Ｖ＿０１．３６ Ｎｏ．１２ ２０１６．１２ 船电技术ｌ应用研究 一种基于ＬＣＬ输出滤波器的船用逆变器研究 万福瑞 ，－，王国玲 ，一，刘先越１，２，俞万能１．２，廖卫强 ，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） 要：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 摘瞬时值控制策略，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。 关键词：ＬＣＬ滤波器新能源中图分类号：ＴＭ４６４ 逆变器船舶电力系统 文章编号：１００３．４８６２（２０１６）１２．０００１．０５ 文献标志码：Ａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ａｎ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ＬＣＬ Ｏｕｔｐｕｔ Ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ Ａ Ｓｈｉｐ Ｗａｎ Ｆｕｒｕｉ ．一，Ｗａｎｇ Ｇｕｏｌｉｎｇ ，一，Ｌｉｕ Ｘｉａｎｙｕｅ ．一，Ｙｕ Ｗａｎｎｅｎｇ ｒ，Ｌｉａｏ Ｗｅｉｑｉａｎｇ ， （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉｍｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２１，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ；２．Ｆｕｊｉａｎ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＮａｖａｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｎｄ ａＭａｒｉｎｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉａｒｎｅｎ ３６１０２１，Ｆｕｊｉａｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｖｏｌｕｍｅ—ｗｅｉｇｈｔ ｒａｔｉｏ ｏｆｓｈｉｐ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ， ａ ｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｆｏ ｃｉｒｃｕｉｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂａｓｅｄｏｎ ＬＣＬ ｏｕｔｐｕｔｆｉｌｔｅｒ ａｎｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄＳＯ ａｓ ｔｏ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｏｓａｌ ｆｏｒ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆｐａｒａｌｌｅｌ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｆｏ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎ ｍｕｌｔｉ—ｅｎｅｒｇｙｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍｆｏｒ ｔｈｅ ｓｈ ．Ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｄｅ—ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ， ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｗａｙｆｏｒ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｔｏｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ａｎｄ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｔｈａｔ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｈｅ ｉｔｎｖｅｒｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｓｔａｂｉｌｉｙｔ，ｇｏｏｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐ＆ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ ｏｆｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｅｔｃ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＣＬｆｉｌｔｅｒ，＂ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ，＂ｉｎｖｅｒｔｅｒ，＂ｍａｒｉｎｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ 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 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。 