電力推進系統中背靠背交—直流變流器拓撲分析與控制

楊榮如，印德武

1海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海 200011

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

電力推進系統中背靠背交—直流變流器拓撲分析與控制

楊榮如1，印德武2

1海軍裝備部駐上海地區軍事代表局，上海 200011

2中國艦船研究設計中心，湖北武漢 430064

為了解決目前艦艇直流推進電力系統中變流機組機械振動和噪聲大的問題，提出了一種以三相交—直流變換和三重化直—直流變換背靠背聯接的交—直流雙PWM變流器電路拓撲。通過對幾種中、大功率密度交—直流PWM變流器電路拓撲的對比分析，表明了該變流器電路拓撲的優越性。同時，構建了以“DSP+FPGA”為核心的數字控制系統，完成了實驗原理樣機的研制并進行了實驗驗證。實驗結果證實，該變換器電路拓撲不僅實現了變流機組的所有功能，而且功率密度、波形質量等得到顯著提升，振動、噪聲指標分別降低了20 dB和30 dB。

背靠背交—直流變流器；變流機組；電力推進；靜止變流器

0 引 言

在艦艇直流電力推進系統中，往往采用變流機組來實現艦艇的直流供電。變流機組通常由交流機組與直流機組通過機械力矩耦合構成，因具有功率大、帶負載能力強、可靠性高等優點，成為艦艇供電系統的首選。近年來，隨著國內外對艦艇隱身性能的要求越來越高，變流機組存在的機械振動、噪聲以及直流機組換相火花等問題，均直接或間接影響著艦艇生命力以及其戰斗力的增強。

隨著電力電子技術及數字控制技術的發展，以電力電子功率器件為核心的變流器技術得到了飛速發展，從而引發了各國海軍對采用功率器件構成的靜止變流器來替代變流機組的思考。早在20世紀90年代，英國海軍就開始了相關的理論及實踐研究，目前，已研制出靜止變流器產品并已裝備實船。

受半導體材料及加工技術的限制，我國對靜止變流器的研究起步較晚。但由于靜止變流器的軍事需求，以及其在民用生產方面的用途極其廣泛，近年來，在我國取得了飛速發展，一些高校和科研院所進行了廣泛而深入的研究，取得了可喜的成績。

要實現用靜止變流器替代變流機組，需要解決兩個問題，即靜止變流器拓撲方案問題和靜止變流器的控制問題。目前，隨著數字處理器（DSP）的快速發展，其在軟件控制算法、運算速度及實時處理能力等方面已不存在瓶頸問題；而拓撲方案問題則由于與靜止變流器能否完全實現變流機組的全部功能以及綜合考慮靜止變流器在可靠性、體積、散熱等方面的因素而成為首要解決的問題。

目前的交、直流靜止變流器拓撲還存在不足，一般的電壓源型PWM整流器為Boost型變換器，正常工作時，其直流側電壓須高于交流側電壓峰值。在較低的直流電壓、大容量應用場合（如直流電力推進），傳統的AC/DC整流器就遇到了無法克服的障礙。文獻［1］和文獻［2］通過對一般的PWM整流器拓撲結構進行改造，實現了直流側輸出相對較低的直流電壓。其中文獻［1］采用了在交流變換器側加入降壓變壓器來實現降壓的方法，但在大容量應用場合，該變換器存在功率開關管因過流而極易發生損壞的缺陷；文獻［2］是通過在兩個半橋式變換器中間加一個高頻降壓變壓器構成的直流變換器來達到降壓的目的，但同樣也不適合大容量場合。針對上述交—直流變流器電路拓撲上的缺點，本文提出了一種以三相AC/DC PWM變換器和三重化DC/DC變換器為核心構成的背靠背交—直流變流器電路拓撲及其控制。

