采用多模式控制的電磁發(fā)射蓄電池充電諧波抑制方法*

周 仁，魯軍勇，龍?chǎng)瘟?，魏靜波，柳應(yīng)全，吳羿廷

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033)

艦載電磁發(fā)射混合儲(chǔ)能系統(tǒng)由蓄電池和脈沖電容器組成，在發(fā)射過(guò)程中持續(xù)輸出兆焦級(jí)的能量，實(shí)現(xiàn)了高能量密度和高功率密度的緊密結(jié)合[1]。在兩次發(fā)射的間隙，整個(gè)蓄電池組同時(shí)從電網(wǎng)進(jìn)行快速充電以補(bǔ)充下一次發(fā)射的能量，大量整流設(shè)備同時(shí)接入電網(wǎng)會(huì)帶來(lái)諧波畸變問(wèn)題。艦載電磁發(fā)射電網(wǎng)為艦船的通信、指揮、照明等設(shè)備供電時(shí)，必須保證各個(gè)設(shè)備用電符合標(biāo)準(zhǔn)，以確保電網(wǎng)供電的安全可靠。

諧波會(huì)對(duì)電氣設(shè)備帶來(lái)諸多危害，如使電機(jī)發(fā)熱、引發(fā)串并聯(lián)諧振、增加變壓器損耗、影響精密儀器測(cè)量、干擾通信等[2]。劉剛等[3]采用坐標(biāo)變換的方法抑制了永磁同步電機(jī)運(yùn)行時(shí)的諧波，通過(guò)積分控制抑制了諧波電流。姚駿等[4]提出的交叉耦合控制策略，能有效抑制并網(wǎng)時(shí)的低次諧波電流。Jain等[5]采用模糊控制方法有效抑制了諧波，并與積分控制進(jìn)行了比較，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模糊控制方法具有更好的暫態(tài)響應(yīng)性能。諧波抑制控制方法包括積分控制、無(wú)差拍控制、重復(fù)控制、滯環(huán)控制、滑?？刂?、空間矢量控制、單周控制、三角載波控制等[6-8]。但對(duì)于電磁發(fā)射系統(tǒng)充電時(shí)大量非線(xiàn)性負(fù)載同時(shí)啟停、放電時(shí)用電需求極少且系統(tǒng)要求高壓隔離的問(wèn)題，單一的控制方法無(wú)法針對(duì)各種狀態(tài)實(shí)現(xiàn)良好的諧波抑制。

本文根據(jù)電磁發(fā)射蓄電池組充電模式和產(chǎn)生諧波的特點(diǎn)，采用瞬時(shí)無(wú)功功率的諧波檢測(cè)方法，將指令控制、模糊控制和滯環(huán)控制方法結(jié)合后應(yīng)用到有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)的控制當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了諧波的有效抑制。

1 電磁發(fā)射蓄電池充電拓?fù)?/h2>

電磁發(fā)射混合儲(chǔ)能系統(tǒng)是整個(gè)電磁發(fā)射系統(tǒng)的能量源泉，包括多個(gè)蓄電池組，每個(gè)電池組分別由獨(dú)立的充電機(jī)進(jìn)行充電，整個(gè)充電機(jī)組同時(shí)由艦載電網(wǎng)進(jìn)行供電。電磁發(fā)射混合儲(chǔ)能系統(tǒng)放電時(shí)電壓等級(jí)達(dá)到了10 kV，為直流高壓系統(tǒng)，將電池分組后分別由交流380 V電網(wǎng)進(jìn)行充電，在降低對(duì)電網(wǎng)的電壓等級(jí)需求的同時(shí)提高了充電的安全性、均衡性。每個(gè)電池組單獨(dú)向?qū)?yīng)的脈沖電容放電，然后脈沖電容向負(fù)載放電，實(shí)現(xiàn)了功率等級(jí)的逐級(jí)放大。電磁發(fā)射混合儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 電磁發(fā)射混合儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of hybrid energy storage system for electromagnetic launch