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 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 收稿日期：２０１６．０８．０４ 基金项目：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） 作者简介：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。 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 船电技术ｌ应用研究 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１Ｎ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：‘ ＩＬ＝ＩＧ＋ ２ （１） Ｖｂｌ＿３６ Ｎｏ．１２ ２０１６．１２ Ｃ、￡ｚ组成三阶ＬＣＬ滤波器。 其中， 、，２及 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。 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 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 １～ ６为６个ＩＧＢＴ开关管，Ｒｌ为滤波电感￡１内阻 与功率变换器内阻之和，Ｒ２为滤波电感 ２内阻，Ｌ１、 器工作在逆变状态，将直流电压 逆变成双极性两 电平高频交流脉冲电压甜 、Ｕｂ和 。，／，／ 、Ｕｂ和 。经输 出ＬＣＬ滤波器后变换成低频输出电流ｉ２ 、ｉ２ｂ和ｉ２。，并 与发电机输出ｉＧａ、ｉＧｂ￣Ｄｉｉｆ。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。 ＝０…一…………一……… Ｌ２ ８２ …一 Ｖ；Ｔ４ 『 Ｉ¨ 』 ｉ ｊ ｝ ０，ｖ ｒ ～ｉ２ｌ ０Ｔ ｎ ｖｖ ≥ｉｔ，ａ曼Ｔ￣ Ｌｂ ｜＿．＿『 一 —曼ｒ¨。 ．＼一 ｎ 一 ： ｒ ‘ Ｌ 。¨ ＿＿ｌ Ｎ’ ＬＣＬ滤波器 一＿一＿＿Ｎ 船舶负载 功率变换器图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ｌｄｉ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 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 １‘：ｆ２＋ｆｃ ｄｔ ｌ Ｕｉ一甜。＝ｉｌＲｌ＋Ｌｌ ｄｉｌ＋ｆ２ ＋Ｌ２ －ｄ－ｉＬ ｄｔ（２） 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 ＋ｉ２ｑｄＲ２＋Ｌ２ ｍ＋厶粤 Ｉ？（Ｏ＿ ０］ｊｉ２ｑ 等 ｄ＋Ｕｉ。（ ）一Ｕ。。（ ）十 ｃｏＩ （ ）＋ ：（ｏｌ２ （ ） （ 。＋ 。） （ ）＋（ｓＬ。＋Ｒ ），： （ ） Ｕｉ （ ）一Ｕ。 （ ）一 。 ，ｌ Ｓ）－Ｌ：ｃｏＩ （ ） （ 厶＋ 。），。 （ ）＋（ ：＋ＪＲ：）， （ ） ， （ ）＝ ： （ ）＋，ｃ （ ） ＝＝（４） 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 ‘ｑｄ＝ｆ２ｑｄ＋ｆｃｑ 式中 。为同步旋转角频率，即‰的角频率。 Ｇｄ（ ）＝（ ＋８１）／１ａ（ 一 （ ～Ｌ／ｏＩ￣ｑ（ ２ Ｖ＿０ｌ－３６ Ｎｏ．１２ ２０１６．１２ 船电技术Ｊ应用研究 出有功功率令ｉ２ｑ＊＝０。交流电流ｆ２ａｂ。经过变换得到反 馈电流 ｄ和 ，而交流电压空间矢量角 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 参考指令砜 和 ’，再经过Ｐａｒｋ反变换生成 和 ，Ｇｑ（ ）＝（ ＋足）‘ （ ）＋厶 （ ）＋ 国 （ ） 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 进而通过空间矢量发生器产生控制开关管的 ｆ２ｄ 给电流内环，本文为了使逆变器尽可能多的输 导通信号。 图４ ｄｑ坐标下基于状态反馈解耦控制原理图 （ａ）电感￡２电流ｄ轴解耦 （ｂ）电感 ２电流ｑ轴解耦 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 △ｌ‘Ｌｍａｘ＝ ｕ ｏｏ＜２０％Ｓ Ｎ （５） ３３．１逆变器ＬＣＬ参数设计 计算结果三１ ２．４７５ ｍＨ，适当增加一些裕量， 逆变器参数设计的前提条件如下ｔ电网相电 最终选取上１的值为２．５ ｍＨ。 压的有效值Ｕｏ＝２２０ Ｖ，直流母线电压Ｕｄ。＝９００ Ｖ， 对于滤波器电容Ｃ的选取，一般要求其无功功 电网频率 ＝５０ Ｈｚ，开关频率 ＝５ ｋＨｚ，逆变器额 率低于５％，本文要求无功功率的限定值为２％。由 定容量Ｓｓ＝３０ ｋＷ。 公式（６）可以据算出滤波电容的大小。 