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摘要：
为进一步提高船舶轴带发电机效率，建立基于前馈解耦控制的空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM） 整流器的轴带发电机整流系统.采用一种基于电压电流双环控制的三相SVPWM整流器.电压外环与电流内环组成的解耦模块能实现对有功功率和无功功率的解耦控制，使幅值和频率均变化的交流电通过整流变换为稳定的直流电压.给出电流内环和电压外环的比例积分（Proportion Integration，PI）调节器的设计参数.在MATLAB/Simulink上建立仿真模型，验证控制模型的可行性.仿真结果表明，该整流器具有快速的动态响应和良好的稳定性.
关键词：
轴带发电机； 前馈解耦控制； 空间矢量脉宽调制（SVPWM）； 整流器
中图分类号： U665.13； TM461.3
文献标志码： A
Feedforward decoupling control of ship shaft generator rectifier
LIU Yijian， XU Huimin， LI Shuo， XIE Chuanhui
（
Logistics Engineering College， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 201306， China）
Abstract：
To further improve the efficiency of shaft generators， the shaft generator rectification system of Space Vector Pulse Width Modulation （SVPWM） rectifiers based on the feedforward decoupling control is built. A threephase SVPWM rectifier based on voltagecurrent doubleloop control is adopted. The decoupling module including an outer voltage loop and an inner current loop can realize a decoupling control of the active and reactive power. Thus， the alternating current with changeable amplitude and frequency can be rectified to the stable direct voltage. The design parameters of Proportion Integration （PI） regulator of the inner current loop and the outer voltage loop are given. A simulation model is established by MATLAB/Simulink， and the feasibility of the control model is verified. Simulation results show that the rectifier is of fast dynamic response and good stability.
Key words：
shaft generator； feedforward decoupling control； Space Vector Pulse Width Modulation （SVPWM）； rectifier
收稿日期： 20140119
修回日期： 20140514
基金项目：
国家自然科学基金（61374132）
作者简介：
刘以建（1965—），男，江苏如东人，副教授，硕导，博士，研究方向为电气自动化，（Email）[email protected]
0引言
在船舶航运费用中，燃料费占50%～60%，因此，合理利用能源、降低燃油消耗量对于提高船舶的经济效益有巨大意义.船舶主机采用重油作为燃料，价格便宜，而船舶轴带发电机由主机主轴驱动发电，利用主机的富余功率达到节能的目的，在运行效率和经济性方面远高于燃烧轻油的发电机，因此对轴带发电机系统的研究有重要意义.
轴带发电机系统中的同步发电机由主机驱动，轴带发电机输出的电压大小和频率高低随主机转速变化而变化，无法直接并网，因此轴带发电机系统主要的问题是恒频恒压问题.船舶轴带发电机分为变距桨和定距桨型，定距桨型可分为转速补偿和频率补偿两类.目前定距桨频率补偿型轴带发电机系统在船舶中使用最广泛.定距桨型轴带发电机系统解决频率恒定问题有各种不同的方法，例如，旋转变流机组稳频型、行星齿轮传动型、整流逆变型.随着电力电子器件的高速发展，以绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）为代表的新型全控型器件的大量使用，使得整流逆变型轴带发电机系统得到更多的分析和应用.
整流逆变型轴带发电机系统结构见图1，其中SG为轴带发电机.
图1所示轴带发电机系统中，发电机发出的电能先通过整流电路变为直流电，然后通过逆变器给船舶电网供电.现有整流逆变型轴带发电机系统，整流部分主要采用二极管整流或晶闸管整流.二极管整流电路采用非线性不可控元件，其输入侧电流波形畸变严重，谐波含量比较大，使轴带发电机功率因数降低，转矩发生振荡.图2为西门子晶闸管轴带发电机系统，该系统主要通过同步补偿机（SC）调节输出电网的无功功率，保持电网电压恒定，但采用同步补偿机的损耗和噪声较大，运行维护复杂. 新型轴带发电机系统采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）整流和逆变技术，无须同步补偿机，就能实现对有功功率和无功功率的控制；对整流器的控制目的是使逆变器直流侧的电压为恒定电压，最大限度地利用船舶发电机主机的能量.现主要对轴带发电机系统的整流部分进行分析，采用基于前馈解耦空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM，SVPWM）的控制方式对整流器进行控制，实现控制目标.
1轴带发电机整流系统工作原理
轴带发电机整流系统结构见图3.轴带发电机输出的三相电通过IGBT模块的三相电压型整流电路变为直流电，整流电路采用前馈解耦控制的方式实现对电压电流的控制.
