中压岸电系统整流电路拓朴结构分析

张同琛， 张欢仁， 芦 宁

(上海船舶运输科学研究所 船舶运输控制系统国家工程研究中心，上海 200135)

0 引 言

近年来，随着环境保护越来越受重视，船舶污染问题得到了国际海事组织和各个国家的广泛关注。船舶污染主要来源于船舶发电机排放的有害物质，据统计，采用柴油发电机的船舶每年排放的有害物质超过1 000万t，对大气环境造成了恶劣影响，而产生如此多有害物质的根源在于电力系统能源利用率不足和操作过程存在缺陷，其中：电力系统能源利用率不足主要体现在柴油发电机设计和燃油质量方面；操作过程缺陷主要体现在船用负载管理和靠港时污染物排放方面。据调查，上海港的污染物排放占上海市污染物排放总量的10%～20%，其他港口的污染物排放情况也与该港口相似。因此，减少船舶靠港时的污染物排放可作为节能减排的一种方式。若在船舶靠港期间采用副机发电，则燃料不充分燃烧会产生有害气体，燃烧的产物直接排放到海里会对港口环境造成污染。经研究，若在船舶进港期间采用中压岸电系统为船上的负载供电，则可有效降低船舶靠港时对港口环境的污染，达到节能减排的目的。

整流电路是中压岸电系统的重要组成部分，以中国远洋海运集团有限公司5 000 TEU系列集装箱船为例，在并网时，岸上电网需通过整流电路将10 kV/50 Hz的交流电整流为直流电，输送到滤波电路、逆变电路等电路中，最终变为6.6 kV/60 Hz的交流电供给船舶。从并网到给船舶供电，电压先由交流变成直流，再变成交流，目的是减少输送过程中的功耗。由于整流电路的拓扑结构对整流效果和控制方法的选择都有影响，因此有必要对整流电路的拓扑结构进行分析，选择出最适合的拓扑结构。

在整个集装箱船系统中，单相整流器已在一些小功率系统中得到应用，而多脉冲整流电路在船舶推进系统中的应用还处在研究阶段。当前集装箱船上应用最广泛的整流电路是三相整流电路，其中拓扑结构是根据实际需要选择的。因此，在进行仿真建模之前，需对整流电路的拓扑结构进行分析。

1 整流电路拓扑结构分析

整流电路有很多种，可按电源系统的不同，分为三相整流电路和单相整流电路；可按控制器件的不同，分为全控整流电路、半控整流电路和不控整流电路；可按电路结构的不同，分为三桥臂整流电路和四桥臂整流电路等。船舶领域内的整流电路要根据电力系统中其他电路的拓扑类型选择，使系统中的各部分结构能良好地适配，降低电路的复杂度，因此采用的电路多为三相桥式电路。下面根据控制器件的不同，对三相不控整流电路、三相半控整流电路和三相全控整流电路进行分析比较。

1.1 三相不控整流电路

三相不控整流电路的负载侧既可以是RC电路，也可以是RCL电路，不同电路结构的输出电压的计算原理有所不同。图1为有电容滤波的三相不控整流电路原理图，该整流电路采用的器件是不可控的二极管，负载端是滤波电容和负载电阻，每个时间点上桥臂二极管和下桥臂二极管都有1只被开启，此时AC侧的电压最大值可等效为DC侧的电压进行输出。例如在零时刻，上桥臂的器件VD1与下桥臂的器件VD6导通，DC侧电压值正如前面所述，并同时向电容和电阻供电。在前一对二极管关断和后一对二极管导通期间，会有一个临界情况，此时电阻与电容的关系为

图1 有电容滤波的三相不控整流电路原理图

(1)

此时导通与关断刚好在同一时刻，输出电流id刚好能保持连续。相电压Ua的计算式为

(2)

式(1)和式(2)中:R为电阻;C为电容;ω为角频率;δ为相位。

对于负载为RCL的不控整流电路，干路电流会流经电感，此时的情况更贴近实际情况，因为在实际工程环境中，电路之间的作用会使电路带有电感。此外，为保证整流电路正常工作，还会加入保护电感。在此次仿真研究中，为使结果更清晰，采用简化的RC负载电路。

1.2 三相半控整流电路

上述整流电路结构的上桥臂和下桥臂都是由二极管组成的，半控整流电路在此基础上进行了调整，将上桥臂的二极管换成了晶闸管，并将其与共阴极相连接。该电路两侧采用的接法不同，其中：变压器侧采用三角形连接，可减少电路中的干扰因子；晶闸管和二极管侧采用星形连接，可降低每个晶闸管承受的电压，使电路更稳定。该电路负载端有2种负载，一种是纯电阻负载，另一种是更贴合实际的阻感负载，本文遵照简单清晰的原则，采用纯电阻负载，电路原理图见图2。

图2 三相半控整流电路原理图

晶闸管是一种可通过电压控制的器件，在使用过程中需考虑触发脉冲,通过控制触发脉冲控制输出电压，其工作原理与双晶体管类似。若门极在一定条件下流过电流IG，则IG会在第一个NPN晶体管内产生基极电流IC2，该电流会流入PNP晶体管，最终增强NPN晶体管的基极电流。该正向反馈持续作用，最终使晶闸管正常工作。晶闸管一旦导通，开始时加入的触发电流将失去作用，只有将晶闸管此时的阳极电压减到足够小，才能使晶闸管停止工作。

