基于PWM控制的有源濾波在浮吊船上的應(yīng)用

鄒麗麗，魏同曉

（海南世天郵輪集團(tuán)有限公司上海分公司，上海 200443）

0 引 言

隨著船舶日益大型化，船舶電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，功能越來越強(qiáng)大。為滿足多方面的功能需求，船舶通常會(huì)應(yīng)用大量電力電子裝置，在滿足大型船舶的復(fù)雜功能要求的同時(shí)，出現(xiàn)了嚴(yán)重的諧波問題。當(dāng)前，有源濾波器已在船上得到應(yīng)用，為解決船舶電力系統(tǒng)存在的諧波問題提供了新的方案。

1 規(guī)范對(duì)諧波的要求

本文以某浮吊船為例進(jìn)行分析。該船入級(jí)法國船級(jí)社（Bureau Veritas，BV），根據(jù)2018 版BV 規(guī)范NR467（《鋼質(zhì)船舶入級(jí)規(guī)范》）C篇第2 章第2 節(jié)2.4.2 條的規(guī)定，由靜態(tài)變流器供電的交流系統(tǒng)或以靜態(tài)變流器為主的系統(tǒng)需滿足：

1）單次諧波不超過標(biāo)準(zhǔn)電壓的5%，直到標(biāo)準(zhǔn)頻率的第15 次諧波，在第100 次諧波時(shí)減少到1%；

2）總的諧波畸變不超過8%。

2 諧波控制方式

對(duì)于減少諧波影響的技術(shù)措施，可從2 個(gè)方面考慮：一是從諧波源出發(fā)，在源頭上減少諧波的產(chǎn)生；二是安裝濾波裝置。

2.1 減少整流裝置諧波的輸出［4-5］

一般采用增加整流相數(shù)的方法，如采用十二相及十二相以上的多相整流電路，根據(jù)規(guī)范的要求，通過適當(dāng)控制，大大減少輸出電流中的諧波。若采用該方法不能滿足要求，則必須考慮采取另外加濾波的措施解決。表1 為不同整流裝置的諧波比較。

表1 不同整流裝置的諧波比較

2.2 基于PWM控制的有源濾波器［6-8］

本文采用的濾波器為并聯(lián)型有源濾波器，采用的控制方法為脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）。并聯(lián)型有源濾波器與系統(tǒng)并聯(lián)等效為一個(gè)受控電流源，見圖1。有源濾波器向系統(tǒng)注入與諧波電流大小相等、方向相反的電流，達(dá)到濾波的目的。

圖1 有源濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

PWM逆變器的工作原理是在逆變器輸出的周期內(nèi)將直流輸入斬成幅值相等、寬度可變的脈沖序列加在負(fù)載兩端。通過對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，對(duì)逆變開關(guān)進(jìn)行控制，改變每個(gè)工作周期內(nèi)開關(guān)導(dǎo)通占空比，達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的，從而有效控制逆變器輸出的基波分量和諧波分量，實(shí)現(xiàn)諧波治理。用可變脈寬的多脈沖調(diào)制，改變逆變開關(guān)開通和關(guān)斷時(shí)刻，以此消除某些次諧波，當(dāng)前較多采用正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM），即通過對(duì)一系列不等寬的脈沖進(jìn)行調(diào)制等效正弦波形，其主電路見圖2。

圖2 三相橋式PWM型逆變電路

三相調(diào)制信號(hào)U、U和U為相位依次相差120°的正弦電壓波，三相載波信號(hào)共用1 個(gè)正負(fù)方向變化的三角形波U。以相為例：在U＞U的各區(qū)間，給上橋臂V1 導(dǎo)通信號(hào)，給下橋臂V4 關(guān)斷信號(hào)，于是相對(duì)直流電源假象中性點(diǎn)N′的輸出電壓為U=U/2；當(dāng)U＜U時(shí)，給V4 導(dǎo)通信號(hào)，給V1 關(guān)斷信號(hào)，U= -U/2。V1 與V4 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。相和相的控制方式與相相同。三相橋式PWM型逆變電路都采用雙極性控制方式，這里以相為例，雙極性PWM控制方式波形見圖3。

圖3 雙極性PWM控制方式波形

3 基于PWM控制的有源濾波器在浮吊船上的應(yīng)用

3.1 船舶基本參數(shù)

本文所述目標(biāo)船為全回轉(zhuǎn)浮吊船，總長75 m，型寬25 m，型深5.5 m，設(shè)計(jì)吃水3.3 m，甲板載荷10 t/m，服務(wù)航速6.0 kn，入級(jí)BV。

3.2 浮吊供電單線圖

浮吊供電單線圖見圖4。該船的浮吊采用直流傳動(dòng)，沒有采用移相變壓器，諧波較高，需另外加濾波器。

圖4 浮吊供電單線圖

3.3 船舶有源濾波器配置

該浮吊船為新造船，通過綜合分析確定總線治理方式，系統(tǒng)的諧波源主要是2 種型號(hào)的6 臺(tái)直流電機(jī)，即2 臺(tái)452 kW的直流電機(jī)和4 臺(tái)90 kW的直流電機(jī)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該系統(tǒng)的諧波含量在40%左右。

由吊車手臂的動(dòng)作規(guī)律可確定負(fù)載不同時(shí)工作。因此，根據(jù)浮吊的實(shí)際運(yùn)行情況，通常都是1 臺(tái)452 kW的直流電機(jī)與4 臺(tái)90 kW的直流電機(jī)同時(shí)工作；通過綜合考慮，既能最大程度地減少濾波器的容量，又能滿足諧波限值要求。經(jīng)分析，給出以下方案：

1）2 臺(tái)452 kW的直流電機(jī)單一動(dòng)作，以1 臺(tái)直流電機(jī)容量治理，電壓等級(jí)為690 V，取功率因數(shù)為0.9，可得

式（1）和式（2）中：為電機(jī)額定功率；為電機(jī)額定電壓；φ為功率因數(shù)角；為總的諧波電流；為總的電流有效值；為電流諧波總畸變率。

2）4 臺(tái)90 kW的直流電機(jī)同時(shí)動(dòng)作，需共同治理，電壓等級(jí)為440 V。若要在690 V側(cè)集中治理，則電壓等級(jí)為690 V，取功率因數(shù)為0.9，可得

根據(jù)以上分析配置諧波治理方案，在690 V電壓總線上進(jìn)行集中治理，可節(jié)省空間、降低施工難度、提高工作效率、方便統(tǒng)一檢測(cè)和降低維護(hù)工作難度等。綜上分析，有源濾波器參考配置容量見表2，有源濾波器主要技術(shù)參數(shù)見表3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)諧波值，有源濾波器接入前后的諧波含有率對(duì)比見表4。對(duì)比規(guī)范的要求，治理后總的諧波含有率低于8%，滿足規(guī)范的要求。

表2 有源濾波器參考配置容量

表3 有源濾波器主要技術(shù)參數(shù)

表4 有源濾波器接入前后的諧波含有率對(duì)比

4 結(jié) 語

通過將基于PWM控制的有源濾波器在浮吊船上應(yīng)用的實(shí)測(cè)結(jié)果與不接入濾波器的實(shí)際值相對(duì)比可知，有源濾波器對(duì)諧波的控制效果良好，能實(shí)時(shí)有效地抑制諧波，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是解決船舶電力系統(tǒng)諧波問題的有效手段之一，可為其他船型的諧波控制提供參考。