CN110868095B - 一种用于船舶区域配电的dc-ac逆变装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于船舶区域配电的DC‑AC逆变装置，包括依次串联的双电源输入选择单元、充电限流单元、直流输入滤波网络、功率逆变器、正弦波滤波器和三相隔离变压器，设置在逆变装置的电源传输回路中的传感器，以及通过信号输出端与逆变装置的信号输入端连接、通过信号输入端与传感器的信号输出端连接的核心控制单元；通过空间矢量脉宽调制和电压、电流双闭环控制实现船舶直流区域配电系统中DC700V～1000V到AC380V的电能转换，为直流区域配电系统的交流负载提供三相交流电能输出，具有响应快，运行稳定、可靠的特点，并通过网络通信进行远程监控，提高了船舶区域配电系统供电的可靠性和安全性。

Description

一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置
技术领域
本发明属于船舶直流区域配电技术领域，具体涉及一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置。
背景技术
目前主流的船舶电力系统中，电力负载所需的能量通过船上的集中式配电中心由电缆馈送，造成全船数千根电缆在船上各部位穿插。这样不仅带来了电缆铺设工作的复杂与繁琐，而且产生了船舶耐压隔壁开孔密封问题。采用区域配电系统可以有效的解决这一问题，仅仅主母线穿过防水耐压隔壁，节省了大量的配电板馈线电缆，而且电缆损耗和重量的减少带来了额外的好处。
直流区域配电系统基于直流电源分区结构，船舶非推进用电负荷根据水密舱被分成各自独立的配电区域。发电机发出的交流电经主汇流排母线后由整流装置转换为直流电，再通过逆变装置将交流电能接入相应的配电区域。各区域的变电模块具有电力变化、检测、限流和保护等多项功能，替代了大型机电开关装置，使得系统保护装置设计简单而且更加反应灵敏，故障情况也可以在一个配电区域内处理，提高供电连续性和电源管理的自动化程度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，用于在船舶直流区域配电系统中将直流DC700-1000V输入电源转换为交流AC380V的电能，实现电压、电流的可控稳定输出。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，包括依次串联的双电源输入选择单元、充电限流单元、直流输入滤波网络、功率逆变器、正弦波滤波器和三相隔离变压器，设置在逆变装置的电源传输回路中的传感器，以及通过信号输出端分别与充电限流单元和功率逆变器的信号输入端连接、通过信号输入端与传感器的信号输出端连接的核心控制单元；双电源输入选择单元的电源输入端连接双路直流输入电源，用于根据电能从高电位点向低电位点传输的特性选择其中一路电压高的直流输入电源进行供电输出；充电限流单元用于在设备启动过程中防止大电流冲击；直流输入滤波网络用于抑制直流输入电源的高次谐波；功率逆变器用于通过不同开关模式的三相逆变器技术将直流输入电源转换为交流信号输出；正弦波滤波器用于将功率逆变器输出的交流信号滤波为平滑的正弦波信号；三相隔离变压器用于将正弦波滤波器输出的正弦波信号隔离降压变换为三相交流电并输出；传感器用于测量电路参数并发送至核心控制单元；核心控制单元用于实现空间矢量脉宽调制和电压、电流双闭环控制功能，并上传装置的运行工况信息进行远程管理。
按上述方案，双电源输入选择单元包括导向二极管。
按上述方案，充电限流单元包括并联的限流充电电阻、充电电容和旁路接触器；限流充电电阻用于对充电电流限流，充电电容用于分流充电电流，旁路接触器用于在充电完成后旁路限流充电电阻和充电电容。
按上述方案，三相隔离变压器采用Δ/Y接法用于抑制功率逆变器产生的三次谐波；设三相隔离变压器的输入侧相电压有效值为UI，三相隔离变压器的输出侧的相电压有效值为UO，则三相隔离变压器的变压匝比K为：
Figure GDA0003048190800000021
设三相隔离变压器的磁芯的直径为D，则磁芯的净截面积S为：
S＝(D/2)2π；
设磁芯的磁通密度为T，则磁芯的饱和磁感应强度BS为：
BS＝1.7T；
设磁芯的磁感应强度为B0，则B0满足：
B0＜0.6BS；
