李春華，王歌潮，戴躍偉，陳嘉鴻

(1．中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰214431;2．江蘇科技大學(xué) 自動(dòng)化系，江蘇鎮(zhèn)江212003)

0 引言

大量非線性電力電子裝置，如變頻器和整流器等在船舶電力系統(tǒng)中大量使用，給船舶電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的諧波污染，這將導(dǎo)致設(shè)備容量和線路損耗增加，降低發(fā)電機(jī)、電氣設(shè)備的運(yùn)行效率和使用壽命，有可能導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的誤動(dòng)作，對(duì)通信設(shè)備和測(cè)控設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，對(duì)船舶電力系統(tǒng)的安全和可靠性構(gòu)成危害［1－3］。

有源電力濾波器 (Active Power Filter，APF)［4－6］是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型裝置，它能對(duì)大小和頻率變化的諧波和無功功率同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，運(yùn)行靈活，不僅濾波效果好，而且克服了無源濾波器 (Passive Power Filter，PPF)［7］對(duì)電網(wǎng)參數(shù)敏感、易與電網(wǎng)產(chǎn)生串/并聯(lián)諧振、體積龐大等缺點(diǎn)。

目前，由于檢測(cè)手段和方法的限制，船舶上諧波分析多為通過檢測(cè)工具對(duì)個(gè)別點(diǎn)進(jìn)行直接測(cè)量，無法對(duì)整個(gè)船舶電網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究，從而無法系統(tǒng)分析諧波源，及其相互影響。要實(shí)現(xiàn)船舶電網(wǎng)諧波的有效抑制，必須先為船舶電力系統(tǒng)建立一個(gè)精準(zhǔn)的仿真平臺(tái)，方可進(jìn)而提出滿足要求的系統(tǒng)的諧波抑制方案［8－9］。

本文將以建立的船舶電力系統(tǒng)模型為平臺(tái)，設(shè)計(jì)并聯(lián)型有源電力濾波器，包括諧波電流檢測(cè)模塊和補(bǔ)償電流的跟蹤控制模塊，并對(duì)船舶電力系統(tǒng)中典型強(qiáng)非線性負(fù)載的諧波抑制進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證并聯(lián)型有源濾波器對(duì)船舶電力系統(tǒng)諧波抑制的有效性。

1 并聯(lián)型有源電力濾波器的設(shè)計(jì)

并聯(lián)型有源電力濾波器 (Shunt Active Power Filter，SAPF)［10］的基本工作原理如圖1所示。SAPF是從補(bǔ)償對(duì)象中實(shí)時(shí)檢測(cè)出諧波電流i*c，由補(bǔ)償電路產(chǎn)生與諧波電流幅值相等相位相反的補(bǔ)償電流ic，注入電網(wǎng)后與諧波電流相互抵消，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量if。并聯(lián)型有源電力濾波器 (SAPF)的設(shè)計(jì)主要包括:諧波電流實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)技術(shù)和諧波補(bǔ)償電流的跟蹤控制技術(shù)。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器SAPF的基本原理Fig.1 The basic principle of SAPF

1.1 諧波電流的檢測(cè)

基于瞬時(shí)無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測(cè)方法如圖2所示。將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的三相電源電流進(jìn)行坐標(biāo)變換，與三相電源電流相減，實(shí)時(shí)檢測(cè)出總諧波電流分量，把電流分解為基波和諧波部分。

將三相電流ia，ib，ic經(jīng)過3/2變換，變換為靜止 α，β 兩項(xiàng)坐標(biāo)系的電流 iα，iβ。

將Ua通過鎖相環(huán)和正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到與Ua同相位的正弦信號(hào) sinωt和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)cosωt，獲得變換陣

將2項(xiàng)電流iα與iβ經(jīng)過坐標(biāo)變換矩陣Cpq得出該坐標(biāo)系下的有功和無功電流分量ip與iq。

有功和無功電流分量ip與iq經(jīng)過低通濾波器濾除交流分量，得到對(duì)應(yīng)的直流分量，直流分量分別對(duì)應(yīng)于基波分量產(chǎn)生的有功和無功電流，被濾除的交流分量對(duì)應(yīng)其高次諧波產(chǎn)生的有功和無功電流。

iαf與 iβf在經(jīng)過 2/3 變換得到三相的基波電流iaf，ibf，icf。

最后的諧波 iah，ibh，ich為:

