基于SAPF的船舶電力系統(tǒng)諧波抑制

李春華，王歌潮，戴躍偉，陳嘉鴻

(1．中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431;2．江蘇科技大學(xué) 自動化系，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、電氣設(shè)備的運行效率和使用壽命，有可能導(dǎo)致繼電保護和自動控制裝置的誤動作，對通信設(shè)備和測控設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，對船舶電力系統(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］是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型裝置，它能對大小和頻率變化的諧波和無功功率同時進行補償，運行靈活，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。

目前，由于檢測手段和方法的限制，船舶上諧波分析多為通過檢測工具對個別點進行直接測量，無法對整個船舶電網(wǎng)進行系統(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)建立一個精準(zhǔn)的仿真平臺，方可進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，設(shè)計并聯(lián)型有源電力濾波器，包括諧波電流檢測模塊和補償電流的跟蹤控制模塊，并對船舶電力系統(tǒng)中典型強非線性負(fù)載的諧波抑制進行仿真，以驗證并聯(lián)型有源濾波器對船舶電力系統(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

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是從補償對象中實時檢測出諧波電流i*c，由補償電路產(chǎn)生與諧波電流幅值相等相位相反的補償電流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)計主要包括:諧波電流實時準(zhǔn)確的檢測技術(shù)和諧波補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

基于瞬時無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測方法如圖2所示。將實時檢測到的三相電源電流進行坐標(biāo)變換，與三相電源電流相減，實時檢測出總諧波電流分量，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 兩項坐標(biāo)系的電流 iα，iβ。

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

將2項電流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，得到對應(yīng)的直流分量，直流分量分別對應(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現(xiàn)對檢測到的諧波電流 (指令電流信號i*)的實時跟蹤，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)比較器實現(xiàn)諧波電流的跟蹤控制圖。滯環(huán)控制法根據(jù)給定補償信號i*與測得的諧波補償器輸出電流i的誤差來控制諧波補償器的開關(guān)動作。當(dāng)誤差超過上、下限 (由滯環(huán)環(huán)寬決定)時開關(guān)立即動作，使實際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞其參考信號上下波動。

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)備主要包括甲板機械、廚房設(shè)備、機艙機械、空調(diào)、冷藏、通風(fēng)、導(dǎo)航、通信和照明等，其中電動機是船舶的主要負(fù)載類型。由于強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、纜車等)的運行對船舶電網(wǎng)具有較大沖擊，此處選擇變頻器加大電動機作為典型諧波源。變頻器采用常用的6脈波AC－DC－AC形式，其整流環(huán)節(jié)將脈動的電信號反饋到電網(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)同時會出現(xiàn)非整數(shù)倍基波的間諧波。

3 仿真結(jié)果分析

為驗證并聯(lián)型有源電力濾波器SAPF對船舶電力系統(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)上進行諧波抑制實驗。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得到較大改善。圖6給出了諧波電流補償前后的頻譜分析，從頻譜分析結(jié)果看，補償前電網(wǎng)電流的5，7，11，13次諧波污染嚴(yán)重，電流總畸變率達到11.96%，補償后電網(wǎng)電流總畸變率為3.64%，達到了IEEE519及我國船級社對諧波總畸變率的標(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

針對船舶上大量電力電子設(shè)備等強非線性設(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)計了諧波電流檢測模塊和補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，驗證了并聯(lián)型有源濾波器對船舶電力系統(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)對于船舶電力系統(tǒng)的諧波治理具有較好的應(yīng)用價值。

［1］ 馮木易．船舶電網(wǎng)諧波優(yōu)化治理設(shè)計［J］．船海工程，2014，43(4):153 －155．FENG Mu-yi．Harmonic optimal suppression of ship power system［J］．Ship ＆ ocean engineering，2014，43(4):153－155．

［2］ 許曉彥．船舶多模式電站與船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量研究［D］．上海:上海海事大學(xué)，2007．XU Xiao-yan．Research on marine combined electrical power plant and electric network power quality［D］．Shanghai:Shanghai Maritime University，2007．

［3］ 俞萬能．小型電力推進船舶電力系統(tǒng)諧波抑制的仿真研究［J］．中國造船，2008，49(10):186 －191．YU Wan-neng．The harmonic suppression simulation research of small ship power system with electric propulsion［J］．Ship Building of China，2008，49(10):186 －191．

［4］ SASAKI H，MACHIDA T．A new method to eliminate ac harmonic currents by magnetic compensation consideration on basic design［J］．IEEE Transactions on application and system，1971，90(5):2009 －2019．

［5］ AKAGI H，KANAZAWA Y，NABAE A．Instantaneous reactive Power compensators comprising switching devices without energy storage componenrs［J］．IEEE Transactionson Industrial Applications，1984，20(3):625 －630．

［6］ 王群，姚為正，劉進軍，等．諧波源與有源電力濾波器的補償特性．中國電機工程學(xué)報，2001，21(2):16－20．WANG Qun，YAO Wei-zheng，LIU Jin-jun，et al．Harmonic source and compensation characteristics of active power filters［J］．Proceedings of CSEE，2001，21(2):16 －20．

［7］ 王兆安，楊君，劉進軍，等．諧波抑制和無功功率補償［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．WANG Zhao-an，YANG Jun，LIU Jin-jun，et al．Harmonic suppression and reactive power compensation［M］．Beijing:China Mechine Press，2006．

［8］ 施偉峰，許曉彥．船舶電力系統(tǒng)建模與控制［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2010．SHI Wei-feng，XU Xiao-yan．Modeling and control of ship power system［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2010．

［9］ 薛士龍．船舶電力系統(tǒng)及其自動控制［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2012．XUE Shi-long．Ship power system and automatic control［M］．Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2012．

［10］戴珂，劉聰，李彥龍，等．并聯(lián)型APF對兩類非線性負(fù)載的諧波補償特性研究［J］．電工技術(shù)學(xué)報，2013，28(9):79 －85．DAI Ke，LIU Cong，LI Yan-long，et al．Study on harmonic compensation characteristics of shunt APS to two types of nonlinear loads［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28(9):79 －85．

［11］唐健，王翔，何英杰，等．三相四線制有源濾波器的新型無差拍控制［J］．電力系統(tǒng)自動化，2007，31(19):59－63．TANG Jian，WANG Xiang，HE Ying-jie，et al．A novel deadbeat control scheme for three-phase four-wire active power filters［J］．Automation of Electric Power Systems，2007，31(19):59 －63．

［12］郭自勇．有源電力濾波器檢測與控制技術(shù)的研究及應(yīng)用［D］．長沙:湖南大學(xué)，2007．GUO Zi-yong．Research and application of measurement and control technology of active power filter［D］．Changsha:Hunan University，2007．