由圖1可知，蓄電池組充電時(shí)為低壓系統(tǒng)，放電時(shí)為高壓系統(tǒng)，充電結(jié)束后斷開(kāi)高壓隔離繼電器以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高低壓隔離。充電時(shí)電磁發(fā)射系統(tǒng)處于靜默狀態(tài)，電網(wǎng)只存在固定的充電機(jī)負(fù)載。對(duì)于諧波抑制，這種充放電工況切換降低了全周期的實(shí)時(shí)跟蹤響應(yīng)能力，但提高了應(yīng)對(duì)諧波周期性劇烈變化的要求。充電機(jī)的內(nèi)部拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 電磁發(fā)射蓄電池組充電機(jī)拓?fù)銯ig.2 Topology of battery charger for electromagnetic launch

充電機(jī)實(shí)現(xiàn)了整流—逆變—隔離—整流—直流輸出的功能。盡管這種拓?fù)浞绞綄?duì)于單個(gè)蓄電池組充電而言可靠性高、隔離性好，但電磁發(fā)射系統(tǒng)要求整個(gè)蓄電池組快速大倍率充電，總功率4 MW的不控整流器件同時(shí)接入電網(wǎng)時(shí)，不可避免地會(huì)帶來(lái)諧波問(wèn)題。

2 充電諧波分析

電磁發(fā)射蓄電池組充電機(jī)為三相非線(xiàn)性平衡負(fù)載，三相之間諧波幅值相同，可選取任意線(xiàn)電壓進(jìn)行測(cè)量研究。通過(guò)諧波分析儀和示波器測(cè)量各種充電工況下的電網(wǎng)波形，在仿真軟件中通過(guò)傅立葉諧波分析提取諧波特征參數(shù)。不同充電電流半個(gè)周期的線(xiàn)電壓如圖3所示。

圖3 蓄電池組充電電網(wǎng)電壓畸變Fig.3 Distortion of power grid voltage during battery charging

由圖3可知，隨著并聯(lián)充電的充電機(jī)臺(tái)數(shù)的增加，輸出電流增大，電壓波形畸變?cè)絿?yán)重，毛刺越多，與不充電時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的電網(wǎng)波形的主要區(qū)別在于正弦波頂部被削除，在波形過(guò)零點(diǎn)處出現(xiàn)大幅度不連續(xù)拐點(diǎn)。將充電機(jī)組70 A同時(shí)并充時(shí)的波形與無(wú)負(fù)載波形作差得到諧波電壓，諧波電壓呈周期性規(guī)律變化，不考慮毛刺尖峰則最大幅值不到100 V，如圖4所示。

圖4 蓄電池組充電諧波電壓Fig.4 Harmonic voltage of battery charging

記錄諧波電壓的同時(shí)測(cè)量電網(wǎng)諧波電流，16臺(tái)充電機(jī)同時(shí)以10 A、30 A、60 A和70 A充電時(shí)，半個(gè)周期的諧波電流如圖5所示。

圖5 蓄電池組充電諧波電流Fig.5 Harmonic current of battery charging

與電壓畸變?cè)龃蟮内厔?shì)不同，隨著充電電流幅值的增大，波形中間的凹陷逐步變小，更趨近于正弦波，波形畸變率逐漸減小。對(duì)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行傅立葉分析時(shí)，由于25次以上更高次諧波的總幅值較小，且國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)諧波次數(shù)的限制只達(dá)到了25次，因此主要分析25次以下的諧波。單臺(tái)充電機(jī)不同電流充電時(shí)諧波電流及諧波電壓25次以?xún)?nèi)諧波分布如圖6～7所示。圖中以諧波電壓畸變率(Total Harmonic Voltage Distortion, THDV)和諧波電流畸變率(Total Harmonic Current Distortion, THDI)來(lái)表征諧波的變化。

圖6 單臺(tái)充電機(jī)充電時(shí)電網(wǎng)諧波電壓分布Fig.6 Distribution of harmonic voltage when a single charger charging

圖7 單臺(tái)充電機(jī)充電時(shí)電網(wǎng)諧波電流分布Fig.7 Distribution of harmonic current when a single charger charging

在圖6和圖7中，不同曲線(xiàn)代表不同充電電流時(shí)的諧波分布，圖中橫坐標(biāo)數(shù)值代表有對(duì)應(yīng)峰值的諧波次數(shù)。由圖可以發(fā)現(xiàn)，不同充電電流時(shí)諧波電壓和諧波電流變化趨勢(shì)相似，主要集中在3、5、7、11、13、17、19次諧波，其中3、5、7次諧波占了總諧波的絕大比重。

