国产化大功率船舶DC_DC变换器研制_汪洪亮.pdf

第卷第期年月电 力电子技术，模 块，输入侧并 联输出侧 并联。监控显示板安装 在变换器的面板上，采用以太网、和无源触点方式与直流变换模块及船舶电力综合平台通信，实时显示和反馈变换器运行状态及故障 时 声光报警。？主 功率变换部 分 直流变换 直流变换直流变换图系统结构图模块电路 拓扑 与工作 原理图为 单 个直流 变 换模块电路 拓扑。引言随着船舶向大型化、专业化和自动化方向发展，对变换器性能提出更高要求大 容量、高密度、高效率成 为船舶电源发展趋势。实现船舶变 换器全国产 化是实现我国海洋强国的必经之路，对维护我国海洋安全至关重要。设计了一台用于船舶 直流配电网的变换器，输入电压，输出电压，额定功率，最大功率。输出短路时，变换器具有自动限流（）能力，维持时间大于。实验验证了其稳态和动 态等性能要求。原理与设计 变换器系统组成所设计的变 换器系统主要分 为功率变 换和监控显示两 大 部分。图为系统结构。系统核心是个额定功率设 计为的直流变 换基 金项目：国家自然科学基金项目（）；年湖南省自然科学 杰出青 年基金项目（）定稿日期：作者 简介：汪洪亮（），男，教 授，研究 方 向为电力电子拓扑应用等。国产化大功率船舶变换器研制汪洪亮，郑真，张文元，朱晓楠（湖 南大学，电气与信息工程学院，湖南长沙）摘要：设计了一台用于船舶综合电力系统直流区域配电系统的全国产化变换器。首先，介绍了电路工作 原理，给出 了参 数设计 方法和关键器件的 国产化选 型，提出了多模块串并联组合均压均流控 制 策 略。其次，基于状态空间平均法建立了系统小信 号模型，设计了 闭环控制器。最后，搭建了实验样机，验证了其可行 性。关键词：变换器；串并联组合；状态空间平均 法；小信号 模型中图分类号：文献标识码：文章编 号：（），（，）：，？，：；：（）；？（）滤波器滤波器第 卷第期年月电 力 电子技术，其采用两级式变换器。前级采用两路全桥输入串联输出并联（）结 构，减小了初级半的电压应力和次 级整流管一半的电流应力，降低了器件选型难度，增 加了电气裕量，提高了变换器可靠性。后级采用两路同步整流变换器输入并联输出并联（）结 构，开关 管的电流应力减小为原来的一半，便于选型和散热设计。工作 原理与设计每路全桥变换器初 级对角同开同关，同一桥臂上两个互补开通，每个开关 管导通时间为半 个开关周期。两路驱动信号序列相同，开关频率略 小于谐振频 率并保 持固定，变换器工作 在谐振点附近，等效增益为，功能类似于，能 实现初、次级电气隔离，且具 备全负载范围内初级 开 关管和次 级整流二极管的特性参数 设计如 下变压器匝比的确定两路工作 在谐振点 附近的全桥等效 为两个的直流 变压器，每个变压器匝比为：）（）式中：为额定输入电压；。为输出电压。励磁电感的确定励磁电感 取值需要考虑初级能够 实现。在初级换流的死区过程中，励磁电流对关断的寄生电容 充电，而对要开通的寄生电容 放电。只有在死区时间结 束 前完成寄生电容的充放电过程才能 实现。因此励磁电感最大取值为：）（）式中为死区时间；，为开关 频 率；为寄生电容大小。谐振电感和谐振电容的确定与传统的设 计不同，的电感系数 往 往取值比较大，以保证增 益特性较 硬，从而 受负载 影响较小。假设允许的 电压增益偏 差为，即矣，在开路）情况下，电压增益最 大，可以确 定 最小电感系数 为：入（？）（）（）式中：？为开关频率的 归一化频率。谐振电感和 谐振电容 按照下式 确定：，（）（）同步整流工作原理与设计模块后级 两路同步整 流采用交错并联控制模式，电感电流纹波相互抵消，有效减 小了所需输出滤波电容 容值。此外变换器结 构简单，控制灵活，既可以工作在单电压环、单电流环，也可以采用 电压外环电流内环的双闭环控制，能满足变换器动态和 稳态性能需求。同步 整流变换器参数设计过程如下：电感值的确定交错并联变换器输出电流纹波大小为：（）（）（）（）式中：）为占空比。当，及电感确 定 后，可以根据计算出最大电感电流纹波，并根据最大电感电流纹波计算电感值。工业上，最 大电感电流纹波常取输出电流平均值的。输出滤 波电容的确定电感确定 后，电感电流 纹波也随之确 定，根据所要 求的输出电压纹波，可以计 算出所需的输出滤波电容 为：（风）（）式中：为电感电流 纹波最大值；？为允 许的最大 输出电压纹波大小。控制策略系统均压均流控制所设计的变 换器是由多个子变换器串并联组合构 成的复杂系统，各子变换器间功率均衡是实现系统稳 定高效运行的前提条件。然而实 际器件难以保证完全一致，变换器之间功率难以自然均衡，严重 影响到 系统可靠性，因此需对各子变换器进行 均压均流控制。图为所提出多变换 器 均压均流控制策略。模块前级采用型组合，两路功率均衡需要控制输入电压相等 或者输出电流相等。考 虑 到型系统采用输出侧均流控制策略无法稳定，这里提出了基于移相控制的输入电压均压控制策 略。通过检测并比较两路输入电压的大小，增大输入电压较小的子 变 换器移 相角，从而减小子变换器增益大小，最终实现均压均流控制。模 块后级采用型组合，需要对两路输入电流或输出电流进行控制。