船用逆变电源稳定性分析

陈红健

船用逆变电源稳定性分析

陈红健

（上海打捞局 上海 200090）

本文建立了船用逆变电源动态数学模型，研究了船用逆变电源控制策略，对船用逆变电源进行了稳定性计算；利用MATLAB仿真工具对其进行了稳定性分析，给出了提高船用逆变电源稳定性的具体措施。

逆变电源 小信号模型 稳定性

0 引言

船用逆变电源将直流电网转变为低压交流电网给船舶日用负荷供电，其运行稳定性直接决定了船用日用电网的可靠性。

国外针对逆变电源稳定性分析较早，弗吉尼亚理工大学Middlebrook是最早开展此类工作的代表人物，芬兰的坦佩雷理工大学对逆变电源稳定性做了大量研究；国内起步较晚，研究工作集中在逆变电源本身的稳定性上，对逆变电源对系统稳定性研究较少。

因此，急需开展船用逆变电源的稳定性研究，提出提高船用逆变电源稳定性的措施，为船用逆变电源的实船应用打下了坚实的基础，具有重大工程研究价值。

1 船用逆变电源主电路拓扑

船舶日用电网对电网品质有较高要求，船用逆变电源输出端需配置正舷波滤波器。

逆变电源输入侧配有熔断器，同时为方便维修，配有手动隔离开关，确保逆变电源发生故障或短路时，逆变电源能与直流区域配电网快速隔离，能进行断电维修。为保证人员安全，逆变电源直流侧配置安全放电电阻。

船用逆变电源主电路拓扑如图1所示：

图1 船用逆变电源主电路拓扑

船用逆变电源主电路参数设计如下：逆变电源支撑电容为10 mF，滤波电感为0.2 mH，滤波电容为0.1 mF，安全放电电阻为20000W，接地电阻为1000W。

2 船用逆变电源动态数学模型

船用逆变电源由三相逆变器、SPWM调制器、驱动电路、补偿网络、反坐标变换矩阵组成，如图2所示：

图2 船用逆变电源系统框图

2.1 三相逆变器数学模型

三相逆变器是一种非线性系统，在研究它在某一工作点附近的动态特征时，可近视为线性系统[1]。

三相逆变器小信号模型为：

其小信号模型等效电路如图3所示：

其中，V2为输入直流电压，i为逆变电源输入直流电流，d为逆变电源开关函数，L2为滤波电感，C2为滤波电容，u为逆变电源输出三相电压，i为逆变电源输出三相电流，2为逆变电源输出负载等效阻抗。

所以，三相逆变器控制至输出的传递函数为：

2.2 SPWM调制器数学模型

SPWM调制器将连续控制量转化为占空比可调的脉冲序列，由周期性的三角波与控制量经比较后输出脉冲序列[2]。

假设三相电压的开关周期平均值为：

SPWM调制器输出的开关周期平均值为：

得到小信号模型交流关系式：

SPWM调制器输入至输出的传递函数为：

2.3 补偿网络数学模型

补偿网络中电压闭环调节选用PI调节器，其传递函数为：

式中，Kp2——比例系数，Ki2——积分系数。

逆变电源闭环传递函数为：

3 船用逆变电源控制策略

逆变电源控制策略如图5所示，逆变电源控制策略中引入状态机，状态机1分为正常工作模式、短路工作模式，正常工作模式下为电压闭环控制，短路工作模式下为电流闭环控制；状态机2为正常工作模式和短路模式，短路模式下先封锁脉冲再起动；

在工频角度的基础上加入相位同步调节功能，使逆变电源输出电压相位与电网电压相位同步，实现平滑并网功能[4]。

图5 逆变电源控制框图

4 船用逆变电源稳定性分析

4.1船用逆变电源稳定性仿真

选用MATLAB 工具对船用逆变电源进行稳定性分析(以逆变电源A相为例分析)。

仿真波形如图6～图8所示：

图6 参数变化对逆变电源稳定性影响

图7 补偿网络对逆变电源稳定性影响

图8 负载变化对逆变电源稳定性影响

图6可知，逆变电源开环系统相位裕量为40.4（deg）。增大滤波电感后，相位裕量为56.7（deg），减小滤波电容后，相位裕量为56.7（deg）；因此，增大滤波电感或减小滤波电容可以提高了逆变电源的相位裕量。

图7可知，逆变电源闭环系统相位裕量为53.1（deg），增益裕量略有减小；增加补偿网络后提高了逆变电源的相位裕量、降低了增益裕量。

图8中，2 MW负载下，逆变电源相位裕量为53.1（deg）；0.1 MW负载下，逆变电源相位裕量为15.9（deg）；负载越大，闭环系统相位裕量越大，增益裕量影响较小[6]。

4.2 船用逆变电源稳定性分析结果

1）增大滤波电感或减小滤波电容有利于提高逆变电源的相位裕量；

2）负载越大，闭环系统相位裕量越大，增益裕量影响较小；

3）设计补偿网络后提高了逆变电源的相位裕量，减小了增益裕量。

5 结论

本文针对低压直流配电系统中逆变电源进行了稳定性分析，通过数学建模、控制策略研究、稳定性仿真分析等方法对该型逆变电源进行了稳定性分析方法，并提出了改善该型逆变电源稳定性具体措施，为船用逆变电源的实船应用打下了坚实的基础，具有较强的工程应用价值。

[1] 肖奔奔．直流分布式电源系统稳定性分析: (硕士论文). 哈尔滨工程大学, 2018．

[2] 杨晓平, 张浩, 马西奎. 基于ESAC 标准的分布式电源系统稳定裕度监控[J]. 电工技术学报，2009, 24(8): 14-21.

[3] Vesti S, Suntio T, Oliver J A, et al. Impedance-based stability and transient-performance assessment applying maximum peak criteria[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(5): 2099-2104.

[4] Wildrick C M, Lee F C, Cho B H, et al. A Method of defining the load impedance specification for a stable distributed power system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(3): 280-285.

Stability analysis of marine inverter power supply

Chen Hongjian

(Shanghai Salvage, Shanghai 200090, Shanghai, China)

TM464

A

1003-4862（2022）03-0020-04

2021-08-10

陈红健（1973-），男，高级轮机长，主要从事船舶设备，机务管理，轮机管理。E-mail: 1340145060@qq.com