船舶電力系統(tǒng)諧波抑制

蘇鄭奧希

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船舶電力系統(tǒng)諧波抑制

蘇鄭奧希

(上海海事大學，上海201306)

通過有源電力濾波器來抑制柴油電力船系統(tǒng)的系統(tǒng)范圍諧波，使有源電力濾波器連接到第二條總線上，通過電流功率檢測諧波的方法來獲得電路上的諧波，傳給有源電力濾波器，使用滯環(huán)控制的方法來獲取濾波器電流，同時還包含了LCL濾波器的配置，以此來降低兩條總線上的諧波，結(jié)果表明，這種方法確實可以降低柴油電力船系統(tǒng)的諧波。

有源電力濾波器 滯環(huán)控制 諧波電流檢測 諧波抑制

0 引言

諧波為任意正弦電壓或電流波形上的偏移，通常由帶有線性負載的理想電壓源產(chǎn)生，在柴油電力船的電力系統(tǒng)中，諧波通常來自于控制推進電機的變頻驅(qū)動器（VFDs）的二極管整流階段。根據(jù)所使用的不同的變頻器，其功率等級，整流器脈沖數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計也會不同，每一個條件都會產(chǎn)生不盡相同的諧波失真水平。

在電力系統(tǒng)中，諧波失真可以通過使用無源濾波器（即電感和電容濾波器）的方法來減緩，來降低諧波電流對系統(tǒng)其余部分的影響。但是，無緣濾波器必須通過更復雜的設(shè)計來避免共振所引起的其余諧波分量的增大，特別是當參數(shù)發(fā)生變化或是系統(tǒng)配置頻繁改變時。并且，由一個二極管整流器產(chǎn)生的高次諧波電流分量的振幅取決于其負載所需的有功功率。因此，一組并聯(lián)的無源濾波器不能有效的適應(yīng)電力船上推進負載的大范圍變化。無源濾波的另一種方法是使用串聯(lián)連接的寬光譜過濾器。但是，這類濾波器必須安裝在每個推進負載中，而且不能減少系統(tǒng)中較小負載所產(chǎn)生的諧波。

有源整流器（ARs）可以替代二極管整流器來濾除VFD負載系統(tǒng)中的高次諧波失真。但是這種解決方法需要高額的話費并且比無源整流器的損耗更高。為了解決所有VFD負載中的諧波問題，使用有源電力濾波器（APFs）則不需要面對使用無緣濾波器或二極管濾波器時出現(xiàn)的高脈沖數(shù)和負載的多繞組變壓器等問題。有源濾波的通常做法是使用有源電力濾波器來做補償，具體方法是平衡參考電流和非線性負載上的諧波和無功電流分量。但是，當如船舶系統(tǒng)這類有多個非線性負載分布在多個總線上的系統(tǒng)，一般濾波方法不能夠最小化系統(tǒng)中的總諧波失真。在這樣的系統(tǒng)配置中，諧波有數(shù)個分散的來源，利用APFs來進行全系統(tǒng)范圍的諧波抑制是一個值得一試的選擇，并且這個方法還未被系統(tǒng)的應(yīng)用過。

1 船舶電網(wǎng)

在九十年代中期，柴油發(fā)電和海洋船舶推進技術(shù)被離岸產(chǎn)業(yè)和他們的合作伙伴商業(yè)化并全面采用。對于海上作業(yè)船舶，其需要的功率，即船舶功率曲線，來自于船舶的動力定位（DP）的傳輸和位置保持或者是拋錨停泊。柴油電力船在遇到突發(fā)狀況的時候，相比于通過機械齒輪和長軸連接原動機的機械驅(qū)動船，柴油動力船的發(fā)電系統(tǒng)更加靈活。所以，柴油電力船在耗油量方面是有利于綠色環(huán)境的保護的，其燃料消耗和廢氣排放也是符合功率要求的。柴油電力船還引入了先進的冗余電源電網(wǎng)的設(shè)計，例如環(huán)形總線設(shè)計，其能滿足各類船級社的要求設(shè)置，比如ABS，英國勞氏船級社，挪威船級社，德國船級社等。這更易于安裝低功率的發(fā)電機，相比于用冗余機械驅(qū)動的船舶減少了發(fā)電步驟。

所討論的電網(wǎng)是基于海洋平臺供應(yīng)船（PSV）電力系統(tǒng)簡化等效而成，包含有兩條總線和兩個推進負載，由封閉式母線斷路器來控制。這些負載通常負責功耗的主要部分和主諧波抑制，使得簡化合乎情理。在一般操作情況下，船舶由兩個發(fā)電機運作，分別與對應(yīng)總線相連，總線1和總線2，假定系統(tǒng)電壓失真的最壞情況。推進電動機分別通過一個一個變頻器連接到每條總線上。變頻器通過一個六脈沖或十二脈沖的二極管整流器來連接總線，并帶有一個電壓源逆變器來控制電動機驅(qū)動螺旋槳。變壓器為十二脈沖整流器提供電隔離和相位位移。兩條總線之間包含有串聯(lián)阻抗，有源濾波器與第二條總線相連。