电流纹波△ｆＬｎ蕊一般可在１０％￣２５％，本 Ｃ：２％—— — （６） 文选取２０％，根据公式（５）可以得到逆变器侧滤波 ３Ｘ ２￣ｆｏｕｊ 电感 １的最小值。 最终选取Ｃ的值为１３ 。 ３ 船电技术Ｉ应用研究 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。 Ｌ２＝ｒＬ１（０＜，＜１） （７） 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ｉＬｌ（ｈ。ｗ１比值越小，谐波电流衰减效 果越好。 ——一ｉ（ｈ￣ｗ） 嘲羽１ （８） ｕ其中ｉＬ２（ｈｓｗ）￣ｆｌｉＬｌ（ｈ ）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ｌ０倍工频频率和一半开关频率之间： ｆ１０，ｎ 。。 ０．５Ａ ｛ Ｉ“。２ｎ１『ＬｌＪ『互Ｌ２互 Ｃ （９） 由式（８）可知ｒ越大电流谐波衰减效果越好。 本文选取ｒ＝Ｏ．５，算得 ：８％ ｆＬ Ｊ 带入式（７）得 Ｌ２＝１．２５ ｍＨ 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： 为电流采样周期，逆变桥 的放大特性可比例增益 ｗｍ表示。此时电流内环 控制结构如图７示。其中Ｇｌｄ（ｓ）为电流内环ＰＩ调节 器，且有 Ｇｌｄ ）：毛 』ｉＳ 其中岛、 分别为控制器的比例系数和积分系数。 由图７可以看出系统开环传递函数Ｇ０ｉ ）为： 噼 ｋｉｆｋｐｗ￣‘礤ｌ＋Ｔｉｓ Ｖｂ１＿３６ Ｎｏ．１２ ２０１６．１２ 型系统设计原理可知 。那么电流环的开环传 递函数为： Ｇ 高Ｓ』； １Ｉｌ十。 Ｓ Ｊ 取反馈比例 ＝１，电流环闭环传递函数为： 而Ｇｏｉ（Ｓ） Ｔｓ 尺 此时 ：一１ ２ 根据典型Ｉ型系统的二阶最佳整定法［２】，取系 统阻尼芒＝０．７０７，带入逆变器参数Ｌ＝３．７５， ｗｍ＝２００，Ｒ＝０．１，ｋ￣ｅ＝ｌ，Ｔｓ＝２００／ａｓ可得７ｑ＝０．０４７， －贝０系统特性如图８所示。图８（ａ１中实线和虚线分别 为对应的Ｇｏ（ｓ）、Ｇｅ（ｓ）频率特性，图８（ｂ）为Ｇ。（ｓ）・Ｇ （ｓ） 频率特性。从图中可以看出加入Ｇｏ（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４５￣；高频段衰减明显，抗干扰能力强。 电４６ ０ 。。｝ 。。～ ≯ｊ～ Ｉｌ 嬲＿ 趔２０ 颦 ｌ、 －２０ ～～～一———＿＿… ． ．０ 。 ，一一一 …一＿ 。■ 一 一 ＿ ～＇ 。 一 － －１０。 １０１ 柚 １０４ １０５ ｚ （ａ）Ｇ。（ｓ）、Ｇ。ｉ（ｓ）的频率特性 ２０ ～～一 一 ～ 墨 ｌ＿ ～～一。、、、、 、 －４０ 一 、、 －６０ Ｉ 舢…一。 。０ 、 … ： 晕＿ｌ３ｓ： 。 、 ０ ０ 、－ｌ８０ 一～ ’ 一 一 ｔ ￣，／Ｈｚ （ｂ）Ｇ （ｓ）Ｇ。ｉ（ｓ）的频率特性 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： Ｖｂ１－３６ Ｎｏ．１２ ２０１６．１２ 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 船电技术Ｉ应用研究 线表示Ａ相电压，实线表示Ａ＊Ｎ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 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 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％。 ｌＪ０ 出电压电流波形和逆变器输入输出功率，图（ｃ）虚 ／－／ｂ ＾ ，、 ｊ 、 ，～ ， ＼ ０．９ Ｓ ０．８ ＂Ｉ ｒ Ｉ ｌＩ ｉｌ ｙＨ ｒ 星＂ ０．６ 觐 Ｉ Ｉｆ －ｌ ｝ １ ｛ ｌ ｌ ｝＾≥ ＼¨｝ ０．３ ０．２｝ ０．１｝ ０【．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一．一 ． ．０．１２ ０．１３ ０．１４ Ｊ ＿＿－ ０．１５ ０．１６ ０．１７ ０．１８ ０．１９ ０．２０ 时间／ｓ （ａ）三相电流波形 ３５ （ｂ）Ａ相电流失真 ４００ ／Ｕａ ３００ ＞２００ 。誊 §¨ Ｉ ｌａ ＿Ⅲ ｌ： 争 输入功率输出功率 ｌｌ 槲 ３０ ／ ， 鑫 。 锄０ 幽 ｌ００ 脚．２００ —，、、 、ｉ，、，、 丑 辑 簿２５ ｖ 々… ｖ ， ，３００ ＿４００ ０．１２ ０．１４ ０．１６ ０．Ｊ８ ０．２０ ０．２２ ０．２４ ０．１２ ０．１３ ０．１４ ０．１５ ０．１６ ０．１７ ０．１８ ０．１９ ０．２０ 时间／ｓ 时间／ｓ ｆｃ）Ａ相电压电流 （ｄ）输入输出功率 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： 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）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 参考文献： ［１】 俞万能，李丹，郑为民．太阳能游览船能量控制系统 研发［ 中国造船，２０１３，０３：１７７—１８３． 并得到精确的逆变器数学模型。 ２）采用并网电流ｆ２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。 ［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 ５