当阳极电压加在晶闸管两端时，只有门极承受正向电压,晶闸管才会被导通；当晶闸管承受反向阳极电压时，晶闸管全部处于关闭状态。晶闸管导通之后，只要两端还有阳极电压，晶闸管就不会关断，只有当主回路电流为0时,晶闸管才会关断。需注意的是，晶闸管的触发角α是相电压过零后30°。

1.3 三相全控整流电路

三相全控整流电路是最常用的整流电路，可分为电压驱动和电流驱动2种。负载为RL的电路是电流驱动型整流电路;负载侧为RC的电路是电压驱动型整流电路。电流驱动型整流电路的储能元件是电感;电压驱动型整流电路的储能元件是电容。根据实际环境的不同，选择不同驱动类型的整流电路。本文的三相全控整流电路采用负载为RC的电压驱动型整流电路，其原理图见图3。

图3 三相全控整流电路原理图

与前面研究的整流电路的差异点是该整流电路的6个二极管全部变成了晶闸管，上桥臂和下桥臂一个是共阴极连接，另一个是共阳极连接，每一时刻上桥和下桥都有一个晶闸管被导通，导通相位相差60°。为获得理想的直流输出电压，触发脉冲需同时作用于2组晶闸管上，采用宽脉冲触发或双脉冲触发可达到该目的，此次仿真采用宽脉冲触发。

2 整流电路拓朴结构仿真分析

2.1 仿真建模

为高效地区分3种整流电路拓扑结构的优劣，考虑到MATLAB软件具有高适配性和可编程性的优点，选择MATLAB软件中的Simulink仿真工具进行仿真试验。

下面采用Simulink仿真工具，根据理论分析原理搭建三相不控整流电路仿真电路(见图4)，供电部分是三相AC，主电路为6个二极管组成的三相电路，负载端由电阻和电容组成，负载电阻为100 Ω。

图4 三相不控整流电路仿真电路

图5为三相半控整流电路仿真电路，简化为只针对阻性负载，α=30°，供电部分由3个独立电源组成，主干路由3个通用晶闸管和脉冲电路组成，负载是电阻R。

图5 三相半控整流电路仿真电路

图6为三相全控整流电路仿真电路，由三相交流电源和6个晶闸管负载电阻组成，脉冲宽度为80°。

图6 三相全控整流电路仿真电路

2.2 仿真分析

3种整流电路拓扑结构的仿真结果分别见图7～图9。研究过程中只探究了输出电压的特性，通过比较可知：

图7 三相不控整流电路输出电压

1)在同一电阻下，三相不控整流电路的输出电压(如图7所示)只能通过改变导通角δ改变，无法通过一些控制方法进行控制，进而将输出电压控制在最好的状态，在试验中只能通过反复改变δ，将输出电压控制在合理范围内。

2)三相控整流电路便于分析和控制，可根据触发脉冲控制输出电压，适用于很多简单的场景，输出电压的图像如图8所示，在对脉冲进行合理调整之后，负载电阻的电压波形与理论研究的形状相符合，但因只有上桥臂是可控的晶闸管，在某些时刻无法进行控制。

3)三相全控整流电路的6个晶闸管都能由触发脉冲控制，只要保证触发脉冲遵循一定的规律，就能保证输出电压按理想的状态输出。试验中设计6个触发脉冲，为直观地观察输出电压的波形，只选取1相电压(如图9所示)，此时输出电压Vb的波形正常，仿真效果达到了预期。在设计试验时可引入锁相环，进一步保证输出电压的质量，得到的平稳的直流电压可直接供给三相全控逆变电路，实现岸端的供电功能。

2.3 仿真对比

通过对仿真结果进行分析并查阅相关资料，可得到以下结论：

1)由二极管组成的三相不控整流电路具有成本低和操作方式简单等优点，但也存在明显的不足。由于二极管是不可控器件，直流侧的输出电压不可控制，导致输出电流的质量不理想，易产生谐波污染，因此该类型整流电路不适于在环境因素有很多不确定性的大型现场应用。

2)三相半控整流电路可弥补二极管的不足，在一定范围内控制输出电压，得到理想的波形，但由于其结构的特殊性，易使变压器磁化失效。在实际岸电系统中，出于安全和稳定考虑，要避免失控的情况，不能选择该类型整流电路。

3)三相全控整流电路的控制能力相比前2种整流电路有进一步的提升，上桥臂和下桥臂共有6个晶闸管，弥补了三相半控整流电路可能会在某区间内失控的缺点。该类型整流电路的输出电压可达到理想状态，在实际工程中，锁相环和反馈信号的加入会使其输出电压更平稳，更可靠。考虑到岸电系统的整体性，该类型整流电路还可与中压岸电系统的其他模块相匹配，使系统结构更完整。

在构建中压岸电系统的整流电路时，需考虑的问题是能否实时输出可靠的电压，能否对输出电压进行追踪、控制。综上所述，前2种整流电路不能满足所要搭建的岸电系统的要求，三相全控的拓扑结构能达到电压可追踪且可控的要求，因此选择这种拓扑结构进行建模并设计后续的控制方法。

3 结 语

本文对3种常见的整流电路的拓扑结构进行了分析，研究了三者的工作原理和相互间的等量关系，通过仿真建模分析得出适合中压岸电系统使用的是三相全控整流电路，为后续逆变器的选择和控制算法的设计奠定了基础。在后续优化中，将在反馈模型中加入PID(Proportion Integral Differential)闭环控制，以此为基础，搭配仿真平台和数据采集等模块，建立可在实船测试中应用的硬件在环仿真系统，提高整流电路的性能，使岸电系统更贴合应用实际，更好地应用到实船系统中。