通过坐标变换，把
轴带发电机输出的交流电压和电流三相旋转坐标系变换成正交的静止坐标，然后通过电压外环PI调节和电流内环PI调节实现对id和iq的无静差控制.PI调节器的输出信号经过dq/（αβ）（q表示有功分量参考轴，d表示无功分量参考轴）变换后，经过SVPWM得到相应的开关驱动信号，控制三相电压型整流电路的开关管实现轴带发电机整流目标.
1.2SVPWM控制技术
SVPWM又叫磁链跟踪控制技术，它将三角波与对称的三相正弦调制波比较生成PWM波形，是一种相电压控制方式.SVPWM的控制策略是通过变流器空间电压矢量切换控制交流器的一种控制策略.将SVPWM应用于轴带发电机整流电路控制中，可以继承SVPWM电压利用率高、动态响应快、开关损耗小、控制算法简单等优点，实现较高的控制性能.
整流器由不同开关状态组成8个电压矢量，其中2个为零矢量，6个为非零矢量，各矢量见表1。
矢量空间电压矢量的模都为2ud/3，在空间上的相位差为60°，这6个矢量按一定的次序作用可以形成一个正六边形，见图6.
SVPWM矢量形成，即用实际磁链矢量追踪理想磁链圆的方式，是用三段实际磁链合成磁链平.把它分成6个扇区，每60°为一个扇区，在每个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则合成每个扇区内的任意电压矢量，最终使三相整流电路的输入电压为等效的正弦波.
2实验结果及分析
实验主要包括：基于MATLAB/Simulink建立整流电路及其解耦控制电路的仿真模型.通过对输出负载变化、轴带发电机电压变化、轴带发电机频率变化的仿真，验证该整流系统的可行性.
根据以上分析，建立电路的仿真模型.系统主要参数：额定电压为线电压400 V/相电压230 V，额定电流为54 A，额定功率为30 kW.直流侧输出电压为700 V；轴带发电机交流侧线电压为380～450 V，即相电压220～260 V；等效电感2.5 mH；直流侧电容2 000 μF；电压环KP=0.2，KI=19.2；电流环kP=2.15，kI=0.1.
由图7（a）可知直流侧输出电压在0.01 s内达到稳定值，超调量很小、纹波小，稳定时电压波动在0.5 V以内.当负载增大50%时，输出电压变小，直流输出电压在0.1 s内达到稳定.图7（b）中，当负载增大时，有功电流也随之变大.
如图8所示：交流侧相电压由240 V变到260 V，由260 V变到220 V，直流侧输出电压均能在0.1 s内达到稳定；为维持输出电压，当交流侧电压增大时有功电流减小，当交流侧电压减小时有功电流增大.
如图9（a）所示，交流侧电源频率由60 Hz变到70 Hz，由70 Hz变为55 Hz，直流侧输出电压在0.1 s内能达到稳定.
如图10所示，交流侧输入电流接近正弦波，波形畸变较小，稳定时整流器工作在额定功率下，功率因数接近1.
根据图11和12所示，PWM控制下的交流侧电流波形畸变比SVPWM下的要大，采用SVPWM能更好地提高轴带发电机的功率因数.由于SVPWM
的主要优点是提高电压的利用率，同样的交流电压，SVPWM控制法的直流侧输出电压值更大.
通过前馈解耦SVPWM控制整流电路，仿真结果表明，当轴带发电机输出的电压幅值和频率都变化时，整流器输出的直流电压均能在很短的时间内稳定在700 V，满足设计要求，且可以通过调节i*d和i*q控制功率因数，实现对电压幅值和频率均变
化的轴带发电机系统的控制，保证向逆变器直流侧提供高质量的电压电源.
3结束语
目前，国内外对轴带发电机的研究主要集中在
并网逆变部分，对整流部分的研究较少.本文主要针对轴带发电机的整流部分进行研究，通过对三相电
压型SVPWM整流电路的分析，采用前馈解耦SVPWM整流的处理方式，给出整流部分的设计方案，并对其进行仿真研究，实现轴带发电机整流部分的功能，并得到较好的控制效果，大大减小谐波对船舶电网的影响，提高轴带发电机的利用率，同时为并网逆变提供稳定电压，提高并网电能质量.
参考文献：
[1]
许晓彦. 船舶多模式电站与船舶电网电能质量研究[D]. 上海： 上海海事大学， 2007.
