船舶岸电电源功率模块调试方法与流程

本发明涉及一种岸电电源系统，更为具体地讲，涉及一种船舶岸电电源两电平功率模块调试方法。

背景技术：

船舶岸电电源采用电力电子技术静止型逆变电源系统，将岸上不同于船舶用电频率的供电转换为船舶所需要的频率供电。船舶岸电电源主要以常见的交直交电压源型的变频器为核心，通过整流器把某一频率的交流电转换为直流电，再用逆变器把直流电转换成所需要频率的交流电，经过lcl滤波器后输出良好的交流电压波形，供船舶负载使用。船舶岸电电源系统示意图如图1。

船舶岸电电源分为功率变换电路和控制电路两大部分。功率变换电路主要实现能量转换，逆变器选用igbt为开关元件，将平稳直流逆变为pwm输出交流，该交流基波频率为船舶负载所需频率，船舶岸电电源系统主电路拓扑示意图如图2。控制电路主要根据对主电路输入和输出量的检测来实现对主电路的控制和各种保护。通过对输出三相电压和电流的检测，得到三相输出电压和电流值，然后与给定基准信号比较，通过控制器产生控制信号来控制逆变器中的功率管动作，使逆变器输出电压跟踪基准正弦波信号，从而得到期望的三相恒压恒频的交流电源。控制器采用双闭环控制，可使逆变器具有较好的输出电压波形、动态响应特性和稳态调压精度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：研发阶段，功率模块调试带有一定随意性，可能漏测某些内容，导致后期调试存在较大安全隐患，且各种可能性叠加，分析问题非常困难。

本发明的技术方案为：船舶岸电电源功率模块调试方法，采用如下步骤。

步骤1：控制板模拟量测量。测量所有通道极性是否正确，测量模拟量通道几档精度。另外，为保证模拟量瞬时值保护能够动作，精度测量需测量至高于软件模拟量瞬时值保护值。

步骤2：控制板开关量测量。对比人机界面的控制和显示与实际开关量输入、开关量输出状态，保证实际开关量输入、开关量输出逻辑与设计要求相符。驱动板故障反馈对应控制板专门的开关量输入通道，该通道对延迟时间有严格要求。

步骤3：驱动信号测量。待机状态下，所有驱动信号均应输出低电平，封锁功率管。运行状态下，驱动信号高低电平具体数值应符合驱动板说明书，驱动信号频率符合控制板控制频率，死区时间与软件或硬件设置一致。待机状态时，控制板上电、断电过程中，所有驱动信号均不得有上下桥臂短路脉冲输出。

步骤4：控制板模拟量保护有效性和保护动作时间测量。所有的保护动作时间，均应在功率管运行状态下测量。软件模拟量瞬时值保护，测量结果应与软件保护逻辑匹配。软件模拟量有效值或平均值保护主要测量保护能否正确动作，对于保护动作时间的要求并不高，但测量结果应与软件保护逻辑匹配。模拟量硬件比较电路保护，硬件保护动作值由硬件决定，硬件保护动作时间由模拟量采样延迟和硬件比较电路滤波参数决定，实测的动作时间应与理论计算一致且满足设计要求。

步骤5：离网发电压。空载离网发电压，主要考核功率管是否能正确动作，逐步提高电容电压至正常运行电压，滤波后的功率模块交流输出电压波形均应为稳定、标准的正弦波，三相输出电压相序为正序，幅值随电容电压等比例增加。带载离网发电压，主要考核功率模块抗电磁干扰性能，逐步提高电容电压至正常运行电压，滤波后的功率模块交流输出电压波形均应为稳定、标准的正弦波，三相输出电压、电流相序为正序，幅值随电容电压等比例增加。

步骤6：离网控电流。离网控电流试验是为了考核无差拍算法所实现的电流闭环控制，既考核算法也考核输出电流采样。逐步提高电容电压至正常运行电压，在人机界面中设置不同的输出电流，交流输出电流波形均应为稳定、标准的正弦波，电流相序为正序，幅值与人机界面中的设定值接近。