这里提出一种基于共占空比的均流控制策略，只采 样其中一路电感电流的平均值进行闭环控制，计算得到的实 时占空比也作为另一路占空比，减少了电流传感器数量。模块间也采用型组合，这里提出一种基于输出电流跟随的主从均流控制。选定任一个模块为主模块，采用电压外环电流内环实现稳压输出。剩余两个模 块均为从模块。每个从模块实 时采样总输出电流大小，并取三分之一作 为电流环给定，采用单电流环控制，实现均流输出。由于从模块电流给定值是实际电流，实际负载变化时，电流给定也立即改变，大大加快了变换器的动态响应。国产化大功率船舶变换器研制图均压均流控制策略轻载切相优 化控制轻载工况下，同步 整流控制 的变 换器存在以下两个问题：电感电流始终工作在连续模式会增 加损耗；由于个模块输出侧 没有增加反向截止二极管，而实际工作中个模块难以实现完全同步，因此模 块之间会 存 在环流，其中某个模块变换器逆向工作于 模式，造成 母线电压升 高，影响装置可靠性。此处提出了轻载从模 块切相优化控制策略。当变换器总输出功率小于某一阈值时，从模块不工作，仅由主模块供电，从而提高变换器轻载整体效率和运行的可靠性。短路限流控制船舶直流区域配电系统的各供电分区是一个相对独立的供电区域，某个区域内出现故障应尽可能减小对左右舷 母线的影响。若区域内负载发生短路故障，要求变 换电源具有 短路限流功能，以实现短路点前面的保险丝能在 短路时自动 熔 断而脱离区域配电 网。所设计的变换器通过采样输出电压电流，实时 判断短路故 障。发生短路故障 时，个模块均切换到给定值 为的单电流闭环控制模式，并利用定时器延时，从而满足短路限流，持续 的需求，最后停机报警。系统建模与控制器设计单 模块前级和后 级控制解耦，可以分别进 行建模和控制。前级开关频率固定，类 似于直流 变压 器，在 设计输出电压电流闭环控制器时，前级可以等效为一个比例模型，这个比例 系数等于变压 器匝 比。后级变换器采用状 态空间平 均法建 模可以得到 相应的小信号模型，最终单个模块小 信号模型 如图所示？（），（！（）（：（）上丁。丨尺丨，；飞（）图单 个 模块小信号模型 根据 所建立小信号模型，可求出电感电流占空比传递函数和电压电感电流传递函数分别 为：（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）图，分别为从模块和主模块闭环控制器设计框图，从模块是一个单电流闭环，而主模 块是电压外环和电流内环双环控制。工程上为简化电压外环控制器设计难度，电流内环可以用一个比例环节）来近似替代。：芒？（）（）（从 模块控制器设 计（）主模块控制器计图闭环控制器设计框图 实验分 析所 设计变 换器电路关 键参数 如下：为；？。；额 定 功率；过载能力倍；谐振频 率；后级 频率山；励 磁电容；变压器匝比：；滤波电感；滤波电容。所设 计 变 换器采用全国产化器件，部分关键国产化器件选型：为；为；二极管为 ；为。图稳态实验波形 图为输入下对应空载半载切 换、半载满载切换的输出 电压和电流 动 态 实验波形。实验 结果显示，所研制 的变换器输出电压波动最大值 不 超过，最大动 态调 整 时间为，具有较好的动态 性能。图为输入电压为，和，额定功率为的稳态实验波形。输出电压能稳定在，纹波系数不大于，个 模块输出电流分别为，最大不均流度为。经过分析，发现所选用 的国产霍尔电流传 感器的采样值 波动比较大，影响了最 终均流效 果，但实验仍初步验证了所提均流控制策 略的可行性。，（格）图短路限流实验波形 结论设 计了一台用于船舶综合电力系统直流区域配电系统的国产化 的变 换器介绍了电路工作原理，给出了详细的参数 设计过程和关键器件的国产化选型，提出了基于移相控制、基于共占空比控制以及基于输出电流跟随的主从控制的 多变 换器串并联组合系统 均压均流控 制策略，并 采用状态空间平均法建立了系统的小信号模型 用以指导控制器的设计。最后实验验证了所研制的变换器和所提出的 多变换器控制策略的可行性。实验结果显示，所研制的变换器具有较好的稳态和动态 性能，具有（）短路限流能力。参考文献王征综 合平台管理系统 在综合电 力船舶中 的应用研宂装 备 制造 技 术，（）：胡海斌，高海波，林治国，等船舶电力 系统 发展 历程与展望船舶工程，（）：，邓任任，杨冬梅，陈永华，等新型电源结构 下船舶综合电力系统区域配电网技 术舰船科 学技 术，（）：，王金龙两级式航空 变换器的研究：南京：南京航空航天大 学，？，（）：汪渭滨，管月，尚伟林交 错并联型微型电源模块设 计电力电子技术，（）：阮 新波，陈武，方天 治，等多变换器模 块串并 联组合系统北 京：科学出版社，孙文，林平，卢冶用于电动汽车的双向变换器控制设计电力 电子技术，（）：图动 态实验波形图为变换器输出侧 发生短路 故障时的短 路限流实验波形。短路故障发生时，个模块总输出 电流为，持续时间后停机。￥电 力电子技术一会？优意科技期剎、中弍心期 判、值与蚵究教中夂矣期剎￥投稿邮箱：￥（格）（！载突 变半钗變本（格）（半栽突变满战（格）（）输入 稳态（；）（）输入 稳态（格）（）半载 突变空 载（格）（）输入稳态（格）（）梟夫木均流；，计、，第卷第期电力电子技术，年月（珐（管）。）（）（穿）（逭）。？（垄（）（兹）。（垄）（）（奮）。（垄）。（宏