1 中、大功率交—直流變流器電路拓撲分析

1.1 隔離變壓器+三相全控半橋式多功能變換器的拓撲結構（方案1）

該變換器的基本工作原理是，將從交流電網獲得的交流電能通過濾波后經隔離變壓器降壓，然后再采用PWM整流升壓成直流電壓［3－4］。同樣，當采用直流側供電時，直流電壓先經過PWM逆變成交流電壓，然后經隔離變壓器升壓后再經濾波器給交流負載供電。這種拓撲結構的優點是電路結構簡單，所需功率開關器件數少，降低了控制難度。當然，它也存在明顯的不足，即功率開關管額定狀態時承受大電流（其原因在于隔離變壓器副邊電流是原邊電流的n倍，副邊電流直接與變換器相聯，從而導致功率開關管開通時流過的電流是不采用隔離變壓器時的n倍）。該不足可以通過采用多個功率開關管并聯的方式加以解決，但同時也會帶來多管并聯的均流問題。隔離變壓器與變換器直接相聯的另外一個不足是變換器產生的高頻諧波直接注入到了變壓器中，造成變壓器損耗增加、發熱嚴重，并且變壓器產生的電磁噪聲也相應增加了。此類拓撲最大的缺點就是當變換器運行在交流發電工況時，如果直流側發生了短路故障，直流電壓就會瞬時降為零，造成三相橋臂輸出電壓馬上降為零，交流側就會失電，從而實現不了不間斷供電的功能。

1.2 三相全控半橋式多功能變換器+隔離式直流雙向變換器的拓撲結構（方案2）

該變換器的基本工作原理如下：前級三相全控半橋式多功能變換器作為PWM整流/逆變運行，后級采用2個高頻整流/逆變單元和高頻變壓器完成直流能量的雙向傳遞［5－6］。該拓撲常用于大功率場合，采用移相的方法控制功率的流向和大小，控制方法較簡單，并且可以通過引入有源鉗位電路、無源諧振電路和飽和電感來使全部功率開關管工作在軟開關狀態。該方案的缺點是，需要的功率開關管數量較多，同時直流變換器部分是采用高頻變壓器互感傳遞能量，受高頻鐵磁材料及加工工藝的限制，功率變壓器的設計成本較高。

1.3 三電平二極管鉗位式多功能變換器+直流雙向變換器的拓撲結構（方案3）

三電平二極管鉗位式多功能變換器中的直流母線電壓Vd由兩個開關器件分擔，分壓電容Cd1和Cd2的電壓各為Vd/2，鉗位二極管將開關的端電壓限制在不超過Vd/2，因而相對于二電平變換器來說，三電平變換器開關器件的額定電壓可以低一倍，或者說具有同樣額定值的開關器件用于三電平變換器時直流母線電壓可以高出一倍，因而輸出功率也可以大一倍?？梢?，三電平及多電平變換器適用于大功率、高電壓場合［7－8］。

三電平及多電平變換器是通過將直流母線電壓分成N－1等分，那么在“+”側，包括0電平在內，可以得到N個電平值。而且，由于每相的開關模式有N個，所以對于三相變換器，其電壓模式可以有N3種選擇結果，使得變換器輸出電壓更接近正弦波，因而可有效降低交流側諧波。

三電平及多電平變換器雖然具有上述優點，但同時也增加了若干個半導體器件，即每相需要2（N－1）個功率開關器件及與直流分壓點相連接的二極管。分壓后的直流電壓一旦發生平衡崩潰這種極端情況，就會給功率開關器件造成不良影響，或者使交流側產生偶次諧波等弊害。為了使分壓后的電壓保持恒定，需控制流至直流電容上的平均電流為零，但是，當電容容量較小時，容易產生過渡過程中的不平衡。

1.4 三相全控半橋式多功能變換器+多重化直流雙向變換器的拓撲結構（方案4）

由三相全控半橋式多功能變換器與多重化直流雙向變換器構成的交、直流雙向變換器拓撲結構［9－10］如圖1所示。

圖1 三相多功能變換器+多重化直流雙向變換器拓撲結構Fig.1 Three phase full－controlled half－bridge converter plus multiphase converter topology

