CN110401357A - 一种低损耗节能型船用逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低损耗节能型船用逆变器，包括第一直流电源VDC1，第二直流电源VDC2，电感L1，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，电网阻抗在线检测模块，自适应控制算法模块，准PRD控制器，PI控制器，锁相环，SPWM调制电路推进电机和逆变电路。自适应准PRD控制并未改变系统原有控制结构，在原来的基础上，增加了电网阻抗在线检测和自适应参数调节两个环节，根据电网阻抗的实时检测结果，结合自校正控制算法，计算出当下的最佳控制器参数，在线修正准PRD控制参数，以使系统的控制性能最优。同时，逆变电路减少了开关数量，减小了系统损耗，提升逆变器可靠性。

Description

一种低损耗节能型船用逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，具体涉及一种低损耗节能型船用逆变器。
背景技术
随着化石能源的枯竭和全球变暖等环境问题日益严峻，大力提倡节能减排对于我国环境保护具有重要的意义。在上述背景下，直流组网电力推进技术引起了人们广泛关注。直流组网系统系统集成度高，由于省去了配电板和部分变压器，整体系统的体积和重量大幅度降低，相对于传统的交流系统组网技术，节省直流组网系统中的柴油发电机组，可以根据不同的负载条件调整转速，保证系统工作在最优的能耗曲线上，提升整体系统的效率，降低能耗和排放，达到节能环保的目的。在这其中，基于节能环保的船舶直流组网电力推进用逆变器技术成为关键。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种永磁同步电机快速消除剩磁的方法及装置，以解决现有技术中船用逆变器损耗较高的问题。
本发明实施例提供了一种低损耗节能型船用逆变器，包括：
第一直流电源VDC1，与第二直流电源VDC2串联；
电感L1，其一端与第一直流电源VDC1的负极连接，和/或，其一端与第二直流电源VDC2的正极连接；
第一电容C1，其一端与电感L1远离第一直流电源VDC1的一端连接，第一电容C1的另一端与第一直流电源VDC1的正极连接；
第二电容C2，其一端与电感L1远离第二直流电源VDC2的一端连接，第二电容C2的另一端与第二直流电源VDC2的负极连接；
电网阻抗在线检测模块，其第一输入端接在第一直流电源VDC1的负极和电感之间，电网阻抗在线检测模块的第二输入端接在第一电容C1两端，电网阻抗在线检测模块的第三输入端接在第二电容C2两端；
自适应控制算法模块，其输入端与电网阻抗在线检测模块的输出端连接；
准PRD控制器，其输入端与自适应控制算法模块通过第一乘法器连接；
PI控制器，其第一输入端接在第一电容C1的两端，PI控制器的第二输入端接在第二电容C2的两端；
锁相环，其输入端接在第三电容C3两端，锁相环的输出端与准PRD控制器的输入端通过第二乘法器连接；
SPWM调制电路，其输入端与准PRD控制器的输出端连接，SPWM调制电路的输出端与逆变电路中场效应管的栅极连接；
第三电容C3，与逆变电路输出端并联；
推进电机，其输入端与逆变电路的输出端连接；
其中，逆变电路包括：
第一二极管D1，其正极与第一场效应管Q1的源极连接，第一二极管D1的负极与第二场效应管Q2的漏极连接；
第二二极管D2，其正极与第二场效应管Q2的源极连接，第二二极管D2的负极与第一场效应管Q1的漏极连接；
第三场效应管Q3，其源极与第一直流电源VDC1的正极连接；
第四场效应管Q4，其源极与第三场效应管Q3的漏极连接，第四场效应管Q4的漏极与第二直流电源VDC2的负极连接；
第三二极管D3，其正极与第三场效应管Q3的漏极连接，第三二极管D3的负极与第三场效应管Q3的源极连接；
第四二极管D4，其正极与第四场效应管Q4的漏极连接，第四二极管D4的负极与第三场效应管Q4的源极连接。
可选地，第一直流电源VDC1的输出电压大于或等于第二直流电源VDC2的输出电压。
