中壓岸電系統整流電路拓樸結構分析

張同琛， 張歡仁， 蘆 寧

(上海船舶運輸科學研究所 船舶運輸控制系統國家工程研究中心，上海 200135)

0 引 言

近年來，隨著環境保護越來越受重視，船舶污染問題得到了國際海事組織和各個國家的廣泛關注。船舶污染主要來源于船舶發電機排放的有害物質，據統計，采用柴油發電機的船舶每年排放的有害物質超過1 000萬t，對大氣環境造成了惡劣影響，而產生如此多有害物質的根源在于電力系統能源利用率不足和操作過程存在缺陷，其中：電力系統能源利用率不足主要體現在柴油發電機設計和燃油質量方面；操作過程缺陷主要體現在船用負載管理和靠港時污染物排放方面。據調查，上海港的污染物排放占上海市污染物排放總量的10%～20%，其他港口的污染物排放情況也與該港口相似。因此，減少船舶靠港時的污染物排放可作為節能減排的一種方式。若在船舶靠港期間采用副機發電，則燃料不充分燃燒會產生有害氣體，燃燒的產物直接排放到海里會對港口環境造成污染。經研究，若在船舶進港期間采用中壓岸電系統為船上的負載供電，則可有效降低船舶靠港時對港口環境的污染，達到節能減排的目的。

整流電路是中壓岸電系統的重要組成部分，以中國遠洋海運集團有限公司5 000 TEU系列集裝箱船為例，在并網時，岸上電網需通過整流電路將10 kV/50 Hz的交流電整流為直流電，輸送到濾波電路、逆變電路等電路中，最終變為6.6 kV/60 Hz的交流電供給船舶。從并網到給船舶供電，電壓先由交流變成直流，再變成交流，目的是減少輸送過程中的功耗。由于整流電路的拓撲結構對整流效果和控制方法的選擇都有影響，因此有必要對整流電路的拓撲結構進行分析，選擇出最適合的拓撲結構。

在整個集裝箱船系統中，單相整流器已在一些小功率系統中得到應用，而多脈沖整流電路在船舶推進系統中的應用還處在研究階段。當前集裝箱船上應用最廣泛的整流電路是三相整流電路，其中拓撲結構是根據實際需要選擇的。因此，在進行仿真建模之前，需對整流電路的拓撲結構進行分析。

1 整流電路拓撲結構分析

整流電路有很多種，可按電源系統的不同，分為三相整流電路和單相整流電路；可按控制器件的不同，分為全控整流電路、半控整流電路和不控整流電路；可按電路結構的不同，分為三橋臂整流電路和四橋臂整流電路等。船舶領域內的整流電路要根據電力系統中其他電路的拓撲類型選擇，使系統中的各部分結構能良好地適配，降低電路的復雜度，因此采用的電路多為三相橋式電路。下面根據控制器件的不同，對三相不控整流電路、三相半控整流電路和三相全控整流電路進行分析比較。

1.1 三相不控整流電路

三相不控整流電路的負載側既可以是RC電路，也可以是RCL電路，不同電路結構的輸出電壓的計算原理有所不同。圖1為有電容濾波的三相不控整流電路原理圖，該整流電路采用的器件是不可控的二極管，負載端是濾波電容和負載電阻，每個時間點上橋臂二極管和下橋臂二極管都有1只被開啟，此時AC側的電壓最大值可等效為DC側的電壓進行輸出。例如在零時刻，上橋臂的器件VD1與下橋臂的器件VD6導通，DC側電壓值正如前面所述，并同時向電容和電阻供電。在前一對二極管關斷和后一對二極管導通期間，會有一個臨界情況，此時電阻與電容的關系為

圖1 有電容濾波的三相不控整流電路原理圖

(1)

此時導通與關斷剛好在同一時刻，輸出電流id剛好能保持連續。相電壓Ua的計算式為

(2)

式(1)和式(2)中:R為電阻;C為電容;ω為角頻率;δ為相位。

對于負載為RCL的不控整流電路，干路電流會流經電感，此時的情況更貼近實際情況，因為在實際工程環境中，電路之間的作用會使電路帶有電感。此外，為保證整流電路正常工作，還會加入保護電感。在此次仿真研究中，為使結果更清晰，采用簡化的RC負載電路。

1.2 三相半控整流電路

上述整流電路結構的上橋臂和下橋臂都是由二極管組成的，半控整流電路在此基礎上進行了調整，將上橋臂的二極管換成了晶閘管，并將其與共陰極相連接。該電路兩側采用的接法不同，其中：變壓器側采用三角形連接，可減少電路中的干擾因子；晶閘管和二極管側采用星形連接，可降低每個晶閘管承受的電壓，使電路更穩定。該電路負載端有2種負載，一種是純電阻負載，另一種是更貼合實際的阻感負載，本文遵照簡單清晰的原則，采用純電阻負載，電路原理圖見圖2。

圖2 三相半控整流電路原理圖

晶閘管是一種可通過電壓控制的器件，在使用過程中需考慮觸發脈沖,通過控制觸發脈沖控制輸出電壓，其工作原理與雙晶體管類似。若門極在一定條件下流過電流IG，則IG會在第一個NPN晶體管內產生基極電流IC2，該電流會流入PNP晶體管，最終增強NPN晶體管的基極電流。該正向反饋持續作用，最終使晶閘管正常工作。晶閘管一旦導通，開始時加入的觸發電流將失去作用，只有將晶閘管此時的陽極電壓減到足夠小，才能使晶閘管停止工作。

當陽極電壓加在晶閘管兩端時，只有門極承受正向電壓,晶閘管才會被導通；當晶閘管承受反向陽極電壓時，晶閘管全部處于關閉狀態。晶閘管導通之后，只要兩端還有陽極電壓，晶閘管就不會關斷，只有當主回路電流為0時,晶閘管才會關斷。需注意的是，晶閘管的觸發角α是相電壓過零后30°。