為便于理解和比較，進行如下假設：電路拓撲中的交、直流變換器相當于原變流機組的交流電機；直流雙向變換器相當于原變流機組的直流電機；直流母線間的耦合相當于原變流機組間的機械力矩耦合。

該電路圖拓撲的基本工作原理是：交、直流變換器從交流電網經隔離變壓器、交流濾波器和交流電抗器獲得380 V的交流電源。前級多功能變換器作為PWM整流器運行，將380 V的交流電源整流為670 V的直流電源。后級直流雙向變換器作為三重化Buck變換器運行，將670 V的直流電源降壓為240 V（±20%）的直流電源，經直流濾波器向直流負載供電。

通過與前3種變換器拓撲進行對比發現，方案4具有如下特點：能完全實現變流機組的所有功能，實現對變流機組的真正替代，例如，方案1就實現不了變流機組的不間斷供電功能等；工程實現及經濟實用性強，例如，方案1對功率開關管功率等級的要求較高，而功率開關管的經濟成本是隨功率等級的提高而成倍增加。同時，再綜合考慮功率開關管的散熱及可靠性等方面，方案1也均不理想。與方案4相比，方案2的功率開關管數增加了2只，同時還引進了一個高頻變壓器，不僅增加了裝置的體積，還多增加了一個噪聲源，其經濟實用性及對艦船的聲隱身均欠佳。方案3也存在功率開關管的數量增加太多，經濟成本太高的問題。

綜上所述，在實現艦艇直流電力推進系統中用靜止變流器來替代變流機組方面，因方案4在工程實現及經濟性等方面均具有明顯的優勢，因而成為本文的首選對象。

2 背靠背交—直流變流器的控制

交、直流雙向變換器的總體結構如圖2所示。系統分為功率變換主電路和控制電路兩大部分。主電路采用了AC/DC/DC結構，交流多功能變換器采用三相橋式全控整流電路，采用三相三重化全控橋式電路。因交流多功能變換器和直流雙向變換器拓撲結構與外部接口完全相同，因此本文采用了電力電子模塊化（PEBB－Power Electronics Building Blocks）設計方案，即將兩個IGBT模塊（FZ3600R17KE3）采用單元層復合母排連接構成一個功率單元模塊。同時功率單元模塊還安裝了無感吸收電容、驅動與保護電路、控制電源濾波器、散熱器、兩臺直流24 V風機、風機監控器及溫度傳感器。功率單元模塊采用真空釬焊鋁合金散熱器，具有散熱效果好、結構強度高的特點。每個功率變換單元安裝的無感電容用于抑制功率器件關斷時產生的過電壓。驅動和保護電路與控制系統采用光纖連接，以解決抗干擾及電氣隔離問題。

圖2 交、直流雙向變換器系統構成Fig.2 System diagram of bidirectional AC－DC converter

為了使雙PWM變流器獲得更好的靜、動態特性，同時由于PI控制具有結構簡單、易于操作且魯棒性好等優點，交、直流變換器和直流雙向變換器均采用電壓外環、電流內環的雙閉環PI控制。為了提高直流母線的電壓利用率，交、直流變換器采用空間矢量PWM調制，而直流雙向變換器則采用三相載波移相PWM調制。