可选地，第一二极管D1、第二二极管D2、第三场效应管Q3和第四场效应管Q4的衬底为SiC。
可选地，第一直流电源VDC1和第二直流电源VDC2为柴油发电机。
可选地，第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三二极管D3和第四二极管D4的衬底为Si。
可选地，第一直流电源VDC1和第二直流电源VDC2输出第一直流电压、第二直流电压和第三直流电压；
其中，在第一直流电压和第三直流电压交替输出至第三场效应管Q3的源极和第一场效应管Q1的源极时，第一场效应管Q1导通，第二场效应管Q2和第三场效应管Q3交替导通；
在第二直流电压和第三直流电压交替输出至第四场效应管Q4的漏极和第一场效应管Q1的源极时，第二场效应管Q2导通，第一场效应管Q1和第四场效应管Q4交替导通。
可选地，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2为MOS管。
可选地，第三场效应管Q3和第四场效应管Q4的额定电流比第一场效应管Q1和第二场效应管Q2以及第一二极管～第四二极管各自的额定电流大。
本发明实施例有益效果：
1、本发明实施例中的自适应准PRD控制并未改变系统原有控制结构，在原来的基础上，增加了电网阻抗在线检测和自适应参数调节两个环节，根据电网阻抗的实时检测结果，结合自校正控制算法，计算出当下的最佳控制器参数，在线修正准PRD控制参数，以使系统的控制性能最优。同时，逆变电路减少了开关数量，减小了系统损耗，提升逆变器可靠性。
2、第一场效应管Q1和第二场效应管Q2为N沟道MOS管，额定电流值较大，开关损耗降低，从而实现逆变器的损耗降低。第三场效应管Q3和第四场效应管Q4为IGBT，额定电流值较小，且成本较低。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明实施例中一种低损耗节能型船用逆变器的结构图；
图2示出了本发明实施例中自适应控制前的逆变器电压、电流输出仿真波形；
图3示出了本发明实施例中自适应控制后的逆变器电压、电流输出仿真波形。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种低损耗节能型船用逆变器，包括第一直流电源VDC1，第二直流电源VDC2，电感L1，第一电容C1，第二电容C2，第三电容C3，电网阻抗在线检测模块，自适应控制算法模块，准PRD控制器，PI控制器，锁相环，SPWM调制电路推进电机和逆变电路，其中：第一直流电源VDC1与第二直流电源VDC2串联；电感L1的一端与第一直流电源VDC1的负极连接，和/或，其一端与第二直流电源VDC2的正极连接；第一电容C1的一端与电感L1远离第一直流电源VDC1的一端连接，第一电容C1的另一端与第一直流电源VDC1的正极连接；第二电容C2的一端与电感L1远离第二直流电源VDC2的一端连接，第二电容C2的另一端与第二直流电源VDC2的负极连接；电网阻抗在线检测模块的第一输入端接在第一直流电源VDC1的负极和电感之间，电网阻抗在线检测模块的第二输入端接在第一电容C1两端，电网阻抗在线检测模块的第三输入端接在第二电容C2两端；自适应控制算法模块的输入端与电网阻抗在线检测模块的输出端连接；准PRD控制器的输入端与自适应控制算法模块通过第一乘法器连接；PI控制器的第一输入端接在第一电容C1的两端，PI控制器的第二输入端接在第二电容C2的两端；锁相环的输入端接在第三电容C3两端，锁相环的输出端与准PRD控制器的输入端通过第二乘法器连接；SPWM调制电路的输入端与准PRD控制器的输出端连接，SPWM调制电路的输出端与逆变电路中场效应管的栅极连接；第三电容C3，与逆变电路输出端并联；推进电机，其输入端与逆变电路的输出端连接；其中，逆变电路包括：第一二极管D1，其正极与第一场效应管Q1的源极连接，第一二极管D1的负极与第二场效应管Q2的漏极连接；第二二极管D2，其正极与第二场效应管Q2的源极连接，第二二极管D2的负极与第一场效应管Q1的漏极连接；第三场效应管Q3，其源极与第一直流电源VDC1的正极连接；第四场效应管Q4，其源极与第三场效应管Q3的漏极连接，第四场效应管Q4的漏极与第二直流电源VDC2的负极连接；第三二极管D3，其正极与第三场效应管Q3的漏极连接，第三二极管D3的负极与第三场效应管Q3的源极连接；第四二极管D4，其正极与第四场效应管Q4的漏极连接，第四二极管D4的负极与第三场效应管Q4的源极连接。
