到逆变器侧滤波电感L1的最小值。

计算结果L1≥2.475 mH，适当增加一些裕量，最终选取L1的值为2.5 mH。

对于滤波器电容C的选取，一般要求其无功功率低于5%，本文要求无功功率的限定值为2%。由公式（6）可以据算出滤波电容的大小。

最终选取C的值为13 μF。

电网侧电感与逆变器侧电感关系如式（7）所示，其中r为相关系数。

电网侧电感可以根据在开关频率处电流谐波的衰减度进行设计。式（8）表示谐波电流的衰减度，iL2(hsw)与iL1(hsw)比值越小，谐波电流衰减效果越好。

其中iL2(hsw)和iL1(hsw)分别为开关频率处的电网侧电流谐波和逆变器侧电流谐波。

由于LCL自身存在谐振问题，一般要求谐振频率介于10倍工频频率和一半开关频率之间：

由式（8）可知r越大电流谐波衰减效果越好。本文选取r=0.5，算得

带入式(7)得

将LCL滤波器参数带入式(9)验证结果符合谐振频率要求，LCL滤波器设计完毕。

3.2 逆变器控制器参数设计

在设计控制器参数时，LCL滤波器在低频段可以看作是单L型滤波器，此时滤波器相当于一个感值为3.75 mH的大电感。以电流d轴分量为例设计控制器参数如下：Ts为电流采样周期，逆变桥的放大特性可比例增益Kpwm表示。此时电流内环控制结构如图7示。其中G1d(s)为电流内环PI调节器，且有

其中ki、Ti分别为控制器的比例系数和积分系数。

图7 逆变器d轴电流闭环控制简化模型

由图7可以看出系统开环传递函数Goi(s)为：

电流环需要有快速的电流跟踪特性，由典型Ⅰ型系统设计原理可知Ti=L/r。那么电流环的开环传递函数为：

取反馈比例kif=1，电流环闭环传递函数为：

Kpwm=200，R=0.1，kif=1，Ts=200 μs可得Ti=0.047，则系统特性如图8所示。图8(a)中实线和虚线分别为对应的Go(s)、Gc(s)频率特性，图8(b)为Go(s).Gc(s)

频率特性。从图中可以看出加入Gc(s)后，幅频曲线以20dB/十倍频通过零点且有一定的带宽，相角裕度大于45o；高频段衰减明显，抗干扰能力强。

图8 控制系统特性曲线

4 仿真结果

基于LCL型滤波器的船用光伏逆变器并网仿真结果如图9所示：

逆变器并网电流稳态输出如图9(a)所示，最终逆变器输出相电流为45 A的三相交流电。逆变器A相电流谐波如图9(b)所示，逆变器输出电流总谐波失真为0.58%。图9(c)和图(d)分别为逆变器A相输出电压电流波形和逆变器输入输出功率，图(c)虚线表示A相电压，实线表示A相电流，图9(d)中实现表示输出功率，虚线表示输入功率。从图中可以看出系统在0.12 s以后电压电流同步，逆变器输出无功功率为零。此时逆变器输出有功功率为29.5 kW并保持恒定，逆变器效率为98%。

图9 仿真波形

5 结论

本文对船用逆变器主电路拓扑和滤波器设计进行分析，得到完整船用逆变器数学模型。通过理论分析和仿真研究得到如下结论：

1）船用逆变器宜采用三相全桥拓扑，分别从谐振频率、总电感量以及谐波抑制能力等角度分析，总结出一套简易可行的LCL滤波器设计原则并得到精确的逆变器数学模型。

2）采用并网电流i2进行反馈控制，基于所建的逆变器数学模型，引入前馈并通过dq轴解耦，建立逆变器电流闭环控制系统，获得了控制器参数设计方法。

3）仿真结果与理论分析一致，验证了依据本文提出的滤波器和控制器设计方案可行性；基于完整的LCL型滤波器的数学模型，采用网侧电流反馈控制可以保证并网系统稳定运行，使逆变器以高功率因数向船舶电网输电。

[1]俞万能,李丹,郑为民.太阳能游览船能量控制系统研发[J].中国造船,2013,03：177-183.

[2]王国玲,许顺孝,廖卫强,常玉岗,俞万能.船用逆变器电流随动控制策略研究[J].船舶工程,2016,02：74-79.

Research onAn Inverter with LCL Output Filter inAShip

Wan Furui1,2,Wang Guoling1,2,Liu Xianyue1,2,Yu Wanneng1,2,Liao Weiqiang1,2

（1.School of Marine Engineering,Jimei University,Xiamen361021,Fujian,China;2.Fujian Province Key Laboratory of Naval Architecture and Marine Engineering,Xiamen 361021,Fujian,China）

For the application of high power density and high volume-weight ratio of ship’s electric power system, a control strategy for circuit structure based on LCL output filter and instantaneous current value is researched so as to put forward a technical proposal for realization of parallel power supply for inverter and synchronous generator in multi-energy power supply system for the ship.By means of modeling and de-coupling of inverter, mathematical modeling of controller and simulation of system,the way for implementation of the control strategy and determination of parameters is obtained.The simulation shows that the power supply system that consists of the inverter designed and synchronous generator in parallel has high stability,good dynamic behavior,excellent power supply quality and high utilization efficiency of generator,etc.

LCL filter;new energy;inverter;marine electrical system

TM464

A

1003-4862（2016）12-0001-05

2016-08-04

福建省自然科学青年基金项目（2013 J05081）；集美大学预研基金项目（Z81218）；交通部应用基础主干学科科技项目（2015329815160）

万福瑞（1991-），男，硕士研究生。研究方向：多能源微电网逆变技术。

王国玲（1978-），女，博士，副教授。研究方向：电力电子与电力传动、多能源微电网逆变技术。