船用逆变电源负载短路控制技术研究

2023-01-03彭娟娟黄民发

船电技术 2022年12期

关键词：相间正弦波调节器

彭娟娟，黄民发，刘洋，沈鸿

应用研究

船用逆变电源负载短路控制技术研究

彭娟娟，黄民发，刘洋，沈鸿

（武汉电力职业技术学院，武汉 430000）

为提高船舶日用电网的可靠性，本文首先给出了逆变电源主电路拓扑并对日用电网三种负载短路形式进行了分析；然后提出了基于经典PI调节器和动态补偿调节器的电压、电流双闭环控制策略并建立了动态补偿调节器数学模型；最后在MATLAB仿真环境对所选控制策略进行了仿真验证，给出了仿真波形及分析结果，验证了控制策略的有效性。

负载短路双闭环动态补偿调节器

0 引言

船舶日用电网用于为照明、水泵、风机等小功率设备供电，用电设备品种广、数量多，在长期使用中易发生负载短路故障[1-2]。为提高其可靠性和电网品质，减小设备体积，高性能船舶多选用船用逆变电源给船舶日用电网供电，当船舶日用电网发生负载侧短路时，逆变电源正常运行但会提供较大短路电流，短路点被旁路后逆变电源自动恢复正常供电。因此，如何合理地设计调节器和选用控制策略，保证在负载短路时逆变电源能快速限制短路电流，确保短路电流被限制在安全范围内，旁路后逆变电源能快速恢复输出电压给负载供电成为亟待解决的问题[3-4]。

1 船用逆变电源负载短路分析

船用逆交电源负载短路分为单相对地短路、两相对地短路、三相对地短路、两相相间短路和三相相间短路，分析如下:

1）单相对地短路：包括A、B或C对地短路，在此，以A点对地短路为例分析。逆变电源经正弦波滤波电感、直流支撑电容中性点接地电容和大地形成回路，由于直流支撑电容中性点接地电容nF级，因此对地短路电流很小。

2）两相对地短路：包括A、B对地短路、B、C对地短路和C、A对地短路三种，在此，以A、B对地短路为例分析。存在两个回路，逆变电源经正弦波滤波电感、直流支撑电容中性点接地电容和大地形成回路，由于直流支撑电容中性点接地电容nF级，该回路电流很小；逆变电源A相电压经A相正弦波滤波电感、B相正弦波滤波电感和逆变电源B相电压形成回路，形成相间短路。

3）三相对地短路：包括逆变电源经正弦波滤波电感、直流支撑电容中性点接地电容与大地形成回路，由于直流支撑电容中性点接地电容为nF级，短路电流很小；逆变电源A相电压经A相正弦波滤波电感、B相正弦波滤波电感和逆变电源B相电压形成回路，造成相间短路；逆变电源B相电压经B相正弦波滤波电感、C相正弦波滤波电感和逆变电源C相电压形成回路，造成相间短路。

4）两相相间短路：包括A、B相间短路、B、C相间短路和C、A相间短路三种。以A、B相间短路为例分析。逆变电源A相电压经A相正弦波滤波电感、B相正弦波滤波电感和逆变电源B相电压形成回路，形成相间短路。

5）三相相间短路：逆变电源A相电压经A相正弦波滤波电感、B相正弦波滤波电感和逆变电源B相电压形成回路，造成短路;逆变电源B相电压经B相正弦波滤波电感、C相正弦波滤波电感和逆变电源C相电压形成回路，造成短路。

2 船用逆变电源负载短路控制策略研究

2.1 船用逆变电源负载短路控制策略

船用逆变电源控制中需保证输出电压恒定、同时要求在短路时，逆变电源能将电流限制在安全范围内，因此逆变电源屏控制采取电压外环、电流内环的控制方案[5]。船用逆变电源检测断路器后端电压，若有电压，则电压闭环的给定相位为断路器后端电压相位，若无电压，则电压闭环的给定相位由控制器产生。船用逆变电源控制策略框图如图1所示。

图1 船用逆变电源控制策略框图

2.2 船用逆变电源动态补偿调节器设计

当船船舶日用电网发生负载短路时，船用逆变电源的输出电流会急剧上升，为保证其不产生过流故障，必须快速地电流限制在过流故障阀值内，同时保证船用逆变电源可以输出大电流。

船船舶日用电网发生负载短路时，负载电流急剧上升，单纯依靠提高经典PI调节器的响应速度来满足预定指标，可能导致调节器调节参数过大，使控制系统处于振荡的边缘，降低了设备的可靠性。因此，设计动态补偿调节器，使得在正弦输入量激励下系统稳态误差为零，可将船用逆变电源负载短路电流快速限制在船用逆变电源电流限定值内，成为提高船用逆变电源可靠性的关键环节。

要求系统的稳态误差为零，即控制系统输入端稳态误差为零，同时在扰动源的激励下，输出端稳态误差为零，一般采取自适应机构设计原理，加入动态补偿器补偿扰动影响，因此，船用逆变电源稳态性能主要是分析在正弦输入源激励下的控制系统的稳态误差收敛情况，为调节器设计提供依据。

3 船用逆变电源负载短路控制策略仿真验证

为了验证系统建模方法的可行性及选择性保护的正确性，仿真模型如图2所示，主回路由直流电压源、3相逆变器、正弦波滤波器、变压器和阻感负载装置组成，主回路仿真步长，逆变器开关频率4 kHz，逆变电源输出额定线电压400 V，额定相电流720 A。

图2 逆变电源仿真框图

3.1 船用逆变电源负载两相相间短路

两相相间短路包括A. B相间短路、B、C相间短路和C、A相间短路三种，在此，以A、B相间短路为例开展仿真验证，仿真波形如图3所示。船用逆变电源负载A、B相间短路瞬间，逆变电源输出电流急剧上升，电流上升至峰值时，电流限制功能起作用，船用逆变电源输出电压快速降低，输出电流被限定在峰值以内，船用逆变电源负载A、B相间短路恢复瞬间，逆变电源输出电压快速增加，输出电流减小，0.925 s之后船用逆变电源输出电压恢复。

3.2 短船用逆变电源负载三相相间短路

船用逆变电源负载三相相间短路瞬间，逆变电源输出电流急剧上升，电流上升至峰值时，电流限制功能起作用，逆变电源屏输出电压快速降低，输出电流被限定在峰值以内，船用逆变电源负载三相相间短路恢复瞬间，逆变电源输出电压快速增加，输出电流减小，0.925 s后，船用逆变电源输出电压恢复。仿真波形如图4所示。

4 小结

文以船用逆变电源为主要研究对象，阐述并分析了船用逆变电源工作原理、控制策略。针对船用逆变电源负载短路故障进行了分析，建立了动态补偿调节器数学模型并对船用逆变电源负载短路控制策略进行了仿真验证。结果表明，本文选用的控制策略可快速将负载短路电流限定在船用逆变电源安全工作范围内，满足船用逆变电源的功能、性能需求，研究成果具有较强的应用价值。