设功率逆变器输出交流电基波频率为f0，则三相隔离变压器的原边绕组匝数N1为：
Figure GDA0003048190800000022
三相隔离变压器的副边绕组匝数N2为：
Figure GDA0003048190800000023
进一步的，功率逆变器包括IGBT智能功率模块，IGBT智能功率模块作为功率开关元件用于构成逆变桥；设IGBT智能功率模块的输入电压最大值为UAC，电压有效值为1.414UAC，选取经验计算系数为1.09，则IGBT智能功率模块承受的重复稳态最大电压Ur为：
Ur＝UAC×1.414×1.09；
设过电压系数为K过，在IGBT智能功率模块关断时，由流过电感的电流变化L·di/dt引起的尖峰电压为θ，冗余系数为α，则IGBT智能功率模块关断时的峰值电压Um为：
Um＝(UrK过+θ)α；
则选取IGBT智能功率模块的额定电压Un＞Um用于保证使用安全；
设三相隔离变压器的二次侧电流为I2，三相隔离变压器的二次侧功率为P2，计算系数为η，三相隔离变压器的二次侧电压为U2，则三相隔离变压器的一次侧电流I1为：
I1＝I2×N2/N1＝(P2/η/U2)×(N2/N1)；
设每只IGBT智能功率模块的电流I′为三相隔离变压器的一次侧电流I1的半个周波的电流值，即：
Figure GDA0003048190800000031
则按下式选取IGBT智能功率模块的额定电流In用于提高装置的冗余和短路过载能力：
In＝10I′。
进一步的，正弦波滤波器包括按一定顺序组合的电容和电感；设负载电压为UL，负载功率为PL，则额定负载电阻RL为
Figure GDA0003048190800000032
特性阻抗ρ为：
ρ＝0.6RL；
设功率逆变器输出的其它各次谐波的频率fn为基波频率f0的从3倍开始的奇数倍，n为自然数，其中f1＝3f0；设截止频率为fc，则
f0＜fc＜f1，
设正弦波滤波器的电感为L1，正弦波滤波器的电容为Cf，则L1＝ρ/(2πfc)；
Cf＝3L1/ρ2＝3/2πfCρ。
按上述方案，传感器包括输入电压检测传感器、电流环检测传感器和电压环检测传感器，分别用于测量装置的输入电压、传输线路中的电流参数和电压参数并发送至核心控制单元。
按上述方案，核心控制单元包括脉宽调制信号模块，用于输出脉冲信号到IGBT智能功率模块的栅极以控制功率逆变器正常工作，同时根据传感器输出的信号调整脉冲信号的脉宽以保持DC-AC逆变装置输出信号幅度的稳定，实现将直流输入电源转换为三相交流输出电能的功能。
进一步的，核心控制单元还包括网络模块，用于将装置的输入电压、输出电压、输出电流及故障报警信息等上传到直流网络保护装置进行远程管理。
本发明的有益效果为：
1.本发明的一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置通过空间矢量脉宽调制和电压、电流双闭环控制，实现在船舶直流区域配电系统中将DC700-1000V直流母线电压转换为AC380V三相交流输出的电能转换功能，为直流区域配电系统的交流负载提供AC380V三相交流电能。
2.本发明具有双路电源输入功能，在双路电源切换过程中保证输出不断电；具有限流功能，防止装置启动时的大电流冲击。
3.本发明采用网络通信技术对系统的关键器件和关键状态如过压、欠压、过流、过载、输出短路、过热等进行远程监控和遥控，实现对系统工作状态的自诊断并对故障进行相应的报警，提升了设备的数字化、信息化水平，提高了船舶区域配电系统供电的可靠性和安全性，具有响应快，运行稳定、可靠性高的特点。
4.本发明在逆变装置出现短路时，提供3倍额定电流运行0.5s后停止运行，保证了装置运行的安全。
附图说明
图1是本发明实施例的功能框图。
图2是本发明实施例的外形图。
图中：1.铭牌1；2.铭牌2；3.电压表；4.电流表；5.电源指示灯1；6.电源指示灯2；7.电压测量旋钮；8.电流测量旋钮；9.状态指示灯1；10.运行按钮；11.复位按钮；12.状态指示灯2；13.消音按钮；14蜂鸣器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1，本发明的实施例包括依次串联的双电源输入选择单元、充电限流单元、直流输入滤波网络、功率逆变器、正弦波滤波器和三相隔离变压器，设置在逆变装置的电源传输回路中的传感器，以及通过信号输出端分别与充电限流单元和功率逆变器的信号输入端连接、通过信号输入端与传感器的信号输出端连接的核心控制单元。