圖8 諧波電壓隨并充臺(tái)數(shù)變化趨勢(shì)Fig.8 Harmonic voltage changes with the number of chargers in parallel

3、5、9、12、15、16臺(tái)充電機(jī)10 A充電時(shí)諧波電壓變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖8可知，隨著并充臺(tái)數(shù)的增加，THDV逐漸增大，其中5、7、11、13、17次諧波有較為明顯的增加趨勢(shì)。當(dāng)并充臺(tái)數(shù)較少時(shí)，7次諧波所占比例比5次諧波大；隨著并充臺(tái)數(shù)的增加，5次諧波增長(zhǎng)速度最快，成為主要的諧波成分。

充電機(jī)組30 A、60 A、70 A充電電流同時(shí)并充時(shí)諧波電流變化趨勢(shì)如圖9所示。由圖9可知，諧波電流的變化規(guī)律與諧波電壓變化規(guī)律不同，隨著充電電流的增加， THDI反而降低，其中3、5、7、11、13次諧波為主要諧波成分。

圖9 諧波電流隨充電電流變化趨勢(shì)Fig.9 Harmonic current changes with the number of chargers in parallel

隨著充電電流的增加，各次諧波的THDv相應(yīng)增大，呈正比例關(guān)系，THDI則隨輸出電流增大而減小，說(shuō)明充電機(jī)全功率運(yùn)行時(shí)THDI最小而THDV最大。盡管掌握了充電機(jī)組的諧波分布規(guī)律能夠指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用，如恒流充電階段盡量使充電機(jī)運(yùn)行在額定功率狀態(tài)，但電磁發(fā)射系統(tǒng)為了達(dá)到大倍率快速、均衡充電的要求，不可避免地需要充電機(jī)組能夠靈活切換各種工況，同時(shí)諧波畸變率超過(guò)了5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，必須采取措施抑制諧波。

3 模糊滯環(huán)諧波抑制方法

根據(jù)電磁發(fā)射充放電的應(yīng)用工況和諧波的特點(diǎn)，提出基于瞬時(shí)無(wú)功功率檢測(cè)下多模式模糊滯環(huán)控制的有源電力濾波器諧波抑制方法。

多模式控制的思想早在20世紀(jì)70年代已經(jīng)被提出，對(duì)于一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)，在一定條件下，多模式控制具有更強(qiáng)的魯棒性[9-10]。多模式模糊滯環(huán)控制方法由指令控制方法、滯環(huán)控制方法和模糊控制方法結(jié)合而成。

指令控制：電磁發(fā)射系統(tǒng)蓄電池分為充電儲(chǔ)能、放電發(fā)射和維護(hù)靜置三種工況，只有蓄電池充電時(shí)需要進(jìn)行諧波抑制，蓄電池放電、維護(hù)時(shí)電網(wǎng)中最大的諧波源充電機(jī)已關(guān)閉，通過(guò)指令控制使APF進(jìn)入休眠模式，并使有源濾波器與電網(wǎng)、電磁發(fā)射系統(tǒng)高壓部分脫開(kāi)。

滯環(huán)控制：APF的輸出電流在兩倍滯環(huán)寬度之間跟蹤諧波電流。充電機(jī)組同時(shí)啟動(dòng)后進(jìn)入恒流充電模式，此時(shí)整個(gè)電磁發(fā)射放電系統(tǒng)處于靜默狀態(tài)，電網(wǎng)只有充電機(jī)組作為單一負(fù)載，此時(shí)電網(wǎng)電流、電壓畸變處于恒定狀態(tài)。選定好滯環(huán)寬度后，開(kāi)關(guān)頻率被控制在一定范圍內(nèi)，避免了滯環(huán)控制時(shí)開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)不可控的缺陷。