步骤7：并网。相对于离网控电流，并网时增加了锁相算法、无差拍算法更改为含有电网电压采样的无差拍算法。安全起见，功率模块先经过调压器并网，逐步提高调压器输出电压至正常电网电压，功率模块通过控制有功电流输入来控制直流电容电压。经调压器并网成功后，可更换回正常连接电感，直接并网。并网成功后，发额定容量无功，考核各部分温升情况。

本发明具有如下优点：将船舶岸电电源功率模块调试流程化，循序渐进，每个步骤只增加一部分算法或硬件，降低调试难度，保证调试安全、可靠地顺利进行。

附图说明

图1为船舶岸电电源系统示意图。

图2为船舶岸电电源系统主电路拓扑示意图。

图3为本发明方法流程图。

图4为离网调试电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作详细说明，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

附图的符号及标号说明：udc-直流支撑电容电压；gs1～gs6-整流电路功率开关管；gl1～gl6-逆变电路功率开关管；ls1-整流电路lcl滤波器电网侧电感；ls2-整流电路lcl滤波器整流电路侧电感；cs-整流电路lcl滤波器滤波电容；rs-整流电路lcl滤波器阻尼电阻；ll1-逆变电路lcl滤波器逆变电路侧电感；ll2-逆变电路lcl滤波器船舶侧电感；cl-逆变电路lcl滤波器滤波电容；rl-逆变电路lcl滤波器阻尼电阻；qf-断路器；l-电感负载。

方法流程图如图3所示，具体实施方式如下：

步骤1：控制板模拟量测量

极性测量

对于能够测量直流的模拟量通道，可直接使用测试仪器发出直流信号进行极性测量；对于仅能测量交流的模拟量通道，可使用测试仪器发出2个同相位的交流信号，交流模拟量通道和直流模拟量通道同时采样，通过对比控制板交直流模拟量通道录波波形进行极性测量。

精度测量

测量模拟量通道120％额定值以下几档精度，如10％额定值、30％额定值、50％额定值、80％额定值、100％额定值、120％额定值。精度一般要求有效值或平均值＜1％，最大值和最小值＜2％。另外，考虑到软件模拟量瞬时值保护一般高于额定值，为保证模拟量瞬时值保护能够动作，精度测量需测量至高于软件模拟量瞬时值保护值，此时精度要求可适当放宽。

步骤2：控制板开关量测量

常规开关量指除功率管驱动信号外，驱动继电器、接触器、指示灯等元件的开关量输出和检测按钮、转换开关、继电器反馈触点等有源或无源开关量输入。

开关量输入、开关量输出逻辑测量

对比人机界面的控制和显示与实际开关量输入、开关量输出状态，保证实际开关量输入、开关量输出逻辑与设计要求相符。

开关量输入、开关量输出动作延迟

对于常规开关量，动作时间一般满足要求，可以不进行测量。

驱动板除了生成驱动信号外，一般还自带故障反馈功能，可检测一次侧电源欠压、二次侧电源欠压、功率管直通等故障。驱动板故障反馈对应控制板专门的开关量输入通道，该通道延迟时间一般应在10us以内。

步骤3：驱动信号测量

待机状态

待机状态下，所有驱动信号均应输出低电平，封锁功率管，低电平具体数值应符合驱动板说明书。

运行状态

运行状态下，驱动信号高低电平具体数值应符合驱动板说明书，驱动信号频率符合控制板控制频率，死区时间与软件或硬件设置一致。

软件设置固定占空比，驱动信号占空比应与软件设置一致。软件设置正弦占空比，驱动信号经滤波后应为正弦波。

上电断电过程

待机状态时，控制板上电、断电过程中，所有驱动信号均不得有上下桥臂短路脉冲输出，若要求严格，所有驱动信号均应为低电平。

实际调试过程中，三桥臂拓扑有6个驱动信号，四桥臂拓扑则有8个驱动信号，测量很不方便。可只测量一相，驱动正常后，给直流电容充电，逐步升高电容电压至正常运行电压，待机状态时，上电、断电控制板，关注电容电压是否有突然下降。