双电源输入选择单元包括导向二极管，双电源输入选择单元的电源输入端连接双路直流输入电源，利用导向二极管的导向导电特性以及电能从高电位点向低电位点传输的特性，用于自动选择其中电压高的一路直流输入电源。
充电限流单元用于在设备启动过程中防止大电流冲击；充电限流单元包括并联的限流充电电阻、充电电容和旁路接触器；限流充电电阻用于在系统启动时对充电电流限流，充电电容用于分流充电电流，旁路接触器用于在充电完成后旁路限流充电电阻和充电电容。
直流输入滤波网络依据整机的EMI/EMC测试进行配置，用于抑制直流输入电源带来的高次谐波以提高装置的电磁兼容性能。
三相隔离变压器用于将正弦波滤波器输出的正弦波信号隔离升压变换为AC380V三相交流电并输出；三相隔离变压器采用Δ/Y接法用于抑制功率逆变器产生的三次谐波，考虑逆变时直流电压的利用率，若功率逆变器的直流输入电压为700V，则功率逆变器输出的线电压应小于等于0.7×700＝490V，又因为满载线路的压降为9％，设三相隔离变压器的输入的线电压为445V，则功率逆变器实际输出的线电压445×(1+9％)＝485.05＜490V满足线电压要求。
按照Δ/Y接法，三相隔离变压器的输入侧的相电压有效值UI＝445V，输入侧和输出侧的线电压比为445/380，则三相隔离变压器的输出侧的相电压有效值UO为：
Figure GDA0003048190800000051
三相隔离变压器的变压匝比K为：
Figure GDA0003048190800000061
为保证在输入电压较低时输出电压仍可达到220V，本实施例取K＝2.0；
三相隔离变压器选用体积重量紧凑、损耗小的R型变压器，设三相隔离变压器的铁芯直径D＝92.9mm，则铁芯净截面积S为：
S＝(D/2)2π＝(92.9/2)2π＝0.00677m2；
铁的磁通密度为T＝1；则铁芯的饱和磁感应强度BS为：
BS＝1.7T＝1.7；
设铁芯的磁感应强度为B0，为满足B0＜0.6BS，取B0＝0.5BS；
设功率逆变器输出交流电的基波频率为f0＝50Hz，则三相隔离变压器的原边绕组匝数N1为：
Figure GDA0003048190800000062
三相隔离变压器的副边绕组匝数N2为：
Figure GDA0003048190800000063
功率逆变器用于将直流输入电源转换为交流信号输出；功率逆变器包括IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)智能功率模块，IGBT智能功率模块作为功率开关元件用于构成逆变桥，将输入电源输入的DC700V～1000V直流电能通过不同开关模式的三相逆变器(SVPWM，空间矢量脉宽调制)技术转换为交流信号输出；选用400A/3300V的IGBT智能功率模块以降低应力、增加冗余，满足可靠性要求和提高短路过载能力；设IGBT智能功率模块的输入电压最大值为UAC＝445V，电压有效值为1.414UAC，选取经验计算系数为1.09，则IGBT智能功率模块承受的重复稳态最大电压Ur为：
Ur＝UAC×1.414×1.09＝445×1.414×1.09＝685.8V；
设过电压系数为K过＝1.15，在IGBT智能功率模块关断时，由流过电感的电流变化L·di/dt引起的尖峰电压为θ＝150，冗余系数α在范围1.5～2.5中取2，则IGBT智能功率模块关断时的峰值电压Um为：
Um＝(UrK过+θ)α＝(685.8V×1.15+150V)×2＝1877.34V；
在本发明的实施例中，向上靠档选取IGBT智能功率模块的额定电压Un＝3300V。
设三相隔离变压器的二次侧电流为I2，三相隔离变压器的二次侧功率为P2＝10000W，计算系数为η的经验值取值范围为1～1.5，本实施例取η＝1，三相隔离变压器的二次侧电压为U2＝380V，则三相隔离变压器的一次侧电流I1为：
I1＝I2×N2/N1＝(P2/η/U2)×(N2/N1)＝(10000/380)×(174/348)≈13.2A
设每只IGBT智能功率模块的电流I′为变压器一次侧电流I1的半个周波的电流值，则：
Figure GDA0003048190800000071
