船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波抑制仿真研究

姜一帆，侯良生，徐青

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200120)

0 引 言

近年來電力推進(jìn)系統(tǒng)在船舶行業(yè)迅速發(fā)展，大量的電力電子設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)代化船舶上，使電力系統(tǒng)更加節(jié)能和高效。然而，電力電子設(shè)備中大量非線性部件的使用也產(chǎn)生了大量諧波，降低了電能質(zhì)量，對船舶設(shè)備特別是精密的通訊和控制設(shè)備帶來不利影響。

大量非線性負(fù)載和變頻設(shè)備是電力推進(jìn)系統(tǒng)諧波的主要產(chǎn)生源。電力系統(tǒng)對諧波有一定的承受能力，但電網(wǎng)諧波含量超出系統(tǒng)承受能力后，會產(chǎn)生諧波壓降，加速電纜絕緣的老化，引起電機(jī)發(fā)熱，銅耗鐵耗增加，產(chǎn)生振動與噪聲，導(dǎo)致設(shè)備使用壽命縮短[1]。當(dāng)諧波含量持續(xù)過高時(shí)，會造成晶閘管故障，損害變流裝置，嚴(yán)重時(shí)將引起控制和保護(hù)裝置的誤動作，降低控制系統(tǒng)的可靠性。

以波形畸變率來衡量諧波的大小，電壓畸變率THDu和電流畸變率THDi分別定義為[2]：

式中：UH為諧波電壓含量，IH為諧波電流含量，U1、I1分別為基波電壓、電流有效值。

在目前的諧波抑制方法中，主動性諧波抑制是從諧波源本身出發(fā)消除或減少諧波的產(chǎn)生。多相整流技術(shù)是較有效的手段，通常情況下，變頻器整流裝置的脈波次數(shù)越多，變頻器自身產(chǎn)生的諧波越少，注入電網(wǎng)中的諧波也越少，進(jìn)而降低電網(wǎng)諧波含量[3,4]。被動型諧波抑制是在諧波產(chǎn)生之后，通過電力濾波裝置來消除諧波，無源電力濾波器(Passive Power Filter，PPF)和有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)是該方案中常用的設(shè)備[5]。無源電力濾波器因具備技術(shù)成熟、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在實(shí)船上，但該裝置只能抑制固定頻率的諧波，對電網(wǎng)參數(shù)敏感，諧波抑制性能有限[6]。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中所有階次的諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、實(shí)時(shí)補(bǔ)償，具有比無源電力濾波器更好的諧波抑制性能[7]。

相較于串聯(lián)型有源電力濾波裝置，并聯(lián)型有源電力濾波裝置(Shunt Active Power Filter，SAPF)投切方便、布置靈活、保護(hù)簡單，可應(yīng)用于多種容量的場合。SAPF 在檢測諧波電流、生成補(bǔ)償電流的過程中，電力變換主電路直流側(cè)電壓是否穩(wěn)定對裝置諧波抑制效果有很大的影響，因此需要對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制[8,9]。

針對上述問題，本文使用SAPF 對電網(wǎng)諧波進(jìn)行抑制，設(shè)計(jì)PI 控制器對直流側(cè)電壓進(jìn)行控制，保持并聯(lián)型有源電力濾波裝置電力變換主電路直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。在MATLAB/Simulink 平臺中構(gòu)建并聯(lián)型有源電力濾波裝置和等效電網(wǎng)模型，驗(yàn)證PI 控制器的有效性。

1 SAPF 裝置的組成及工作原理

1.1 SAPF 裝置的組成

并聯(lián)型濾波裝置的基本組成如圖1 所示，工作過程主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：諧波電流檢測環(huán)節(jié)、主電路PWM 信號產(chǎn)生環(huán)節(jié)和主電路直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波裝置基本結(jié)構(gòu)圖

指令電流運(yùn)算電路將檢測到電網(wǎng)中諧波電流的分量相位取反后輸出至電流跟蹤控制電路；電流跟蹤控制電路根據(jù)指令電流運(yùn)算電路的輸入值和電力變換主電路實(shí)際生成的補(bǔ)償電流值共同作用形成PWM 信號；驅(qū)動電路和主電路根據(jù)PWM信號使用脈寬調(diào)制技術(shù)，產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，消除電網(wǎng)諧波[6]。

