金 磊/上海江南長興重工有限責(zé)任公司總裝部

一種基于TTA算法的船用有源濾波器

金 磊/上海江南長興重工有限責(zé)任公司總裝部

船舶上變壓器，變頻器，同步發(fā)電機等必然會產(chǎn)生諧波電流，船用有源濾波器的使用可以明顯改善電流波形，減小電壓與電流的畸變率，提高系統(tǒng)功率因素。文中詳細介紹了TTA算法應(yīng)用于船用有源濾波器的優(yōu)點與實現(xiàn)過程。使用PSIM仿真驗證了TTA算法應(yīng)用于船用有源濾波器有較好的諧波與無功補償效果。

船用有源濾波器；諧波抑制；TTA算法

船舶上變壓器的勵磁回路具有非線性電感，會導(dǎo)致勵磁電流發(fā)生波形畸變，變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵磁涌流也會產(chǎn)生正負半波不對稱的畸變電流。隨著基于電力電子器件實現(xiàn)的變頻調(diào)速的發(fā)展，船舶上的電機調(diào)速等更多依賴于變頻器，變頻器的增加必然會產(chǎn)生更多的諧波電流。諧波電流的存在，會導(dǎo)致船舶發(fā)電機的效率降低，使船舶電氣設(shè)備易出現(xiàn)過熱，振動和噪音，還會導(dǎo)致繼保裝置與自動控制裝置的可靠性降低，會對通信設(shè)備與電子設(shè)備產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。

傳統(tǒng)抑制諧波電流方法大多采用LC無源濾波裝置，但是其主要缺點為損耗大，成本高，只能補償固定頻率諧波。有源電力濾波器的優(yōu)點為：避免發(fā)生諧振的危險，能夠精確的動態(tài)補償，成本較低。有源濾波器的基本原理為首先檢測出負載的諧波電流，然后有源濾波器向電網(wǎng)發(fā)送與之大小相等、方向相反的補償電流，最終進入電網(wǎng)的電流僅僅含有基波分量。本論文最后通過PSIM仿真驗證表明，采用的主電路結(jié)構(gòu)，控制算法能夠起到良好的諧波抑制作用。

一、基本原理分析

如圖1所示為船用電力有源濾波器的拓撲。IAl，IBl，ICl為非線性負載產(chǎn)生的電流，包含基波有功電流，基波無功電流，高次諧波電流。如果有源濾波器產(chǎn)生的電流IAc，IBc，ICc為基波無功電流與高次諧波電流，則根據(jù)基爾霍夫定律，IAs，IBs，ICs僅僅含有基波有功電流。

圖1 船用有源濾波器拓撲

二、 TTA算法分析

首先對負載電流進行分析,將負載電流分解為正序電流分量，負序電流分量，零序電流分量：

式中下標(biāo)0對應(yīng)零序分量，1對應(yīng)正序分量，2對應(yīng)負序分量，n對應(yīng)諧波次數(shù)，m=0時代表A相，m=1時代表B相，m=2時代表C相。

將上式i(t)乘以sin(wt-2mπ/3)可以得到：

式中ih為2次以上諧波電流所得乘積項總和，下標(biāo)11對應(yīng)基波正序分量，下標(biāo)21對應(yīng)基波負序分量，下標(biāo)01對應(yīng)基波零序分量。

將上式經(jīng)過低通濾波器（截止頻率低于兩倍的基波頻率）可以得到直流分量：

同上原理，將i(t)乘以cos(wt-2mπ/3)，然后經(jīng)過低通濾波器可以得到：

將A,B,C三相的直流分量相加可得到基波的正序d軸分量與q分量：

將輸出電流的d軸分量與基波電流的正序d軸分量相減得到諧波電流的d軸分量：

如上式所得，ind就是需要補償?shù)闹C波電流，將此諧波電流加入電流控制環(huán)，Iq為需要補償?shù)闹C波無功電流與基波無功電流之和。下圖2所示，U*dc為直流側(cè)電壓給定指令，本船用有源電力濾波器設(shè)置為750V，Udc為直流側(cè)采樣電壓。比較后的差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)后輸出為電流內(nèi)環(huán)的指令電流id*,因為需要保證輸出電流的功率因素接近1，所以電流內(nèi)環(huán)指令i*q等于負載的iq。三相電網(wǎng)電流經(jīng)坐標(biāo)變換得到輸出電流id，iq。ed，eq為電網(wǎng)電壓的前饋補償，加入前饋補償能夠有效的提高系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓擾動的抗干擾能力。

圖2 具有諧波抑制的svpwm控制策略

三、仿真與實驗結(jié)論

基于以上理論分析，在PSIM平臺上對船用有源電力濾波器進行了仿真驗證。如下圖3所示，分別為三相負載電流波形。如下圖4所示，分別是補償后的三相電網(wǎng)電流波形。

圖3 負載電流波形

圖4 補償后網(wǎng)側(cè)電流波形

表1 補償前后THD對比

四、結(jié)論

介紹了船用有源濾波的原理及TTA算法?；赥TA算法的有源濾波器可以準(zhǔn)確的分解出諧波分量，產(chǎn)生與諧波電流相反的電流，能夠有效的抑制船舶電網(wǎng)中的諧波污染，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。本文使用PSIM仿真驗證了該拓撲與控制算法的有效性與穩(wěn)定性。

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