章建峰，杨祯，鲍陈磊
（中国船舶重工集团公司第七○四研究所，上海200031）
摘要：为满足船上不同特性单相交流负载，特别是不控整流桥非线性负载的供电需求，使220 V单相交流供电具有强的抗电流冲击的能力，运用先进的电力电子控制技术，研制了一种船用高性能单相交流不间断电源装置，讨论其工作原理，并研究了关键技术。最后，通过原理样机，验证了船用高性能单相交流不间断电源装置的优越性能。
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关键词 ：船用电源装置；单相交流；电流冲击；不间断电源
中图分类号：TN86?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）16?0149?03
收稿日期：2015?03?25
20世纪80年代以来，越来越多的计算机自动化监控设备运用到船舶动力、电力及通信等系统里，大大提升了船舶自动化水平，同时，这对供电电源品质及可靠性要求也越来越高[1?2]。当主电网不正常或发生中断故障时，输出需不间断供电以保证重要系统稳定工作，即要求给负载提供不间断的高质量电源，其中包括220 V单相交流电源。单相交流不间断电源装置[3?5]，扮演着给船舶动力、电力、通信等系统重要负载，不间断提供稳定的高质量220 V单相交流电源的角色，但随着自动化程度的提高，各种特性负载不断增多，也包括不控整流桥非线性负载[6?7]，其突加可带来20 倍于额定值的冲击电流，极易造成系统误保护，因此，一般的单相交流不间断电源装置已不能满足目前实船舶发展的需要。为了适应船上220 V单相非线性负载的实际特性，保证负载顺利启动及挂网负载正常工作，本文研制了一种船用高性能单相交流不间断电源装置，采用十二脉波整流、基于单极倍频SPWM调制的电压电流双环数/模混合逆变控制及电源切换动态跟踪锁相等先进技术，实现了优良的输出性能，具有较好地抗负载冲击能力。
1 工作原理
船用高性能单相交流不间断电源装置原理框图，如图1所示，主要由十二脉波不控整流电路、逆变电路、充电电路、放电电路、电源切换控制电路、辅助电源电路和监控系统等组成。主电路中，三相电网电压经EMI 滤波，通过Δ?Y/Δ型变压器隔离降压，经由两组不控整流桥十二脉波整流获得逆变电路所需的250 V 直流母线电压，再通过基于电压电流双环控制SPWM倍频调制的单相全桥逆变电路，由输出升压变压器和LC低通滤波输出负载所需的220 V/50 Hz 单相正弦电压。充电电路，输入由母线电压直接提供，采用一个具有恒压恒流充电功能的Buck型充电电路，对蓄电池进行充电；放电电路，采用Boost型升压电路，输出直接连接直流母线，提供逆变电路所需的直流母线电压。电源切换控制电路，采用动态跟踪锁相技术，实时采集跟踪备电网电源相位，执行机构由双向可控硅与功率继电器组成，根据逆变控制单元DSP的控制信号动作，保证负载突变致使冲击电流过大等情况时，由逆变电路供电自动切换到备电供电，切换过程中无相位差引起的电流过冲。
辅助电源电路，输入由三相Δ/Y降压变压器及三相不控整流电路得到的80 V直流电压，或者72 V蓄电池电压不间断提供，经高频化DC?DC变换后，输出整个交流不间断电源装置控制所需的±15 V，+24 V，+15 V，-9 V与+5 V电源。
监控系统，采用基于DSP TMS320LF2407A 的数字式监控模式，对整个交流不间断电源装置进行监视与控制，人机界面则采用基于MCU ATmega128 的集成化液晶显示方式，方便用户操作。
2 关键技术
2.1 逆变电路设计
逆变电路设计，是船用高性能单相交流不间断电源装置具有强负载冲击承受能力的技术保证。本文逆变电路主电路拓扑采用IGBT 模块组成的单相全桥式结构，控制方式采用先进的单极性倍频SPWM 调制的电压、电流双闭环数/模混合控制模式，功率器件工作频率设定在20 kHz，以提升装置承受负载冲击的能力，降低高频噪声，电路原理示意图如图2所示。