考虑冗余和短路过载能力，选取IGBT智能功率模块的额定电流In为10倍的I′，即：
In＝10I′＝100A。
当功率逆变器的输出端不加滤波电路时，其输出波形为SVPWM调制波，其中既包含了50Hz基波，又包含了高于50Hz的谐波；为了削弱高次谐波，配置正弦波滤波器用于将功率逆变器输出的交流信号滤波为平滑的正弦波信号；正弦波滤波器包括按一定顺序组合的电容和电感；设负载电压为UL＝220V，负载功率为PL＝10000W，则额定负载电阻RL为
Figure GDA0003048190800000072
则特性阻抗ρ为：
ρ＝0.6RL＝2.904Ω；
设功率逆变器输出的其它各次谐波的频率fn为基波频率f0的从3倍开始的奇数倍，n为自然数，其中最低次谐波f1＝3f0＝150Hz；设截止频率为fc，则f0＜fc＜f1，
取fc＝140Hz，设正弦波滤波器的电感为L1，正弦波滤波器的电容为Cf，则L1＝ρ/(2πfC)＝2.904/(2π×140)＝3mH；
Cf＝3L1/ρ2＝3/2πfCρ＝3/(2π×140×2.904)≈1175μF。
传感器包括输入电压检测传感器、电流环检测传感器和电压环检测传感器，分别用于测量逆变装置的输入电压、传输线路中的电流参数和电压参数并发送至核心控制单元。
核心控制单元选用高性能数字信号处理器DSP TMS320f2812为主控制器，采用模糊控制算法；由DSP产生载频为20kHz的脉冲信号，通过脉宽调制信号输出端口输出脉冲信号到IGBT智能功率模块的栅极以控制功率逆变器正常工作，同时根据传感器反馈的输出电压值和电流值调整脉冲信号的脉宽，以保持DC-AC逆变装置输出信号幅度的稳定，通过空间矢量脉宽调制和电压、电流双闭环控制实现将DC1000V输入电源转换为三相AC380V输出电能的功能；核心控制单元通过网络端口将装置的输入电压、输出电压、输出电流及故障报警信息等上传到直流网络保护装置进行远程管理。
综上所述，本发明的一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，用于实现船舶直流区域配电系统中DC700-1000V到AC380V的电能转换，为直流区域配电系统交流负载提供三相AC380V电能输出，采用SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)和电压、电流双闭环检测技术，有效实现了电压、电流可控稳定输出；本发明具有双路电源输入功能，在双路电源切换过程中输出不断电；具有限流功能，防止启动过程中的大电流冲击；装置过载时，根据过载功率判断可持续运行时间进行保护；装置出现短路时，提供3倍额定电流运行0.5s后停止运行；通过网络通信技术实现远程集中监控，将装置的运行工况信息(输入电压、输出电压、输出电流及故障报警信息等)传送至直流网络保护装置进行集中管理，具有响应快，运行稳定、可靠的特点，实现装置的远程监控，有效提升设备的数字化、信息化水平；输出高压、输出低压、输出过载均具有声光报警提示功能；装置能响应远程遥控启动(无源常开，闭合瞬动启动)、停止(无源常开，闭合瞬动停止)，并提供远程指示(DC24V有源)输出，进而提高了船舶区域配电系统供电可靠性和安全性。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，其特征在于：包括依次串联的双电源输入选择单元、充电限流单元、直流输入滤波网络、功率逆变器、正弦波滤波器和三相隔离变压器，设置在逆变装置的电源传输回路中的传感器，以及通过信号输出端分别与充电限流单元和功率逆变器的信号输入端连接、通过信号输入端与传感器的信号输出端连接的核心控制单元；
双电源输入选择单元的电源输入端连接双路直流输入电源，用于根据电能从高电位点向低电位点传输的特性选择其中一路电压高的直流输入电源进行供电输出；
充电限流单元用于在设备启动过程中防止大电流冲击；
直流输入滤波网络用于抑制直流输入电源的高次谐波；
功率逆变器用于通过不同开关模式的三相逆变器技术将直流输入电源转换为交流信号输出；
正弦波滤波器用于将功率逆变器输出的交流信号滤波为平滑的正弦波信号；
三相隔离变压器用于将正弦波滤波器输出的正弦波信号隔离降压变换为三相交流电并输出；
三相隔离变压器采用Δ/Y接法用于抑制功率逆变器产生的三次谐波；设三相隔离变压器的输入侧相电压有效值为UI，三相隔离变压器的输出侧相电压有效值为UO，则三相隔离变压器的变压匝比K为：
