0 引　言

在船舶电力系统中，电力电子变压器性能稳定对电气设备运行和系统安全至关重要。漏感作为影响其性能的关键因素，在复杂电磁环境下会干扰变压器输出电压、电流波形，增加谐波含量，降低电能质量，导致导航、通信等精密设备误动作或性能下降，危及航行安全；还会引发电压波动、电流突变等不稳定状况，影响对电压电流稳定性要求高的推进、照明等设备运行，甚至损坏设备，威胁系统可靠性^[1]。因此，开展漏感校正工作能抑制谐波失真、实现稳定恒流输出，保障电力设备正常运转和电力系统可靠运行。

在相关研究领域，已有不少学者为电力电子与电磁设备设计技术的进步做出了贡献。赵志刚等^[2]针对平面变压器绕组损耗与漏感参数精确计算难题，提出改进有限元法，划分强、弱边缘效应区域并引入一维线性单元，降低线性方程组系数矩阵阶数，节约计算与存储资源。张鹏宁等^[3]探讨了高频变压器优化设计，结合改进的Steinmetz公式与Dowell方法计算铁芯损耗和交流绕组系数，分析绕组交叉换位对漏磁场和电流密度的影响并推导漏电感公式，还基于自由参数扫描法开展优化设计。王伟等^[4]针对飞机地面电源系统线缆压降问题，提出基于双向MOSFET的补偿变压器投切电路及平滑投切控制法，解决了传统动态电压补偿器中频下不可靠关断与发热难题。孙泽等^[5]通过控制漏感、设计可变补偿网络等，从噪声机理与环路控制抑制输出导通噪声并补偿漏感影响。该研究助力电力电子与电磁设备设计技术发展，为本文船舶电力电子变压器漏感自动校正方法提供理论与实验支撑。

为了确保变压器的稳定运行，本文提出船舶电力电子变压器漏感自动校正方法。利用感应装定磁场耦合系统的微型逆变器控制模块搭配双边校正网络进行船舶电力电子变压器漏感自动校正，有效削减漏感对船舶电力电子变压器性能的干扰，灵活应对漏感波动，保障船舶各类设备供电稳定性。

1 基于感应装定磁场耦合系统的漏感检测框架

在复杂特殊的船舶电力系统中，电力电子变压器作为核心设备，其性能稳定可靠对电气设备运行与系统安全至关重要，而初、次级线圈漏感变化会使串联谐振电路失谐，因电流变化与漏感变化紧密相关，检测初级线圈谐振回路电流变化可精准检测漏感变化，但直接测量电流面临测量精度易受干扰、设备安装不便等挑战。因此，在船舶电力电子变压器电路中设置感应装定磁场耦合系统，串联电阻实现电流到电压信号的转换，通过测量电阻两端电压间接推断电流大小，检测到的电压信号先经缓冲器稳定传输以避免干扰和衰减，再送入峰值检测器捕捉电压峰值确定是否产生漏感，一旦检测到漏感，系统以微型逆变器控制模块为控制器，通过双边校正网络自适应调整谐振电容网络中的校正电容值，实现漏感自动校正，确保谐振回路再次谐振，为电气设备提供稳定恒流输出。基于感应装定磁场耦合系统的漏感检测框架如图1所示。

图1中，$ {C_1} $、$ {C_2} $分别表示初级侧校正电容和次级侧校正电容。

2 自动校正网络 2.1 单边校正网络

单边校正网络包含PS、PP、SS、SP等多种校正结构。受船舶电力系统特殊性影响，这些校正方式在电路连接上存在差异，导致元件参数选择、对变压器性能影响及带负载能力等方面特性不同。以下将重点分析SP型与PP型校正结构。

1）当船舶电力电子变压器的输入激励为电压源时，提出运用SP型校正结构以达成负载上的任意恒流输出。在船舶实际运行中，不同设备对电流需求不同，任意恒流输出功能可满足多样化负载需求。设$ {L_{1k}} $、$ {L_{2k}} $表示船舶电力电子变压器的等效初级侧和次级侧漏感；$ H $表示等效电压比，当$ H $为实数时，$ {C_1} $与$ {L_{1k}} $会发生串联谐振（串联谐振等效于短路）。此时，电压源$ \dot{U}\mathrm{_{in}} $会被放大$ n $倍并施加到船舶电力电子变压器次级侧^[6]。依据电源等效变换原理，可有效校正船舶电力电子变压器漏感。当$ {C_2} $与$ {L_{2k}} $完全谐振（并联谐振等效于开路）时，船舶电力电子变压器便能实现恒流输出，负载$ {R_E} $上的电流为：

$ \dot{I}_o=\frac{n\dot{U}\mathrm{_{in}}}{j\delta(L_2-HZ)}。$

(1)