图2中，逆变电路以滤波电感电流iL (s) 作为内环，输出电压uo (s) 作为外环，发挥了电流内环给装置带来的快速动态响应性，电压外环又保证了装置高质量输出波形。单极性倍频SPWM调制的电压、电流双闭环控制方式及功率器件20 kHz的工作频率，使逆变电路对负载的扰动和突加突卸具有快速的动态响应，当负载突加致使输出端形成强冲击电流时，输出电压跌落，此时电压、电流双闭环控制系统迅速反应，使跌落的输出电压迅速恢复正常。同时，当负载突加过大致使输出电压跌落至零时，电流环控制电路将对流过IGBT模块冲击电流进行限流，以保护功率器件。电压、电流双闭环控制方式与优化PI参数，使得交流不间断电源装置具有强承受负载冲击电流的能力。另外，IGBT模块20 kHz的固定开关频率也使输出滤波变得简单，1.2 mH输出滤波电感10 μF的输出滤波电容组成的LC滤波电路，不仅使输出电压波形畸变率减小，而且使输出高频噪声降低；全桥式主电路拓扑能够适应先进的逆变控制技术，其固有的中大容量工作特性，也为交流不间断电源装置容量的拓展提供了便利。
2.2 电源切换控制电路设计
电源切换控制电路设计，是船用高性能单相交流不间断电源装置在非线性负载突加致使冲击电流过大以及输入电源故障等情况时，逆变电路供电与备电供电之间自动切换的技术保证。本文电源切换控制电路采用双向可控硅与功率继电器并联的控制模式，并且引入动态跟踪锁相技术，使逆变输出波形与备电波形基本保持同相位。其中，双向可控硅用来实现逆变电路供电与备电供电的快速切换，功率继电器则实现负载供电的可靠性，动态跟踪锁相技术，则保证逆变供电与备电供电之间切换时负载电压波形基本连续，避免负载受到冲击。电源切换控制电路，根据输入、输出端的采样信号由DSP（TMS320LF2407A）的逻辑判断产生的控制信号动作，保证在负载突加逆变电路无法承受冲击、三相输入电源故障且蓄电池欠压等情况时，由逆变电路供电自动切换到备电供电；当负载突加结束、三相输入电源或蓄电池恢复正常等情况时，输出由备电供电自动切换回逆变电路供电，原理电路如图3所示。
当冲击性负载突加后，输出电压跌落，由DSP检测判断输出电压能否立刻恢复，能恢复电源切换控制电路则不切备电，不能恢复则自动切备电，同时采样输出电流，在负载电流有效值恢复正常后自动切回逆变供电；当三相输入电源正常时，逆变电路直流母线由交流输入供电，同时使能蓄电池充电电路，封锁放电电路；当三相输入电源故障且蓄电池欠压时，封锁充电电路和放电电路，同时自动切换到备电供电，保证负载的可靠运行。
3 实验结果与分析
为了验证理论研究的正确性，搭建了一台220 V/4 kA船用高性能单相交流不间断电源装置样机，采用十二脉波不控整流与电压源全桥逆变拓扑结构，单极性倍频SPWM 调制电压、电流双闭环数/模混合控制及电源切换动态跟踪锁相技术，IGBT为CM200DY?12NF，隔离变压器变比为1∶2，滤波电感为1.2 mH，滤波电容为10 μF，开关频率20 kHz，等效开关频率为40 kHz，示波器型号为泰克TPS2012。样机突加4.0 kV·A二极管不控整流、电容滤波整流性负载冲击试验波形，如图4所示。
试验结果表明样机最大能承受200 A电流峰值而不切备电，输出电压在2～4 ms内恢复正常，基本0 ms断电。样机在输入电源故障且蓄电池欠压时自动切换至备电供电试验波形见图5。输入电源恢复正常后由备电自动切回逆变供电试验波形见图6，不难看到，逆变输出与备电220 V之间实现了零相位差无缝切换，切换过程中无电流冲击，负载0 ms断电。
4 结论
本文针对船上220 V单相非线性负载的实际特性，研制了一种船用高性能单相交流不间断电源装置。重点研究了其单极倍频SPWM调制的电压电流双环数/模混合逆变控制、电源切换动态跟踪锁相等先进技术。通过研制的220 V/4 kA样机，验证了船用高性能单相交流不间断电源装置能够实现良好的抗非线性负载电流冲击的效果，具有优良的输出性能。
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参考文献
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作者简介：章建峰（1979—），男，硕士。主要研究方向为船舶电源及智能配电。