2 利用滯環(huán)比較器的瞬時值跟蹤指令電流

這個方法原理較為簡單，第一步把指令信號電流與實際補償電流的差值當作滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器和滯環(huán)帶寬來進行比較，進而產(chǎn)生控制信號，控制信號通過驅(qū)動電路控制主電路上的變流器里的各個開關(guān)元件的通斷，控制的值。它的核心思想為：設(shè)定一個輸出上限與輸出下線，如果輸出值大于設(shè)定的輸出上限，就控制電流里的變流器開關(guān)使輸出電流減小，反過來，如果數(shù)值小于設(shè)定輸出下限時，就控制變流器開關(guān)使輸出電流增大，這就可以保持輸出值在輸出上限和輸出下限之間的一個小范圍內(nèi)穩(wěn)定，滯環(huán)帶寬指的就是這個輸出上限與輸出下限之和。

滯環(huán)比較的補償電流能否很好的跟蹤指令運算電流取決于滯環(huán)比較器的寬度，如果的值取得很大，那么器件開關(guān)通斷的頻率就比較低，雖然這樣不會對電力電子開關(guān)器件要求很高，但是跟隨誤差也會隨之增大，致使補償電流中包含較多的諧波電流，如果值設(shè)的太小的話，會導致開關(guān)頻率變得很高，對器件的要求也隨之升高，雖然系統(tǒng)的跟隨誤差變小了，但是器件更易損耗，為了使電流跟隨誤差范圍穩(wěn)定，來獲得優(yōu)秀的電流跟蹤性能，一般使用固定的滯環(huán)寬度，這樣設(shè)定優(yōu)劣并存，有點是跟隨誤差減小，缺點是固定環(huán)寬必會致使主電路里變流器的開關(guān)頻率變化大，尤其實在值比較大的時候，環(huán)寬固定有可能會導致開關(guān)頻率變得很高，甚至會導致器件頻率超過最高開關(guān)頻率，進而使器件損毀。

使用滯環(huán)比較器的瞬時值比較法有下列優(yōu)勢：輸出電壓中不包含一定頻率的諧波，比較時不需要載波，有著較快的電流響應(yīng)速度，是一種有效的實時控制辦法，和跟蹤型控制方法一樣是一種閉環(huán)控制的辦法，電路也易于實現(xiàn)。

3 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法

由克拉克變換可得

4 電網(wǎng)仿真

圖3為在matlab中的simulink里所做的柴油船系統(tǒng)的仿真模型，兩邊負載相等都是六脈沖整流器的情況下，連接到電網(wǎng)上?？偩€1只考慮到連接總線2上的部分負載，總線1上的諧波電流會不受抑制的流過電網(wǎng)，從一條總線到兩一條，造成比總線2上更高的總諧波含量。總線2在這種情況下比總線1更好，這得益于其對兩條總線上選定諧波的抑制。從圖中可以看出，總線1上的波形有較為明顯的失真，這是可預料的，是由于總線1上的諧波負載電流沒有進行補償，相比較起來，總線2上波形較為平滑。

而從FFT圖形上可以看出，總線2與總線1相比，在5,10,15,20次諧波上，總線2的諧波分量比總線1有著更小的幅值，總線1的諧波畸變總數(shù)較高，同時可以看到THD（總諧波含量）總線2是要低于總線1的。

5 結(jié)束語

隨著科技的快速發(fā)展，各種非線性器件被廣泛的使用，產(chǎn)生的諧波污染日漸嚴重，而各種精密儀器等其他領(lǐng)域?qū)﹄娔苜|(zhì)量的要求越來越高，有源電力濾波器作為一種能實時動態(tài)去除諧波，凈化電網(wǎng)質(zhì)量的有效工具，成為了研究的熱點。本文從海上船舶雙電動機電網(wǎng)系統(tǒng)出法，利用有源電力濾波器滯環(huán)控制的方法，有效降低了電動機經(jīng)由非線性負載時產(chǎn)生的諧波，本文只是做了初步的研究，還可以通過更精確的諧波檢測算法，或是使用模型預測控制等方法來控制有源電力濾波器來加強諧波的濾除。

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Harmonic Suppression in Ship Power System

Suzheng Aoxi

(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

TM711

A

1003-4862（2017）09-0005-04

2017-05-15

蘇鄭奧希(1993-)，男，碩士。研究方向：電力系統(tǒng)中的諧波抑制。