式中：$ j $为虚数单位；$ {L_2} $为接收线圈电感；$ Z $为发射和接收线圈之间的互感；$ \delta $为谐振角频率。

初级侧校正电容$ {C_1} $和次级侧校正电容$ {C_2} $计算式分别为：

$ {C_1} = \frac{H}{{\delta _0^2(H{L_1} - Z)}}，$

(2)

$ {C_2} = \frac{1}{{\delta _0^2({L_2} - HZ)}}。$

(3)

式中：$ {L_1} $为发射线圈电感；$ {\delta _0} = 2{\text{π}} {f_0} $为船舶电力电子变压器工作谐振角频率，$ {f_0} $为船舶电力电子变压器工作谐振频率。

在船舶电力电子变压器漏感自动校正过程中，存在2种特殊情形：第1种情形是当满足发射线圈$ H{L_1} = Z $时，此时初级侧校正电容$ {C_1} $可以等效为短路；第2种情形是当$ {L_2} = HZ $时，依据式(1)进行推导获得输出电流趋于无穷大的结果。然而，在实际船舶电力电子变压器中，这种无穷大的输出电流是不符合实际需求的，无法满足船舶电力电子变压器对于稳定、安全运行的要求。出现这2种情形时，初级侧漏感$ {L_{1k}} $能够将输入电压转换为电流源。与此同时，$ {C_2} $会与$ {H^2}({L_{1k}}/{L_m}) $形成并联谐振状态^[7]。其中，$ {L_m} $表示等效励磁电感。在这2种情形下，仅需使用单个电容进行校正，便可以实现船舶电力电子变压器漏感自动校正。这种特殊情形处理方式充分考虑了船舶电力电子变压器在实际运行中可能出现的极端情况，提高了系统的稳定性和可靠性。

2）当船舶电力电子变压器的输入激励源为电流源时，采用PP型校正网络结构达成负载上的可变恒流输出。在船舶电力系统中，不同工况下负载对电流的需求会发生变化，可变恒流输出功能可灵活适应这些变化。PP型校正网络结构可借助电源等效变换原理，把输入电流$ \dot{I}\mathrm{_{in}} $与初级侧校正电容$ {C_1} $的并联结构等效变换为电压源与$ {C_1} $的串联结构，在此结构中，促使$ {C_1} $与初级侧漏感$ {L_{1k}} $形成串联谐振，同时让次级侧校正电容$ {C_2} $与次级侧漏感$ {L_{2k}} $达成并联谐振。通过这样的谐振设置，能够有效校正船舶电力电子变压器中的漏感影响，使船舶电力电子变压器的输出可等效为恒流源。其中，$ {C_1} $和$ {C_2} $的取值遵循式(2)、式(3)。在船舶电力电子变压器的增益固定点（即谐振点）处，输出电流为：

$ \dot{I}_o=\frac{H\dot{I}\mathrm{_{in}}}{-\delta_0^2C_1(L_2-HZ)}。$

(4)

SP型校正结构通过$ {C_1} $与$ {L_{1k}} $串联谐振、$ {C_2} $与$ {L_{2k}} $并联谐振，校正船舶电力电子变压器漏感，确保谐振回路达到谐振状态，达成任意恒流输出。PP型校正结构则利用电源等效变换等方式，将输入电流$ \dot{I}\mathrm{_{in}} $与$ {C_1} $并联结构等效变换后，配合谐振设置，校正船舶电力电子变压器漏感，确保谐振回路达到谐振状态，使船舶电力电子变压器输出等效为恒流源。这2种校正结构为船舶电力电子变压器漏感校正提供了多样化的选择，能够根据不同的输入激励源和负载需求进行灵活应用。

2.2 双边校正网络

考虑到船舶电力系统运行过程中，电磁耦合频率大幅提升会带来集肤与邻近效应，单边校正难以有效应对这些问题。因此，基于单边校正网络原理进一步拓展，采用双边校正对初次级同时实施漏感校正，提升船舶电力电子变压器整体的漏感校正效果。

设定船舶电力电子变压器的次级线圈变比为1。运用单边校正的分析思路，对PSSS、PSSP、PPSS、PPSP等4种双边校正网络结构进行剖析^[8]，从而确定校正电容值。不同船舶电力电子变压器漏感校正方式下，双边校正电容值的选取规则如下：

双边校正中PSSS和PPSS校正网络结构的初级侧校正电容为：

$ {C_1} = \frac{1}{{{\delta ^2}{L_{1k}}}}。$

(5)

双边校正中PSSP和PPSP校正网络结构的初级侧校正电容为：

$ {C_1} = \frac{1}{{{\delta ^2}{L_{1k}}(1 - {X^2})}}。$

(6)

式中：$ X $为船舶电力电子变压器耦合系数。

PSSS、PSSP、PPSS、PPSP等4种双边校正网络结构的次级侧校正电容为：

$ {C_2} = \frac{1}{{{\delta ^2}{L_{2k}}}} 。$

(7)

