1引言
使用60Hz电源制式船舶，其船载设备若直接采用通用的50Hz电源，频率偏差远远超过设备允许值，对电动机、锚机等负载产生较大影响，甚至导致其他船载贵重电子设备严重损坏[1]。过去修造船厂、港口、码头使用传统的发电机组作为60Hz岸电电源向船舶供电，由此带来噪音大、效率低、维护麻烦等问题[2]。而电子静止式岸电电源（SPS）采用IGBT逆变及数字化控制技术，将国内380V/50Hz供电电压转换为440V/60Hz电压，以满足需要60Hz供电的行业的要求[3-4]，因其无污染、效率和智能化程度高，而得以逐步使用。
目前国内船用SPS解决方案有：①将不间断电源（UPS）改造为输出440V/60Hz电源，当需大容量时，采用两台UPS并机使用，此种方案效率仅在90%以下，且因为UPS电路针对计算机类负载设计，当负载为电动机类冲击负载时，其可靠性大幅下降；②变频器+正弦波处理器+电力变压器方案，由于正弦波处理器的电感量很大，所以设备整体效率仅约为85%，且噪音大，稳压性能差。在此提出一种新的SPS方案，能很好地解决上述问题。
2新型SPS结构及工作原理
2.1新型SPS结构
该SPS的设计方案是采用变频器+波形预处理器+逆变变压器，其结构如图1所示。
交流电抗器在三相电源输入端加装交流电抗器，可有效改善输入功率因数，同时防止谐波电流回馈电源，尽可能将干扰降到最小；电子开关可防止刚开始对滤波电容充电时所产生的大电流冲击，对设备器件起到有效的保护作用，同时减轻对电网的影响；采用三相全桥IGBT整流电路，输出直流电压，且使输入功率因数接近于1；直流电抗器用以保持整流电流连续性，并减少电流脉动；直流滤波器采用额定的耐压与足够大容量的电解电容器，以平滑经滤波电抗器输出的脉动直流电压，使其达到标准要求；逆变器的工作方式是将直流电变换成交流电，整个变换过程由数字信号处理器（DSP）控制，当电网输入电压降低或负载电流增大时，SPWM波就会调宽，使输出电压保持稳定；校正电抗器可将逆变输出的SPWM波形校正为准正弦波，同时吸收逆变器所产生的各种多次谐波分量，防止逆变变压器发热；逆变变压器能将三相电压升到440V后，经过波形校正电路将波形进一步校正，得到电压值为（440±2.5%）V，波形失真度不大于5%的稳压电源。
2.2新型SPS的主电路原理
图2为新型SPS主电路原理图。L1为输入端交流电抗器，整流和逆变均采用IGBT作为开关器件；C1为直流滤波电容；L2为直流电抗器；L3为校正电抗器；T为逆变变压器；C2为交流滤波电容。
逆变器的IGBT受控于SVPWM调制，其脉冲宽度代表了输出电压幅值。调整脉冲宽度，即调节输出电压。经过IGBT调制后，直流电源被调制成脉冲波，此方波通过一个滤波器，变成一个60Hz基波分量的准正弦波。再经逆变变压器进行二次滤波，输出440V/60Hz电压。
3软件控制策略
该SPS逆变器控制采用空间矢量算法，SVPWM的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等。在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域内，可由组成该区域的两个相邻非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。通过控制各电压矢量的作用时间，使电压空间矢量近似按圆轨迹旋转，即可使逆变器输出近似正弦波电压[5]。
将三相相电压ua，ub，uc分别加在互差120°的三相静止a，b，c坐标系上，电压空间矢量ua（t），ub（t），uc（t）的方向始终在各相轴线上，而大小则随时间按正弦规律进行变化，时间相位互差120°。设U为相电压有效值，f为电源频率，则有：
则三相电压空间矢量相加的合成矢量为：
可见u（t）是一个旋转的空间矢量，其幅值不变，为相电压峰值，且以角频率ω=2πf按逆时针方向匀速旋转，其在a，b，c轴上的投影就是对称的三相正弦量。
三相逆变器开关信号Sa，Sb，Sc可产生8种基本工作状态，利用它们可求出对应8种输出电压状态，可分别命名为U0（000），U1（001），U2（010），U3（011），U4（100），U5（101），U6（110），U7（111），其中U0，U7称为零矢量，其余6个基本电压矢量是有效的，称为非零矢量。图3a示出8个基本电压空间矢量的大小和位置。其中非零矢量的幅值相同，相邻矢量间隔60°，而两个零矢量幅值为零，位于中心。在每一个扇区，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来合成各扇区内的任意电压矢量，即：
式中：Ur为期望电压矢量；T为采样周期；Tx，Ty，T0分别为对应两个非零电压矢量Ux，Uy和U0在一个采样周期的作用时间。
式（3）的意义是Ur在T时间内所产生的积分效果和Ux，Uy以及U0在Tx，Ty，T0时间的积分相加总和值效果相同。
利用坐标变换可将a，b，c坐标系中的相电压转换到两相垂直平面α，β坐标系，如图3b所示。由于三相正弦波电压在电压空间向量中合成一个等效的旋转电压，其旋转速度是输入电源角频率，等效旋转电压的轨迹如图3b所示。因此要产生三相正弦波电压，可以利用电压向量合成技术，将设定的电压向量由U4（100）位置开始，每一次增加一个小增量，每一个小增量设定电压向量可用该区中相邻的两个基本非零向量与零电压向量予以合成，如此得到的设定电压向量就等效于一个在电压空间向量平面上平滑旋转的电压空间向量，从而达到电压空间向量脉宽调制的目的。
4参数测试及分析
为验证所设计SPS的可行性，对其输入输出进行了实验测试。图4a示出输入波形图，输入侧电流总谐波含量THD=2.7%，网侧功率因数高达0.99，对电网无污染。
图4b示出440V输出交流电压经降压检测变压器后的波形。可见，该SPS输出品质很好的60Hz正弦波。另对该SPS的其他电气参数进行实验测试，得到输出电压稳定度为±2%，输出频率稳定度为（60±0.1%）Hz，输出电压波形失真度小于3%，瞬态电压变化小于±10%，转换效率为96%。关于瞬态电压变化，其测试条件为调整负载电流100%，功率因数cosφ=0.8（滞后）的状态下，从空载至满载再从满载到空载进行记录。此测试方法模拟了电动机启动时负载特性。转换效率是指输入有功功率与输出有功功率之比，传统发电机组转换效率仅为70%～85%；轻负载状态下不足70%。
5结论
以变频器+波形预处理器+逆变变压器方案研发的电子静止式岸电电源，由于采用逆变变压器，具有变压、正弦波滤波、电网间电气隔离等多种功能，设备整体效率很高，另外还具有可靠性高、保护性能好、抗干扰能力强等优点。
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只看楼主 我来说两句 抢板凳