[2]张志华， 高跃. 船舶轴带发电机并网逆变器的研究[J]. 船电技术， 2009， 29（1）： 1215.
[3]李亮， 刘以建. 基于全控型PWM变流器的船舶轴带发电机系统的研究[J]. 船舶科学技术， 2009， 31（7）： 5155.
[4]PENG Ling， LI Yongdong， CHAI Jianyun， et al. Vector contol of a doubly fed induction generator for standalone ship shaft generator systems[C]//Proc Int Conf Electr Machines & Systems 2007， Seoul， Korea， 2007： 10331036.
[5]屠富军， 王丹， 彭周华. 双馈异步轴带发电机网侧变流器控制策略的研究[J]. 船电技术， 2012， 31（11）： 47.
[6]秦静， 李世光， 蒋正友. 三相电压型PWM整流器的解耦与控制研究[J].电气传动， 2011， 41（4）： 2227.
[7]全吉男， 王聪， 韩春艳. 三相电压型PWM整流器的内模解耦控制[J]. 电力电子技术， 2007， 41（7）： 1416.
[8]唐玉良. 三相整流器的前馈解耦控制与仿真研究[J]. 通信电源技术， 2012， 29（4）： 89.
[9]赵振波， 李和明. 单位功率因数PWM整流器双闭环PI调节器设计[J]. 电工技术杂志， 2003（5）： 6871，84.
[10]景小萍， 高庆华. 三相PWM整流器双闭环PI调节的新型设计[J]. 通信电源技术， 2010， 27（2）： 4447.
[11]朱俊杰， 王辉， 聂卫民. 基于矢量控制的PWM整流器SIMULINK建模与仿真[J]. 电气传动自动化， 2004， 26（1）： 1820.
[12]周倩， 梁晖. 三相PWM整流器PI参数的设计分析[J]. 电力电子技术， 2011， 45（2）： 5052.
[13]王万宝， 付志红， 苏向丰， 等. 三相电压型SVPWM整流器离散域控制模型[J]. 系统仿真学报， 2010， 22（1）： 222226.
（编辑赵勉）
为进一步提高船舶轴带发电机效率，建立基于前馈解耦控制的空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation， SVPWM） 整流器的轴带发电机整流系统.采用一种基于电压电流双环控制的三相SVPWM整流器.电压外环与电流内环组成的解耦模块能实现对有功功率和无功功率的解耦控制，使幅值和频率均变化的交流电通过整流变换为稳定的直流电压.给出电流内环和电压外环的比例积分（Proportion Integration，PI）调节器的设计参数.在MATLAB/Simulink上建立仿真模型，验证控制模型的可行性.仿真结果表明，该整流器具有快速的动态响应和良好的稳定性.
关键词：
轴带发电机； 前馈解耦控制； 空间矢量脉宽调制（SVPWM）； 整流器
中图分类号： U665.13； TM461.3
文献标志码： A
Feedforward decoupling control of ship shaft generator rectifier
LIU Yijian， XU Huimin， LI Shuo， XIE Chuanhui
（
Logistics Engineering College， Shanghai Maritime Univ.， Shanghai 201306， China）
Abstract：
To further improve the efficiency of shaft generators， the shaft generator rectification system of Space Vector Pulse Width Modulation （SVPWM） rectifiers based on the feedforward decoupling control is built. A threephase SVPWM rectifier based on voltagecurrent doubleloop control is adopted. The decoupling module including an outer voltage loop and an inner current loop can realize a decoupling control of the active and reactive power. Thus， the alternating current with changeable amplitude and frequency can be rectified to the stable direct voltage. The design parameters of Proportion Integration （PI） regulator of the inner current loop and the outer voltage loop are given. A simulation model is established by MATLAB/Simulink， and the feasibility of the control model is verified. Simulation results show that the rectifier is of fast dynamic response and good stability.
Key words：
shaft generator； feedforward decoupling control； Space Vector Pulse Width Modulation （SVPWM）； rectifier
收稿日期： 20140119
修回日期： 20140514
基金项目：
国家自然科学基金（61374132）
作者简介：
刘以建（1965—），男，江苏如东人，副教授，硕导，博士，研究方向为电气自动化，（Email）[email protected]
0引言
在船舶航运费用中，燃料费占50%～60%，因此，合理利用能源、降低燃油消耗量对于提高船舶的经济效益有巨大意义.船舶主机采用重油作为燃料，价格便宜，而船舶轴带发电机由主机主轴驱动发电，利用主机的富余功率达到节能的目的，在运行效率和经济性方面远高于燃烧轻油的发电机，因此对轴带发电机系统的研究有重要意义.