在本实施例中，结合直流组网电网下电力推进用逆变器控制系统模型，分析电网阻抗变化对逆变器控制系统的影响，在此基础上，针对直流组网存在的带宽减小以及电网电压频率波动等问题，对传统的PI控制进行改进，引入准PRD控制方法，消除系统的稳态误差，提高抗电网频率扰动的能力，同时，由于微分控制的作用，使系统的暂态特性得到改善。其次，将检测到的电网阻抗值作为系统参数，实现控制器参数的自适应调节，以增强推进系统对电网阻抗的自适应能力，仿真结果如图2和图3所示。将此控制方法应用于船舶电力推进系统中，通过对试验数据的处理和分析，验证此控制方法对电网频率扰动的鲁棒性。本发明实施例中的自适应准PRD控制并未改变系统原有控制结构，在原来的基础上，增加了电网阻抗在线检测和自适应参数调节两个环节，根据电网阻抗的实时检测结果，结合自校正控制算法，计算出当下的最佳控制器参数，在线修正准PRD控制参数，以使系统的控制性能最优。同时，逆变电路减少了开关数量，减小了系统损耗，提升逆变器可靠性。
在具体实施例中，当第三场效应管Q3和第四场效应管Q4中有大电流流过时，在第三场效应管Q3和第四场效应管Q4中发生开关损耗。第一场效应管Q1和第二场效应管Q2中有比第三场效应管Q3和第四场效应管Q4小的电流流过，在第一场效应管Q1和第二场效应管Q2中不发生开关损耗。此外，在任一场效应管从截止状态变化为导通时，对相应的二极管施加有逆偏置电压，二极管进行反向恢复动作。
作为可选的实施方式，第一直流电源VDC1的输出电压大于或等于第二直流电源VDC2的输出电压。
作为可选的实施方式，第一二极管D1、第二二极管D2、第三场效应管Q3和第四场效应管Q4的衬底为SiC。
在本实施例中，SiC为宽带隙半导体，制成的器件额定电流值较大。
作为可选的实施方式，第一直流电源VDC1和第二直流电源VDC2为柴油发电机。
作为可选的实施方式，第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三二极管D3和第四二极管D4的衬底为Si。
在本实施例中，Si为非宽带隙半导体，制成的器件额定电流值较小。
作为可选的实施方式，第一直流电源VDC1和第二直流电源VDC2输出第一直流电压、第二直流电压和第三直流电压；
其中，在第一直流电压和第三直流电压交替输出至第三场效应管Q3的源极和第一场效应管Q1的源极时，第一场效应管Q1导通，第二场效应管Q2和第三场效应管Q3交替导通；
在第二直流电压和第三直流电压交替输出至第四场效应管Q4的漏极和第一场效应管Q1的源极时，第二场效应管Q2导通，第一场效应管Q1和第四场效应管Q4交替导通。
作为可选的实施方式，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2为MOS管。
在本实施例中，第一场效应管Q1和第二场效应管Q2为N沟道MOS管，额定电流值较大，开关损耗降低，从而实现逆变器的损耗降低。第三场效应管Q3和第四场效应管Q4为IGBT，额定电流值较小，且成本较低。
作为可选的实施方式，第三场效应管Q3和第四场效应管Q4的额定电流比第一场效应管Q1和第二场效应管Q2以及第一二极管～第四二极管各自的额定电流大。。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，包括：
第一直流电源VDC1，与第二直流电源VDC2串联；
电感L1，其一端与所述第一直流电源VDC1的负极连接，和/或，其一端与所述第二直流电源VDC2的正极连接；
第一电容C1，其一端与所述电感L1远离所述第一直流电源VDC1的一端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第一直流电源VDC1的正极连接；