若要进行更为严苛的测试，可在运行状态时上电、断电控制板。

步骤4：控制板模拟量保护有效性和保护动作时间测量

为保证精确测量动作时间，应首先测量实际的保护动作值。

所有的保护动作时间，均应在功率管运行状态下测量。以软件模拟量瞬时值保护为例，运行状态下，同时测量模拟量输入和驱动输出，增大模拟量输入直至保护动作，驱动停止输出，模拟量输入达到保护动作值的时间与驱动停止输出的时间之差即为保护动作时间。

软件模拟量瞬时值保护

对于交流量，正负都要测1次。对于直流量，仅需要测量所需要的极性。测量结果应与软件保护逻辑匹配，若在定时中断中实现模拟量瞬时值保护，采集到1个超过保护值的点则保护动作，则最终测量到的软件模拟量瞬时值保护动作时间应小于定时中断的定时时间。

软件模拟量有效值或平均值保护

软件模拟量有效值或平均值保护主要测量保护能否正确动作，对于保护动作时间的要求并不高，但测量结果应与软件保护逻辑匹配。

模拟量硬件比较电路保护

为实现保护的冗余，一般还设置有模拟量硬件比较电路保护。

硬件保护动作值由硬件决定，实际的保护动作值与理论计算保护动作值应偏差不大，硬件保护动作时间由模拟量采样延迟和硬件比较电路滤波参数决定，实测的动作时间应与理论计算一致且满足设计要求。

步骤5：离网发电压

试验电路如图4，从节约电能角度考虑，负载选取为电感l，充电电路负责提供电压和有功损耗。断路器qf断开即为空载，断路器qf闭合即带电感负载l。

功率管占空比设置为固定值，如0.3，测量驱动板输出波形和功率模块交流输出电压波形，两者占空比均应为0.3，若后者为0.7，则表明上下桥臂驱动信号反接。功率管占空比设置为三相正序正弦波，进行后续试验。

空载离网发电压

空载离网发电压为了考核功率管是否能正确动作。

逐步提高电容电压至正常运行电压，滤波后的功率模块交流输出电压波形均应为稳定、标准的正弦波，三相输出电压相序为正序，幅值随电容电压等比例增加。

带载离网发电压

相对空载离网发电压，带载离网发电压在控制上没有任何区别，仅有输出电流，此时电磁干扰比较严重，主要考核功率模块抗电磁干扰性能，关注模拟量采样和各项显示是否正常。

逐步提高电容电压至正常运行电压，滤波后的功率模块交流输出电压波形均应为稳定、标准的正弦波，三相输出电压、电流相序为正序，幅值随电容电压等比例增加。

步骤6：离网控电流

试验电路如图4，闭合断路器qf。离网控电流试验是为了考核无差拍算法所实现的电流闭环控制，既考核算法也考核输出电流采样。

带载离网发电压是直接给定功率管占空比，输出电流幅值由占空比和电容电压决定。离网控电流则是利用无差拍算法自动计算出功率管占空比以实现电流闭环控制，输出电流幅值直接由人机界面控制，与电容电压几乎无关。将标准的无差拍公式中电网电压置0，即为离网控电流时的无差拍算法。

逐步提高电容电压至正常运行电压，在人机界面中设置不同的输出电流，交流输出电流波形均应为稳定、标准的正弦波，电流相序为正序，幅值与人机界面中的设定值接近。

步骤7：并网

相对于离网控电流，并网时增加了锁相算法、无差拍算法更改为含有电网电压采样的无差拍算法。

经调压器并网

安全起见，功率模块先经过调压器并网，例如电网电压380v，调压器降压至20v后再连接至功率模块。

无差拍算法中，认为电网电压为理想电压即忽略电网阻抗，直接并网时，电网阻抗较小，对无差拍算法影响不大，可正常运行。经调压器并网时，相当于电网阻抗增大，可能导致无差拍算法失效，此时，可适当增加功率模块连接电感感值。

逐步提高调压器输出电压至正常电网电压，功率模块通过控制有功电流输入来控制直流电容电压。

直接并网

经调压器并网成功后，可换回正常连接电感，直接并网。并网成功后，发额定容量无功，考核各部分温升情况。