双边补偿可同时对船舶电力电子变压器初级侧和次级侧的漏感进行处理。通过感应装定磁场耦合系统的微型逆变器控制模块作为控制器，运用PSSS、PSSP、PPSS、PPSP等4种双边校正网络同时调整船舶电力电子变压器初级侧和次级侧的校正电容值，构建船舶电力电子变压器漏感模型，能更全面、综合地进行船舶电力电子变压器漏感自动校正，确保谐振回路再次达到谐振状态，实现更稳定的恒流输出。该校正充分考虑了船舶电力系统的特殊性和复杂性，提高了漏感校正的精度和稳定性，为船舶电力电子变压器在复杂环境下的可靠运行提供了有力保障。

3 实验分析

为充分验证本文所提出的基于感应装定磁场耦合系统的船舶电力电子变压器漏感检测与自动校正方法在实际船舶电力系统中的性能，搭建了专业的实验硬件平台。该平台配备Intel Core i7-12700H 处理器、16 GB内存以及NVIDIA RTX3060显卡，运行的操作系统为64位的Windows 11专业版。在软件层面，选用Matlab R2023b与Simulink 10.6联合仿真环境开展实验分析，该环境可精准模拟船舶电力电子变压器在不同工况下的运行状态。

在实验中，将本文方法与文献[3]中的自由参数扫描法和文献[4]中的平滑投切控制方法进行对比分析。考虑到船舶电力系统对稳定谐振状态的高要求，以3种方法进行船舶电力电子变压器漏感校正后的回路谐振频率作为对比指标，借此验证本文方法在性能方面的优势。3种方法的回路谐振频率对比结果如图2所示。

可知，自由参数扫描法和平滑投切控制方法校正船舶电力电子变压器漏感后，均未能使回路谐振频率达到理想的谐振状态，且校正后的回路谐振频率稳定性欠佳，这会导致船舶电力电子变压器在运行过程中出现功率损耗增加、效率降低等问题，影响船舶电力系统的稳定性和可靠性。相比之下，本文方法能够在约20 s内迅速达到理想的谐振状态，并在此后保持稳定的回路谐振频率，为船舶电力电子变压器的高效稳定运行提供了有力保障，体现了本文方法在快速性和稳定性方面的优越性。

为进一步验证本文方法在船舶电力电子变压器漏感自动校正后对输出电流稳定性的提升效果，通过4种单边校正方法（PS、PP、SS、SP）和4种双边校正方法（PSSS、PSSP、PPSS、PPSP）进行船舶电力电子变压器漏感自动校正后，分析输出电流值是否达到恒流输出，如图3所示。

可知，单边校正方法进行船舶电力电子变压器漏感自动校正后，输出电流值会呈现出一定的波动特性。在船舶电力系统中，电流波动会导致电气设备的工作状态不稳定，增加设备故障的风险，影响船舶的正常航行和设备的使用寿命。而双边校正方法进行船舶电力电子变压器漏感自动校正后，输出电流在30 s内达到稳定状态，能够为船舶上的各种电气设备提供持续、稳定的电力供应，避免因电流波动导致的设备故障或损坏，提高了船舶电力系统的可靠性和安全性，体现了本文方法在船舶实际应用中的有效性。

对船舶电力电子变压器在不同工况下的电压波形展开检测，包括正常工作时的电压波形、漏感发生时的电压波形，以及经本文方法漏感自动校正后的电压波形，从而验证本文方法的有效性。船舶电力电子变压器在不同工况下的电压波形如图4所示。

可知，船舶电力电子变压器在正常工作时的电压幅值在2 V左右，漏感发生时的电压幅值有所下降，并且呈现不稳定现象，这会导致船舶电力系统中的设备无法正常工作，影响船舶的航行安全和设备的性能。经本文方法漏感自动校正后的电压幅值成功回升，再次回归到2 V左右的正常水平。这一结果表明本文方法能够有效应对船舶电力电子变压器漏感问题，在漏感发生后使船舶电力电子变压器的电压幅值恢复至正常工作状态，确保船舶电力系统的稳定供电，从而验证了本文方法在校正船舶电力电子变压器漏感问题上的有效性与可靠性，具有显著的船舶应用价值。

4 结　语

本文聚焦船舶电力系统实际需求，将感应装定磁场耦合系统的微型逆变器控制模块作为核心控制器，运用4种双边校正网络动态调整校正电容值，实现了船舶电力电子变压器漏感的精准自动校正。结果表明，该方法显著减少了船舶电力电子变压器运行过程中的能量损耗，有效保障了输出电流与电压的稳定性，极大降低了船舶电力系统的维护成本，提升了船舶整体运行的可靠性与经济性。