0 引言

轴带发电机系统及装置在船舶供电系统中的地位随着船舶技术的进步、承载吨位的提高, 变得越来越重要。这主要是因为轴带发电机的动力来源于船舶主推进柴油机，而主柴油机相比于燃烧汽油等较昂贵燃料的副柴油发电机更经济可靠。此外，采用轴带发电机系统可以省去设备的磨耗和保养，因为轴带发电机系统通常采用可控硅整流/逆变系统^[1]。正常运行的船舶设备采用轴带发电机系统充分利用了船舶推进主机的功率，既节省了能量又为整个船舶电网提供了稳定的电流。

1 传统船舶轴带发电机系统 1.1 船舶轴带发电机系统的发展现状

从20世纪70年代对轴带发电机系统的初步装船使用至今，轴带发电机系统经历了几十年的发展进步，新型、集成度高、性能优越和大功率的轴带发电机已经受到广泛应用。轴带发电机系统在大型集装箱船、大容量砂船等船舶上广泛应用。轴带发电机有以下突出优点：

1）主推进柴油机以劣质燃油为动力能源，来源方便且效率高，具有较高的经济性。

2）整个轴带辅助发电设备易于维修和保养，减轻了柴油主机组的工作负担。

3）使机舱的空间利用更合理。使用轴带发电机的船舶，通常能提高一个副柴油机组的工作效率，这样就省出了1台副机的空间。

同时传统型的轴带发电机系统也存着缺陷：

1）输出的电源电压受主柴油机的载荷影响较大，可能会出现不同程度的波动，对船舶上的用电设备显然不利。

2）轴带发电机难以实现与其余机组长时间的耦合，因为主机的机械特性难以与轴带发电机组达到完全一致。这点对于下文中提出的基于SPWM逆变器的轴带发电机系统也显得尤为重要。

3）轴带发电机输出功率受限于主机。主机所承受的载荷有可能受外界或者内部因素影响发生突变，这时主机的功率变化就必然引起了轴带发电机系统的输出功率。

1.2 传统轴带发电机系统的结构功能和原理

传统轴带发电机系统主要包括整流器、定速装置可控硅补偿器和三相电机。具体结构如图 1所示。

其中1是电机，一般采用无阻尼绕组的无刷三相同步发电机，它的优点是具有较小的最小不平衡短路电流；2为可控硅整流器，通常以二极管方式通断运行，变交流为直流，维持轴带发电机的功率因数；3为内部结构为全桥式电路的可控硅逆变器，该逆变器通过有源逆变算法对电机输出的电流加工，使之输出频率和电压稳定的交流电；4是电抗器，起到限制和稳定谐波电流、电压的作用；5是同步补偿器，起到补偿电机启动时的相位滞后的作用；6为励磁可控硅整流装置，改变轴带发电机系统的励磁电流；7是触发控制器；9为负载。

由于轴带发电机的动力来源于船舶的主柴油机，主柴油机在船舶运行时具有不同的负载，相应的转速具有波动。因此，要想获得高质量的电能就需要控制系统进行调节，以保证输出端的电压和电流波动在允许的范围内。在上述系统中，补偿器和其他整流器共同组成了功率因数调整环节，控制环节则需要调节可控硅逆变器的逆变角^[3]。

2 基于SPWM逆变器的轴带发电机系统 2.1 轴带发电机系统中三相电压源逆变器模型及控制

所谓三相电压源逆变器模型实际上是指在某个相对静止三维坐标下，闭合电路的电流电压守恒定律、霍顿定律等作为约束条件，对轴带发电机系统建立的数学模型^[2]。三相电压源逆变器上的三相电路为全控性电感器件，逆变器的工作模式为有源逆变，即交流侧电压低于直流侧电压时运行。逆变器的这种选择比较作用是一种再生发电模式，有利于实现整个三相电压源的平衡。三相逆变器为了实现有源逆变，必须对逆变器直流侧和交流侧电流进行控制，包括电流的幅值、频率和相位。如图 2所示，是三相逆变器的结构拓扑图。

近年来，大功率、高集成度的电子器件发展迅速，逐渐取代了传统的复杂电路结构。逆变器也由传统的半控型晶体管发展为全控型的集成部件。本文所提出的基于SPWM逆变器的轴带发电机系统就是利用全控型的SPWM逆变器来实现交流侧和直流侧的电压、电流调节，使逆变器输出稳定的直流电，从而提高整个轴带发电机的性能。

实验和仿真效果验证，SPWM逆变电路在实现传统逆变器功能的基础上，在抑制谐波大幅波动、无用功的功率补偿、提高直流电品质等方面具有突出的优点。本文对基于SPWM逆变器的轴带发电机结构进行探讨，对SPWM逆变器工作原理进行说明，该新型轴带发电系统的结构图如图 3所示：

整个系统由励磁控制、整流桥、SPWM逆变器和三相同步电机构成。

系统开始运行后，将初阈值分为2个大小不一的副阈值，分别输入励磁控制环节和整流环节，通过异步调节来实现输出电流的大小以及频率的调节；电感器件和电容器件位于逆变器输出端，将逆变器的输出电压赋值给三相异步电动机，作为同步发电机的空载电压；整流桥部件对逆变器直流侧输出电流进行整流，补偿电流相位的滞后，这时控制器组输出的电压就是轴带发电机的输出电压。

其单相的等效图如图 4所示。

单相电路的电压X上电压为轴带发电机的工作电压U，U₁为逆变器输入、输出电压的差值。I为连接电感器件的输入、输出电流，该电流通过改变单相电压来进行调节。因此，改变SPWM逆变器交流侧的输出电压U，其相对于船舶用电网络的电流大小和相位就会相应的改变，进而实现了逆变器的有源逆变，比电网电压U超前或滞后一个相位角度，提供了稳定高质量的输出电流I，即控制了逆变器输出有功功率和无功功率的特性和大小^[4]。

2.2 非线性系统反馈控制理论

采用SPWM逆变器之所以能够实现轴带发电机输出控制，原因就在于逆变器的非线性强耦合性，利用这种非线性强耦合来控制有功功率和无功功率，可以使有功功率和无功功率之间也形成一种耦合。SPWM逆变器需要进行非线性解耦合分析才能充分利用其控制电流和功率的功能。解耦合是将逆变器的控制参量分解，得到2个控制分量分别控制有功功率及无功功率的输出。

通常对于某非线性系统，传统处理方法为近似化处理各个平衡位置，再应用线性系统控制方法和理论加以解决^[5]。针对本文的逆变器非线性解耦合来讲，关键就是控制该系统两侧的输入输出关系，使其实现以下两点：

1）由逆变器系统输入端，可得到输出端的变化。

2）适应轴带发电机负载变化引起的输出电压波动量。

微分积分是解非线性系统耦合状况最常用的方法，在电力控制和电路系统中得到了广泛应用。针对SPWM逆变器系统，需要将其有源逆变划分为有功功率、无功功率2个分量控制。

3 结语

本文所述的轴带发电机系统基于三相电压源SPWM逆变器，通过有源逆变控制输出电源的频率和电压，满足船舶日常运行时电力管理系统对电能的要求。同时作为船舶电力管理系统中的负荷电源之一，该轴带发电机实现了节约能源、长时间与其他柴油发电机组耦合运行或单独运行等目的。