第二电容C2，其一端与所述电感L1远离所述第二直流电源VDC2的一端连接，所述第二电容C2的另一端与所述第二直流电源VDC2的负极连接；
电网阻抗在线检测模块，其第一输入端接在所述第一直流电源VDC1的负极和所述电感之间，所述电网阻抗在线检测模块的第二输入端接在所述第一电容C1两端，所述电网阻抗在线检测模块的第三输入端接在所述第二电容C2两端；
自适应控制算法模块，其输入端与所述电网阻抗在线检测模块的输出端连接；
准PRD控制器，其输入端与所述自适应控制算法模块通过第一乘法器连接；
PI控制器，其第一输入端接在所述第一电容C1的两端，所述PI控制器的第二输入端接在所述第二电容C2的两端；
锁相环，其输入端接在所述第三电容C3两端，所述锁相环的输出端与所述准PRD控制器的输入端通过第二乘法器连接；
SPWM调制电路，其输入端与所述准PRD控制器的输出端连接，所述SPWM调制电路的输出端与逆变电路中场效应管的栅极连接；
第三电容C3，与逆变电路输出端并联；
推进电机，其输入端与所述逆变电路的输出端连接；
其中，所述逆变电路包括：
第一二极管D1，其正极与第一场效应管Q1的源极连接，所述第一二极管D1的负极与第二场效应管Q2的漏极连接；
第二二极管D2，其正极与所述第二场效应管Q2的源极连接，所述第二二极管D2的负极与第一场效应管Q1的漏极连接；
第三场效应管Q3，其源极与所述第一直流电源VDC1的正极连接；
第四场效应管Q4，其源极与所述第三场效应管Q3的漏极连接，所述第四场效应管Q4的漏极与所述第二直流电源VDC2的负极连接；
第三二极管D3，其正极与所述第三场效应管Q3的漏极连接，所述第三二极管D3的负极与所述第三场效应管Q3的源极连接；
第四二极管D4，其正极与所述第四场效应管Q4的漏极连接，所述第四二极管D4的负极与所述第三场效应管Q4的源极连接。
2.根据权利要求1所述的低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，所述第一直流电源VDC1的输出电压大于或等于所述第二直流电源VDC2的输出电压。
3.根据权利要求1所述的低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2、所述第三场效应管Q3和所述第四场效应管Q4的衬底为SiC。
4.根据权利要求1所述的低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，所述第一直流电源VDC1和所述第二直流电源VDC2为柴油发电机。
5.根据权利要求1所述的低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，所述第一场效应管Q1、所述第二场效应管Q2、所述第三二极管D3和所述第四二极管D4的衬底为Si。
6.根据权利要求1所述的低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，所述第一直流电源VDC1和第二直流电源VDC2输出第一直流电压、第二直流电压和第三直流电压；
其中，在所述第一直流电压和所述第三直流电压交替输出至所述第三场效应管Q3的源极和所述第一场效应管Q1的源极时，所述第一场效应管Q1导通，所述第二场效应管Q2和所述第三场效应管Q3交替导通；
在所述第二直流电压和所述第三直流电压交替输出至所述第四场效应管Q4的漏极和所述第一场效应管Q1的源极时，所述第二场效应管Q2导通，所述第一场效应管Q1和所述第四场效应管Q4交替导通。
7.根据权利要求1所述的低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，所述第一场效应管Q1和所述第二场效应管Q2为MOS管。
8.根据权利要求1所述的低损耗节能型船用逆变器，其特征在于，所述第三场效应管Q3和所述第四场效应管Q4的额定电流比所述第一场效应管Q1和所述第二场效应管Q2以及所述第一二极管～所述第四二极管各自的额定电流大。
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