1.3 三相全控整流電路

三相全控整流電路是最常用的整流電路，可分為電壓驅動和電流驅動2種。負載為RL的電路是電流驅動型整流電路;負載側為RC的電路是電壓驅動型整流電路。電流驅動型整流電路的儲能元件是電感;電壓驅動型整流電路的儲能元件是電容。根據實際環境的不同，選擇不同驅動類型的整流電路。本文的三相全控整流電路采用負載為RC的電壓驅動型整流電路，其原理圖見圖3。

圖3 三相全控整流電路原理圖

與前面研究的整流電路的差異點是該整流電路的6個二極管全部變成了晶閘管，上橋臂和下橋臂一個是共陰極連接，另一個是共陽極連接，每一時刻上橋和下橋都有一個晶閘管被導通，導通相位相差60°。為獲得理想的直流輸出電壓，觸發脈沖需同時作用于2組晶閘管上，采用寬脈沖觸發或雙脈沖觸發可達到該目的，此次仿真采用寬脈沖觸發。

2 整流電路拓樸結構仿真分析

2.1 仿真建模

為高效地區分3種整流電路拓撲結構的優劣，考慮到MATLAB軟件具有高適配性和可編程性的優點，選擇MATLAB軟件中的Simulink仿真工具進行仿真試驗。

下面采用Simulink仿真工具，根據理論分析原理搭建三相不控整流電路仿真電路(見圖4)，供電部分是三相AC，主電路為6個二極管組成的三相電路，負載端由電阻和電容組成，負載電阻為100 Ω。

圖4 三相不控整流電路仿真電路

圖5為三相半控整流電路仿真電路，簡化為只針對阻性負載，α=30°，供電部分由3個獨立電源組成，主干路由3個通用晶閘管和脈沖電路組成，負載是電阻R。

圖5 三相半控整流電路仿真電路

圖6為三相全控整流電路仿真電路，由三相交流電源和6個晶閘管負載電阻組成，脈沖寬度為80°。

圖6 三相全控整流電路仿真電路

2.2 仿真分析

3種整流電路拓撲結構的仿真結果分別見圖7～圖9。研究過程中只探究了輸出電壓的特性，通過比較可知：

圖7 三相不控整流電路輸出電壓

1)在同一電阻下，三相不控整流電路的輸出電壓(如圖7所示)只能通過改變導通角δ改變，無法通過一些控制方法進行控制，進而將輸出電壓控制在最好的狀態，在試驗中只能通過反復改變δ，將輸出電壓控制在合理范圍內。

2)三相控整流電路便于分析和控制，可根據觸發脈沖控制輸出電壓，適用于很多簡單的場景，輸出電壓的圖像如圖8所示，在對脈沖進行合理調整之后，負載電阻的電壓波形與理論研究的形狀相符合，但因只有上橋臂是可控的晶閘管，在某些時刻無法進行控制。

3)三相全控整流電路的6個晶閘管都能由觸發脈沖控制，只要保證觸發脈沖遵循一定的規律，就能保證輸出電壓按理想的狀態輸出。試驗中設計6個觸發脈沖，為直觀地觀察輸出電壓的波形，只選取1相電壓(如圖9所示)，此時輸出電壓Vb的波形正常，仿真效果達到了預期。在設計試驗時可引入鎖相環，進一步保證輸出電壓的質量，得到的平穩的直流電壓可直接供給三相全控逆變電路，實現岸端的供電功能。

2.3 仿真對比

通過對仿真結果進行分析并查閱相關資料，可得到以下結論：

1)由二極管組成的三相不控整流電路具有成本低和操作方式簡單等優點，但也存在明顯的不足。由于二極管是不可控器件，直流側的輸出電壓不可控制，導致輸出電流的質量不理想，易產生諧波污染，因此該類型整流電路不適于在環境因素有很多不確定性的大型現場應用。

2)三相半控整流電路可彌補二極管的不足，在一定范圍內控制輸出電壓，得到理想的波形，但由于其結構的特殊性，易使變壓器磁化失效。在實際岸電系統中，出于安全和穩定考慮，要避免失控的情況，不能選擇該類型整流電路。

3)三相全控整流電路的控制能力相比前2種整流電路有進一步的提升，上橋臂和下橋臂共有6個晶閘管，彌補了三相半控整流電路可能會在某區間內失控的缺點。該類型整流電路的輸出電壓可達到理想狀態，在實際工程中，鎖相環和反饋信號的加入會使其輸出電壓更平穩，更可靠?？紤]到岸電系統的整體性，該類型整流電路還可與中壓岸電系統的其他模塊相匹配，使系統結構更完整。

在構建中壓岸電系統的整流電路時，需考慮的問題是能否實時輸出可靠的電壓，能否對輸出電壓進行追蹤、控制。綜上所述，前2種整流電路不能滿足所要搭建的岸電系統的要求，三相全控的拓撲結構能達到電壓可追蹤且可控的要求，因此選擇這種拓撲結構進行建模并設計后續的控制方法。

3 結 語

本文對3種常見的整流電路的拓撲結構進行了分析，研究了三者的工作原理和相互間的等量關系，通過仿真建模分析得出適合中壓岸電系統使用的是三相全控整流電路，為后續逆變器的選擇和控制算法的設計奠定了基礎。在后續優化中，將在反饋模型中加入PID(Proportion Integral Differential)閉環控制，以此為基礎，搭配仿真平臺和數據采集等模塊，建立可在實船測試中應用的硬件在環仿真系統，提高整流電路的性能，使岸電系統更貼合應用實際，更好地應用到實船系統中。