一種基于TTA算法的船用有源濾波器

金 磊/上海江南長(zhǎng)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(zhǎng)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(jī)等必然會(huì)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(xì)介紹了TTA算法應(yīng)用于船用有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程。使用PSIM仿真驗(yàn)證了TTA算法應(yīng)用于船用有源濾波器有較好的諧波與無(wú)功補(bǔ)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(lì)磁回路具有非線性電感，會(huì)導(dǎo)致勵(lì)磁電流發(fā)生波形畸變，變壓器空載合閘產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流也會(huì)產(chǎn)生正負(fù)半波不對(duì)稱的畸變電流。隨著基于電力電子器件實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速的發(fā)展，船舶上的電機(jī)調(diào)速等更多依賴于變頻器，變頻器的增加必然會(huì)產(chǎn)生更多的諧波電流。諧波電流的存在，會(huì)導(dǎo)致船舶發(fā)電機(jī)的效率降低，使船舶電氣設(shè)備易出現(xiàn)過(guò)熱，振動(dòng)和噪音，還會(huì)導(dǎo)致繼保裝置與自動(dòng)控制裝置的可靠性降低，會(huì)對(duì)通信設(shè)備與電子設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。

傳統(tǒng)抑制諧波電流方法大多采用LC無(wú)源濾波裝置，但是其主要缺點(diǎn)為損耗大，成本高，只能補(bǔ)償固定頻率諧波。有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)為：避免發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，能夠精確的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，成本較低。有源濾波器的基本原理為首先檢測(cè)出負(fù)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(bǔ)償電流，最終進(jìn)入電網(wǎng)的電流僅僅含有基波分量。本論文最后通過(guò)PSIM仿真驗(yàn)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?fù)?。IAl，IBl，ICl為非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流，包含基波有功電流，基波無(wú)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(wú)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?fù)?/p>

二、 TTA算法分析

首先對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行分析,將負(fù)載電流分解為正序電流分量，負(fù)序電流分量，零序電流分量：

式中下標(biāo)0對(duì)應(yīng)零序分量，1對(duì)應(yīng)正序分量，2對(duì)應(yīng)負(fù)序分量，n對(duì)應(yīng)諧波次數(shù)，m=0時(shí)代表A相，m=1時(shí)代表B相，m=2時(shí)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(xiàng)總和，下標(biāo)11對(duì)應(yīng)基波正序分量，下標(biāo)21對(duì)應(yīng)基波負(fù)序分量，下標(biāo)01對(duì)應(yīng)基波零序分量。

將上式經(jīng)過(guò)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(guò)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(bǔ)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(bǔ)償?shù)闹C波無(wú)功電流與基波無(wú)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?yàn)樾枰ＷC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(fù)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(bǔ)償，加入前饋補(bǔ)償能夠有效的提高系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)論

基于以上理論分析，在PSIM平臺(tái)上對(duì)船用有源電力濾波器進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。如下圖3所示，分別為三相負(fù)載電流波形。如下圖4所示，分別是補(bǔ)償后的三相電網(wǎng)電流波形。

圖3 負(fù)載電流波形

圖4 補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)電流波形

表1 補(bǔ)償前后THD對(duì)比

四、結(jié)論

介紹了船用有源濾波的原理及TTA算法。基于TTA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(yàn)證了該拓?fù)渑c控制算法的有效性與穩(wěn)定性。

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