Figure FDA0003129692280000011
设三相隔离变压器的磁芯的直径为D，则磁芯的净截面积S为：
S＝(D/2)2π；
设磁芯的磁通密度为T，则磁芯的饱和磁感应强度BS为：
BS＝1.7T；
设磁芯的磁感应强度为B0，则B0满足：
B0＜0.6BS；
设功率逆变器输出交流电的基波频率为f0，则三相隔离变压器的原边绕组匝数N1为：
Figure FDA0003129692280000012
三相隔离变压器的副边绕组匝数N2为：
Figure FDA0003129692280000021
传感器用于测量电路参数并发送至核心控制单元；
核心控制单元用于实现空间矢量脉宽调制和电压、电流双闭环控制功能，并上传装置的运行工况信息进行远程管理；
功率逆变器包括IGBT智能功率模块，IGBT智能功率模块作为功率开关元件用于构成逆变桥；设IGBT智能功率模块的输入电压最大值为UAC，电压有效值为1.414UAC，选取经验计算系数为1.09，则IGBT智能功率模块承受的重复稳态最大电压Ur为：
Ur＝UAC×1.414×1.09；
设过电压系数为K过，在IGBT智能功率模块关断时，由流过电感的电流变化L·di/dt引起的尖峰电压为θ，冗余系数为α，则IGBT智能功率模块关断时的峰值电压Um为：
Um＝(UrK过+θ)α；
则选取IGBT智能功率模块的额定电压Un＞Um用于保证使用安全；
设三相隔离变压器的二次侧电流为I2，三相隔离变压器的二次侧功率为P2，计算系数为η，三相隔离变压器的二次侧电压为U2，则三相隔离变压器的一次侧电流I1为：
I1＝I2×N2/N1＝(P2/η/U2)×(N2/N1)；
设每只IGBT智能功率模块的电流I′为三相隔离变压器的一次侧电流I1的半个周波的电流值，即：
Figure FDA0003129692280000022
则按下式选取IGBT智能功率模块的额定电流In用于提高装置的冗余和短路过载能力：
In＝10I′；
正弦波滤波器包括按一定顺序组合的电容和电感；设负载电压为UL，负载功率为PL，则额定负载电阻RL为
Figure FDA0003129692280000031
特性阻抗ρ为：
ρ＝0.6RL；
设功率逆变器输出的其它各次谐波的频率fn为基波频率f0的从3倍开始的奇数倍，n为自然数，其中f1＝3f0；设截止频率为fc，则
f0＜fc＜f1，
设正弦波滤波器的电感为L1，正弦波滤波器的电容为Cf，则
L1＝ρ/(2πfc)；
Cf＝3L1/ρ2＝3/2πfCρ。
2.根据权利要求1所述的一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，其特征在于：双电源输入选择单元包括导向二极管。
3.根据权利要求1所述的一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，其特征在于：充电限流单元包括并联的限流充电电阻、充电电容和旁路接触器；限流充电电阻用于对充电电流限流，充电电容用于分流充电电流，旁路接触器用于在充电完成后旁路限流充电电阻和充电电容。
4.根据权利要求1所述的一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，其特征在于：传感器包括输入电压检测传感器、电流环检测传感器和电压环检测传感器，分别用于测量装置的输入电压、传输线路中的电流参数和电压参数并发送至核心控制单元。
5.根据权利要求1所述的一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，其特征在于：核心控制单元包括脉宽调制信号模块，用于输出脉冲信号到IGBT智能功率模块的栅极以控制功率逆变器正常工作，同时根据传感器输出的信号调整脉冲信号的脉宽以保持DC-AC逆变装置输出信号幅度的稳定，实现将直流输入电源转换为三相交流输出电能的功能。
6.根据权利要求5所述的一种用于船舶区域配电的DC-AC逆变装置，其特征在于：核心控制单元还包括网络模块，用于将装置的输入电压、输出电压、输出电流及故障报警信息上传到直流网络保护装置进行远程管理。
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