模糊控制：模糊控制方法是針對(duì)大功率充電機(jī)組同時(shí)啟停機(jī)、恒壓模式、異常故障時(shí)電流波動(dòng)較大的情況。通過(guò)參考電流與實(shí)際電流的偏差以及偏差的變化率制定模糊調(diào)節(jié)規(guī)則，使諧波波動(dòng)時(shí)滯環(huán)寬度能夠跟隨波動(dòng)在一定范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，從而防止滯環(huán)控制過(guò)程中的開(kāi)關(guān)頻率大范圍波動(dòng)問(wèn)題。

多模式控制內(nèi)部模式切換以滯環(huán)寬度作為判定依據(jù)，這三種方法的具體組合結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 多模式模糊滯環(huán)控制方法Fig.10 Multi-mode fuzzy hysteresis control method

搭建多模式模糊滯環(huán)控制APF諧波抑制模型，通過(guò)對(duì)比APF運(yùn)行前后諧波情況以驗(yàn)證模型的有效性。在充電機(jī)的仿真模型基礎(chǔ)上增加APF，并在匹配主回路的參數(shù)基礎(chǔ)上采用多模式控制進(jìn)行諧波抑制，如圖11所示。

圖11 APF諧波抑制仿真模型Fig.11 Simulation model of APF harmonic suppression

模型包括滯環(huán)寬度控制部分、滯環(huán)控制部分和脈寬信號(hào)生成部分，滯環(huán)寬度控制部分有三個(gè)輸入，分別是充電狀態(tài)指令、電流偏差和電流偏差變化率。模糊控制規(guī)則如表1所示，其中模糊語(yǔ)言規(guī)則為{負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)}。

表1 滯環(huán)寬度模糊控制規(guī)則表

將模糊規(guī)則表轉(zhuǎn)化為三維圖，則滯環(huán)寬度的部分模糊規(guī)則如圖12所示。

圖12 解耦后滯環(huán)寬度模糊規(guī)則Fig.12 Fuzzy control rule of hysteresis width after decoupling

圖12中，w表示無(wú)量綱滯環(huán)寬度，i表示無(wú)量綱偏差電流，ie表示無(wú)量綱偏差電流變化率，三種輸入信號(hào)通過(guò)幅值比例變換后共同影響滯環(huán)寬度。采用多模式模糊滯環(huán)控制后電網(wǎng)側(cè)電流、電壓仿真結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 APF諧波電流抑制仿真Fig.13 Simulation of APF harmonic current suppression

圖14 APF諧波電壓抑制仿真Fig.14 Simulation of APF harmonic voltage suppression

仿真結(jié)果表明多模式控制方法能夠迅速有效地抑制充電機(jī)帶來(lái)的諧波，電流、電壓諧波畸變率均低于1%，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 諧波抑制實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步直觀地驗(yàn)證諧波電壓、電流抑制前后的變化規(guī)律，采用諧波分析儀監(jiān)測(cè)電網(wǎng)諧波變化，并根據(jù)諧波抑制策略在電網(wǎng)與負(fù)載間并聯(lián)APF進(jìn)行諧波抑制，通過(guò)對(duì)比并聯(lián)APF前后電網(wǎng)波形的變化判斷諧波抑制的效果，對(duì)比波形如圖15所示。

圖15 APF諧波抑制前后對(duì)比波形Fig.15 Comparison before and after APF harmonic suppression

由圖15可知，波形由畸變嚴(yán)重的雙波頭變成了正弦波，總諧波畸變電流由46.7%降為4.09%，有效地抑制了充電諧波，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)5%的要求。

5 結(jié)論

對(duì)于電磁發(fā)射蓄電池充電諧波問(wèn)題，本文提出多模式模糊滯環(huán)控制方法。在不影響系統(tǒng)電網(wǎng)輸出時(shí)，提高了諧波抑制在電磁發(fā)射系統(tǒng)不同模式下的響應(yīng)效率和穩(wěn)定性，避免了滯環(huán)控制固有的開(kāi)關(guān)頻率波動(dòng)大和傳統(tǒng)有源濾波復(fù)雜高精度的實(shí)時(shí)檢測(cè)調(diào)節(jié)，減小了有源濾波器在跟蹤調(diào)節(jié)過(guò)程中發(fā)生諧振事故的風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合電磁發(fā)射蓄電池充電的特點(diǎn)，多模式控制諧波抑制方法能夠取得較好的諧波抑制效果，具有一定的指導(dǎo)意義。