轴带发电机系统中的同步发电机由主机驱动，轴带发电机输出的电压大小和频率高低随主机转速变化而变化，无法直接并网，因此轴带发电机系统主要的问题是恒频恒压问题.船舶轴带发电机分为变距桨和定距桨型，定距桨型可分为转速补偿和频率补偿两类.目前定距桨频率补偿型轴带发电机系统在船舶中使用最广泛.定距桨型轴带发电机系统解决频率恒定问题有各种不同的方法，例如，旋转变流机组稳频型、行星齿轮传动型、整流逆变型.随着电力电子器件的高速发展，以绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）为代表的新型全控型器件的大量使用，使得整流逆变型轴带发电机系统得到更多的分析和应用.
整流逆变型轴带发电机系统结构见图1，其中SG为轴带发电机.
图1所示轴带发电机系统中，发电机发出的电能先通过整流电路变为直流电，然后通过逆变器给船舶电网供电.现有整流逆变型轴带发电机系统，整流部分主要采用二极管整流或晶闸管整流.二极管整流电路采用非线性不可控元件，其输入侧电流波形畸变严重，谐波含量比较大，使轴带发电机功率因数降低，转矩发生振荡.图2为西门子晶闸管轴带发电机系统，该系统主要通过同步补偿机（SC）调节输出电网的无功功率，保持电网电压恒定，但采用同步补偿机的损耗和噪声较大，运行维护复杂. 新型轴带发电机系统采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）整流和逆变技术，无须同步补偿机，就能实现对有功功率和无功功率的控制；对整流器的控制目的是使逆变器直流侧的电压为恒定电压，最大限度地利用船舶发电机主机的能量.现主要对轴带发电机系统的整流部分进行分析，采用基于前馈解耦空间矢量脉宽调制（Space Vector PWM，SVPWM）的控制方式对整流器进行控制，实现控制目标.
1轴带发电机整流系统工作原理
轴带发电机整流系统结构见图3.轴带发电机输出的三相电通过IGBT模块的三相电压型整流电路变为直流电，整流电路采用前馈解耦控制的方式实现对电压电流的控制.
通过坐标变换，把
轴带发电机输出的交流电压和电流三相旋转坐标系变换成正交的静止坐标，然后通过电压外环PI调节和电流内环PI调节实现对id和iq的无静差控制.PI调节器的输出信号经过dq/（αβ）（q表示有功分量参考轴，d表示无功分量参考轴）变换后，经过SVPWM得到相应的开关驱动信号，控制三相电压型整流电路的开关管实现轴带发电机整流目标.
1.2SVPWM控制技术
SVPWM又叫磁链跟踪控制技术，它将三角波与对称的三相正弦调制波比较生成PWM波形，是一种相电压控制方式.SVPWM的控制策略是通过变流器空间电压矢量切换控制交流器的一种控制策略.将SVPWM应用于轴带发电机整流电路控制中，可以继承SVPWM电压利用率高、动态响应快、开关损耗小、控制算法简单等优点，实现较高的控制性能.
整流器由不同开关状态组成8个电压矢量，其中2个为零矢量，6个为非零矢量，各矢量见表1。
矢量空间电压矢量的模都为2ud/3，在空间上的相位差为60°，这6个矢量按一定的次序作用可以形成一个正六边形，见图6.
SVPWM矢量形成，即用实际磁链矢量追踪理想磁链圆的方式，是用三段实际磁链合成磁链平.把它分成6个扇区，每60°为一个扇区，在每个扇区，选择相邻的两个电压矢量以及零矢量，按照伏秒平衡的原则合成每个扇区内的任意电压矢量，最终使三相整流电路的输入电压为等效的正弦波.
2实验结果及分析
实验主要包括：基于MATLAB/Simulink建立整流电路及其解耦控制电路的仿真模型.通过对输出负载变化、轴带发电机电压变化、轴带发电机频率变化的仿真，验证该整流系统的可行性.
根据以上分析，建立电路的仿真模型.系统主要参数：额定电压为线电压400 V/相电压230 V，额定电流为54 A，额定功率为30 kW.直流侧输出电压为700 V；轴带发电机交流侧线电压为380～450 V，即相电压220～260 V；等效电感2.5 mH；直流侧电容2 000 μF；电压环KP=0.2，KI=19.2；电流环kP=2.15，kI=0.1.
