基于逆变器调制的船舶电力推进系统电压平衡研究.pdf
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1、242023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术基于逆变器调制的船舶电力推进系统电压平衡研究魏智娟(舟山中远海运重工有限公司)摘要:开口绕组电动机广泛应用于船舶电力推进系统中,其中中压大功率逆变器是关键部件。为了提高系统电压和功率密度,提出了一种双五电平有源中点钳位(ANPC)逆变器,用于驱动船舶电力推进用中压开口绕组电动机。该逆变器的每一阶段由两个五电平 ANPC 桥组成,所有的阶段都由一个共同的直流环节供电。提出了一种混合调制方法对该逆变器进行控制。所有五级 ANPC 桥中的串联开关都以基频工
2、作,其他开关采用移相脉冲宽度调变(PWM)控制,可以在载波周期内实现中点电压和飞行电容电压之间的自然平衡。提出了一种基于调节 PWM 信号占空比的闭环电容电压平衡方法。中性点电压和飞行电容电压可以独立控制和平衡,不影响输出相电压,仿真和实验结果验证了该方法的有效性。关键词:多电平逆变器;电力推进;控制系统;电压平衡0 引言全电动船舶以其高燃油效率、高功率密度、高动态响应等优点成为现代船舶的发展趋势。中压直流(MVDC)系统与中压交流电系统相比有许多优点,因此前者被视为下一代船舶综合电力系统(IPS)。大功率中压逆变器是 MVDC 电力推进系统的关键部件。随着电力和电网电压需求的不断增加,传统的
3、两电平直流-交流逆变器已不再适用。事实上,多电平变换器由于具有电压应力低、共模电压小、工作电压高、谐波性能好等优点1-3。近年来受到越来越多的关注。在多电平拓扑中,中性点钳位(NPC)、飞行电容器(FC)和级联 H 桥(CHB)多电平变换器是业界最早和最经典的拓扑。本文针对双 5L-ANPC 逆变器的电容电压平衡问题,提出一种基于 PSPWM 的混合调制方法,允许串联开关的基频切换和其他开关的等频切换。在此基础上,推导了基于该调制方法的 NP 电流和 FC 电流的数学模型,其中 FC 电流和 NP 电流的平均值在载波周期内均为零。此外,提出了一种闭环电容电压平衡方法,该方法不需要零序电压,只需
4、对四个 PWM 信号进行微调。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。1 调制方式与自然电压平衡能力三电平 NPC 变换器,首次提出在 1981 年,是一个广泛使用的拓扑中电压应用。与 FC 和 CHB 转换器相比,它具有最高的功率密度。然而,受现有半导体阻塞电压的限制,它不能很容易地应用于超过 6kV的高压驱动器。当电压级数增加到四个或更多时,2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 242023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 242023/8/8 下午2:492023/8/8 下午2:49252023.08.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIP
5、MENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术NPC 变换器受到中性点(NP)电压不平衡问题的影响,这阻碍了它们在工业中的应用。尽管一些新的调制和控制技术可以用来解决这个问题,例如载波重叠PWM,虚拟矢量 PWM 和模型预测控制,但它们呈现出增加的功率损耗和谐波4-5。与多电平 NPC 逆变器相比,FC 多电平逆变器使用更少的开关,不会遇到 NP 电压平衡问题。这种拓扑的主要缺点是功能界面的数量太多,大大增加了系统的体积、权重和控制复杂度。CHB 转换器广泛应用于高压应用。这种拓扑的缺点是需要大量的隔离直流电源,因此不适用于 MVDC 船舶 IPS。模块化多电平转换
6、器是一种新兴的多电平转换器拓扑结构,近年来受到越来越多的关注。然而,在中压驱动应用中,它受到低频电容电压波动的影响,并且它需要大量的开关和电容器;因此,整个系统的功率密度降低。为了进一步提高电压水平和减少器件的数量,研究了许多新的多电平拓扑结构,这些结构被归类为混合多电平拓扑结构。堆叠式多单元(SMC)转换器是最早的混合多电平拓扑之一;它被配置为两个 FC 多电平转换器堆叠在一起。五电平有源中点钳位(5L-ANPC)转换器是另一种混合型多电平拓扑,它结合了三电平 ANPC 转换器和两电平单元。与5L-SMC 转换器相比,5L-ANPC 转换器使用更少的电容,因此功率密度将更高。许多其他的混合拓
7、扑已经被研究。双 5L-ANPC 逆变器的结构特点如下。该逆变器的每个相由两个 5L-ANPC 桥组成,并驱动一个隔离负载。因此,相电压最多包括九个电压电平。这种逆变器的一个关键问题是电流互感器和直流电容器的电压不平衡,这可能会恶化谐波性能,导致半导体和电容器的过电压。这可能是由于电容器参数的色散、驱动信号的延迟、死区效应、负载电流不平衡等原因造成。每个 5L-ANPC 桥包括两个半桥单元和一个三电平FC 单元。如果假设直流链电压为常数且等于 4E,则半桥单元和 FC 单元中开关的电压应力分别为 2E 和 E。交换机 S1xy S4xy和 S1xy S4xy互补操作,S3xy和S4xy总是同步
8、切换,其中符号x分别代表相位a、b或c,y 分别代表左半桥 L 或右半桥 R。每个 5L-ANPC 桥可以输出具有八个开关状态的五个电压电平。所有的开关状态都在制表符中进行总结,其中iFxy和iNxy分别是相应的FC电流和NP电流,ioxy是相电流。本 研 究 定 义 了 开 关 S1xy S4xy的 开 关 函 数 为Sf1xy Sf4xy。两个条件适用于 x 相桥 y 的瞬时电压Voxy,即:当输出电压为负时,S3xy和 S4xy被关闭。随后,输出桥电压 Voxy可以写为:当输出电压为正时,S3xy和 S4xy被打开。随后,输出桥电压 Voxy可以写为:结合上述两个条件,可将输出电压 Vo
9、xy简化为:如果选择 E 作为基本电压值,那么单个电桥的电压范围是-2,2。串联开关的开关功能可定义如下:式 中,uoxy为 单 个 电 桥 的 参 考 电 压,范 围为-22。为了使左右桥对称运行,uoxy可以表示如下:式中,uoxy为参考相电压,其值范围为-44。当(S3xy,S3xy)和(S4xy,S4xy)在基频工作时,(S1xy,S1xy)和(S2xy,S2xy)的参考调制电压域可写成如下:(1)(2)(3)(4)(5)2023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 252023-08期电器工业杂志排版设计和印刷发排.indd 252023/8/8 下午2:492023/8
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