3 系統實驗研究

為了驗證上述控制方法的可行性和正確性，完成了交—直流雙PWM變流器系統原理樣機的研制，樣機的主要參數如下：輸出功率Po= 380 kW；隔離變壓器采用Y，d11聯接，變比390 V/390 V，漏感Lg=50 μH；交流電容器的電容Cf=300 μF；交流電抗器的電感Lm=190 μH；直流母線的電容Cd=81 mF；直流電抗器的電感Lb=400 μH；直流電容器的電容Cb=81 mF；功率開關器件選用Eupec公司型號為FZ3600R17KE3的IGBT模塊。同時，采用Ti公司 的 TMS320F2812PGFS和 Altera公 司 的EP1C3T144FPGA構成的數字處理系統來完成控制策略的實現，利用TMS320F2812內部12位的采樣通道進行電壓、電流采樣，采樣頻率為9.45 kHz；采用TMS320F2812內部的EVA生成用于驅動交、直流變換器的6路PWM脈沖，同時結合FPGA邏輯編程性能優的特點來生成直流雙向變換器所需的6路PWM脈沖，開關頻率均為3.2 kHz。使用LDS公司的Nicolet數據采集系統進行電壓、電流信號的實時采集。

3.1 交—直流變流器與變流機組總體性能對比

試驗樣機的實驗結果與變流機組的性能指標對比如表1所示。

表1 交-直流變流器與變流機組性能對比Tab.1 Performance comparison between motor converter and AC-DC converter

3.2 交—直流變流器實驗波形

圖3所示為變流器由空載突加380 kW額定直流負載時的實驗波形。由圖可見，在大負載動態條件下，背靠背變流器系統依然穩定運行，直流母線電壓和直流電壓約在100 ms內恢復?？梢?，所采用的控制策略及控制器參數是合理的，控制器的參數也還有進一步優化的空間。

圖3 變流器由空載突加380 kW直流負載實驗波形Fig.3 DC generation experiment waveforms with load from 0 to 380 kW for AC－DC converter

圖4所示為變流器直流側發生短路時的實驗波形。由圖可以看出，短路瞬間，短路電流達到約8 000 A時，直流電壓接近于零。之后，在調節器的控制下，直流電流快速穩定在3 000 A左右。當短路切除后，直流電壓快速恢復至240 V輸出。在整個短路過程中，交流電流均無太大沖擊。實驗結果表明，該變換器具有較強的抗短路能力。

圖4 變流器直流短路實驗波形Fig.4 DC short circuit experiment waveforms for AC－DC converter

4 結 語

本文通過對幾種靜止式變流器拓撲進行分析，最后采用了以交、直流變換器和直流雙向變換器為核心的背靠背交、直流變流器的電路拓撲。原理樣機實驗結果表明，該電路拓撲不僅可以實現變流機組的所有功能，而且與變流機組相比，其在功率密度、波形質量、振動和噪聲等各項性能技術指標上均具有較大的優勢，是一種適合艦艇直流電力推進系統中變流機組的理想替代產品。

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Topology Analysis and Control Strategy of Back-to-Back AC-DC Converters in Naval Electric Propulsion Systems

YANG Rongru1，YIN Dewu2

1 Shanghai Military Representative Department，Naval Armament Department of PLAN，Shanghai 200011，China

2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

This paper presents a back－to－back AC－DC converter circuit topology with a three phase AC/ DC converter and a triple－channel interleaved DC/DC converter.This converter resolves the mechanical vibration and noise problem of motor units in naval DC electric propulsion systems.Comparison and analysis of several other large power density AC－DC converters reveal the superiority of the proposed one.Meanwhile，the digital control system，based on DSP and FPGA，is built and a corresponding prototype converter is constructed.The experiment results show that the converter not only realizes all functions of conventional motor units and demonstrates excellent performance in power density and waveform quality，but also reduces the vibration and noise by 20 dB and 30 dB.

back－to－back AC－DC converter；motor converter；electric propulsion；static converter

U665.14

A

1673－3185（2013）01－117－06

10.3969/j.issn.1673－3185.2013.01.019

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130116.1426.005.html

2012－04－17 網絡出版時間：2013－01－16 14:26

楊榮如（1971－），男，碩士，工程師。研究方向：船舶機電。

印德武（1971－），男，碩士，高級工程師。研究方向：船舶機電。

印德武。

book=8,ebook=180

張智鵬］