由图7（a）可知直流侧输出电压在0.01 s内达到稳定值，超调量很小、纹波小，稳定时电压波动在0.5 V以内.当负载增大50%时，输出电压变小，直流输出电压在0.1 s内达到稳定.图7（b）中，当负载增大时，有功电流也随之变大.
如图8所示：交流侧相电压由240 V变到260 V，由260 V变到220 V，直流侧输出电压均能在0.1 s内达到稳定；为维持输出电压，当交流侧电压增大时有功电流减小，当交流侧电压减小时有功电流增大.
如图9（a）所示，交流侧电源频率由60 Hz变到70 Hz，由70 Hz变为55 Hz，直流侧输出电压在0.1 s内能达到稳定.
如图10所示，交流侧输入电流接近正弦波，波形畸变较小，稳定时整流器工作在额定功率下，功率因数接近1.
根据图11和12所示，PWM控制下的交流侧电流波形畸变比SVPWM下的要大，采用SVPWM能更好地提高轴带发电机的功率因数.由于SVPWM
的主要优点是提高电压的利用率，同样的交流电压，SVPWM控制法的直流侧输出电压值更大.
通过前馈解耦SVPWM控制整流电路，仿真结果表明，当轴带发电机输出的电压幅值和频率都变化时，整流器输出的直流电压均能在很短的时间内稳定在700 V，满足设计要求，且可以通过调节i*d和i*q控制功率因数，实现对电压幅值和频率均变
化的轴带发电机系统的控制，保证向逆变器直流侧提供高质量的电压电源.
3结束语
目前，国内外对轴带发电机的研究主要集中在
并网逆变部分，对整流部分的研究较少.本文主要针对轴带发电机的整流部分进行研究，通过对三相电
压型SVPWM整流电路的分析，采用前馈解耦SVPWM整流的处理方式，给出整流部分的设计方案，并对其进行仿真研究，实现轴带发电机整流部分的功能，并得到较好的控制效果，大大减小谐波对船舶电网的影响，提高轴带发电机的利用率，同时为并网逆变提供稳定电压，提高并网电能质量.
参考文献：
[1]
许晓彦. 船舶多模式电站与船舶电网电能质量研究[D]. 上海： 上海海事大学， 2007.
[2]张志华， 高跃. 船舶轴带发电机并网逆变器的研究[J]. 船电技术， 2009， 29（1）： 1215.
[3]李亮， 刘以建. 基于全控型PWM变流器的船舶轴带发电机系统的研究[J]. 船舶科学技术， 2009， 31（7）： 5155.
[4]PENG Ling， LI Yongdong， CHAI Jianyun， et al. Vector contol of a doubly fed induction generator for standalone ship shaft generator systems[C]//Proc Int Conf Electr Machines & Systems 2007， Seoul， Korea， 2007： 10331036.
[5]屠富军， 王丹， 彭周华. 双馈异步轴带发电机网侧变流器控制策略的研究[J]. 船电技术， 2012， 31（11）： 47.
[6]秦静， 李世光， 蒋正友. 三相电压型PWM整流器的解耦与控制研究[J].电气传动， 2011， 41（4）： 2227.
[7]全吉男， 王聪， 韩春艳. 三相电压型PWM整流器的内模解耦控制[J]. 电力电子技术， 2007， 41（7）： 1416.
[8]唐玉良. 三相整流器的前馈解耦控制与仿真研究[J]. 通信电源技术， 2012， 29（4）： 89.
[9]赵振波， 李和明. 单位功率因数PWM整流器双闭环PI调节器设计[J]. 电工技术杂志， 2003（5）： 6871，84.
[10]景小萍， 高庆华. 三相PWM整流器双闭环PI调节的新型设计[J]. 通信电源技术， 2010， 27（2）： 4447.
[11]朱俊杰， 王辉， 聂卫民. 基于矢量控制的PWM整流器SIMULINK建模与仿真[J]. 电气传动自动化， 2004， 26（1）： 1820.
[12]周倩， 梁晖. 三相PWM整流器PI参数的设计分析[J]. 电力电子技术， 2011， 45（2）： 5052.
[13]王万宝， 付志红， 苏向丰， 等. 三相电压型SVPWM整流器离散域控制模型[J]. 系统仿真学报， 2010， 22（1）： 222226.
（编辑赵勉）