由于該方法只使用a相電壓的相位，因此其檢測(cè)結(jié)果的精度不受電壓畸變的影響。

1.2 諧波電流的跟蹤控制

由SAPF的諧波跟蹤控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)到的諧波電流 (指令電流信號(hào)i*)的實(shí)時(shí)跟蹤，目前常用的方法有滯環(huán)控制法［11］和三角波比較法［12］。由于滯環(huán)控制法電路簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，且不需載波，故選擇其作為諧波電流跟蹤控制的方法。圖3為采用了滯環(huán)比較器實(shí)現(xiàn)諧波電流的跟蹤控制圖。滯環(huán)控制法根據(jù)給定補(bǔ)償信號(hào)i*與測(cè)得的諧波補(bǔ)償器輸出電流i的誤差來控制諧波補(bǔ)償器的開關(guān)動(dòng)作。當(dāng)誤差超過上、下限 (由滯環(huán)環(huán)寬決定)時(shí)開關(guān)立即動(dòng)作，使實(shí)際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考信號(hào)上下波動(dòng)。

圖3 諧波電流跟蹤與控制Fig.3 Harmonic current tracking and control

2 船舶電力系統(tǒng)的模型

船舶電力系統(tǒng)是由船舶電站、輸電網(wǎng)和用電負(fù)載等部分構(gòu)成的容量有限的獨(dú)立小型電力系統(tǒng)。在Matlab/simulink環(huán)境中搭建了基于SAPF的船舶電力系統(tǒng)諧波抑制仿真模型，如圖4所示。

船舶的電力負(fù)荷設(shè)備主要包括甲板機(jī)械、廚房設(shè)備、機(jī)艙機(jī)械、空調(diào)、冷藏、通風(fēng)、導(dǎo)航、通信和照明等，其中電動(dòng)機(jī)是船舶的主要負(fù)載類型。由于強(qiáng)非線性的電力電子器件在船舶上的大量使用，使其成為船網(wǎng)諧波的主要來源，而且大功率負(fù)載(例如空調(diào)、側(cè)推，錨機(jī)、纜車等)的運(yùn)行對(duì)船舶電網(wǎng)具有較大沖擊，此處選擇變頻器加大電動(dòng)機(jī)作為典型諧波源。變頻器采用常用的6脈波AC－DC－AC形式，其整流環(huán)節(jié)將脈動(dòng)的電信號(hào)反饋到電網(wǎng)當(dāng)中，所以抑制變頻器的諧波主要是控制其整流部分產(chǎn)生的諧波。

圖4 船舶電力系統(tǒng)諧波抑制仿真模型Fig.4 Simulation model of harmonic suppression for marine electric power system

一般而言，P脈波變流器產(chǎn)生的諧波次數(shù)為:h=Pn ±1，n=1，2，3，4，…。因此6脈波變頻器的交流電網(wǎng)側(cè)一般產(chǎn)生 5，7，11，13，17，19，…次諧波，諧波次數(shù)越高，諧波幅值越小。除諧波外，電網(wǎng)側(cè)同時(shí)會(huì)出現(xiàn)非整數(shù)倍基波的間諧波。

3 仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證并聯(lián)型有源電力濾波器SAPF對(duì)船舶電力系統(tǒng)諧波的抑制效果，在基于SAPF的船舶電力系統(tǒng)諧波抑制仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行諧波抑制實(shí)驗(yàn)。采用SAPF的船舶電網(wǎng)諧波抑制仿真波形，如圖5所示。由圖5可看出，基于SAPF使電網(wǎng)電流的波形較不使用濾波器時(shí)得到較大改善。圖6給出了諧波電流補(bǔ)償前后的頻譜分析，從頻譜分析結(jié)果看，補(bǔ)償前電網(wǎng)電流的5，7，11，13次諧波污染嚴(yán)重，電流總畸變率達(dá)到11.96%，補(bǔ)償后電網(wǎng)電流總畸變率為3.64%，達(dá)到了IEEE519及我國(guó)船級(jí)社對(duì)諧波總畸變率的標(biāo)準(zhǔn)為5%以下的要求。

圖5 采用SAPF的電網(wǎng)諧波抑制仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of harmonic current suppressed by SAPF

圖6 電網(wǎng)頻譜分析Fig.6 Power grid spectrum analysis

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)船舶上大量電力電子設(shè)備等強(qiáng)非線性設(shè)備的使用給船舶電網(wǎng)帶來的嚴(yán)重的諧波污染問題，采用了并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行船舶電網(wǎng)的諧波抑制。從分析船舶電網(wǎng)諧波成分入手，設(shè)計(jì)了諧波電流檢測(cè)模塊和補(bǔ)償電流的跟蹤控制模塊，并基于建立的船舶電力系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了并聯(lián)型有源濾波器對(duì)船舶電力系統(tǒng)諧波抑制的有效性，仿真結(jié)果表明SAPF技術(shù)可以有效補(bǔ)償船舶電網(wǎng)的諧波成分，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，該技術(shù)對(duì)于船舶電力系統(tǒng)的諧波治理具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

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