1.2 基于ip-iq 的諧波電流檢測

常用的基于瞬時(shí)無功功率的諧波檢測方法是p-q 諧波檢測方法和ip-iq諧波檢測方法，兩者在電網(wǎng)電壓未發(fā)生畸變時(shí)對諧波的計(jì)算都是精確的。當(dāng)電壓發(fā)生畸變后，無論畸變后的電壓是否對稱，p-q 諧波檢測方法計(jì)算出的諧波電流都是有誤差的，而ip-iq諧波檢測方法不需要直接利用電壓信息，只需要電壓的正余弦信號，因此在電壓發(fā)生畸變后結(jié)果仍然準(zhǔn)確[10]。本文使用ip-iq諧波檢測方法檢測電網(wǎng)諧波。

ip-iq諧波檢測方法的結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。三相電流ia、ib、ic經(jīng)過坐標(biāo)變換為靜止α、β 兩項(xiàng)坐標(biāo)系下的電流iα、iβ。

圖2 ip-iq 諧波檢測方法結(jié)構(gòu)原理圖

使用a 相電壓經(jīng)過鎖相環(huán)和正余弦發(fā)生電路得到同相位的正弦波信號和余弦波信號，將兩項(xiàng)靜止電流iα、iβ經(jīng)過坐標(biāo)變化矩陣Cpq得到兩項(xiàng)靜止坐標(biāo)系下的有功電流和無功電流分量ip、iq。

將被檢測電流和基波電流相減即可得到需要的諧波分量iah、ibh、ich。

1.3 直流側(cè)電容電壓控制

SAPF 主電路直流側(cè)電容電壓的穩(wěn)定能夠保障濾波器的良好運(yùn)行效果，而直流側(cè)電容在工作過程中會產(chǎn)生一部分能量損耗，導(dǎo)致電壓降低，因此必須對直流側(cè)電容的電壓進(jìn)行穩(wěn)定控制，進(jìn)而確保裝置的正常運(yùn)行。

船舶電網(wǎng)是三相三線制系統(tǒng)，根據(jù)電網(wǎng)特性可知，當(dāng)SAPF 在補(bǔ)償諧波時(shí)，主電路直流側(cè)電容電壓會受到瞬時(shí)有功功率變化的影響，電壓的變化與交流側(cè)基波電流的有功分量有關(guān)[7]。

若三相電源沒有諧波，電源電壓及負(fù)載平衡，則SAPF 主電路直流側(cè)和交流側(cè)的瞬時(shí)功率平衡可以表示為[7]：

式中：ua、ub、uc為三相電壓；ica、icb、icc為三相補(bǔ)償電流；Rs、Ls分別為SAPF 主電路的電阻、電感系數(shù)；UDC為逆變器直流側(cè)電壓。

根據(jù)電力系統(tǒng)三相對稱的特性，式(9)可以變化為：

式中：Ua為三相電壓；Icap、Icaq分別為A 相有功、無功補(bǔ)償電流的有效值。則有：

則有：

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，有：

結(jié)合式(12)和(13)可得：

因此，SAPF 在頻域內(nèi)的傳遞函數(shù)可表示為：

根據(jù)式(15)可知，可使用比例積分控制邏輯對電容電壓的波動進(jìn)行調(diào)整。引入直流側(cè)穩(wěn)壓控制的ip-iq諧波檢測電路原理圖如圖3 所示。

圖3 引入直流側(cè)穩(wěn)壓控制的ip-iq 諧波檢測電路原理圖

主電路直流側(cè)電壓的設(shè)定值與反饋值的差值輸入PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，之后與有功電流的基波分量相加，使經(jīng)ip-iq諧波檢測電路得到的補(bǔ)償指令電流中包含了額定的基波電流成分，能夠補(bǔ)償因能量損耗而導(dǎo)致電容電壓降低的影響，進(jìn)而維持Ud的恒定。

引入直流側(cè)穩(wěn)壓控制的SAPF 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 SAPF 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.4 基于滯環(huán)電流控制法的電流跟蹤控制方式

如圖5 為采用滯環(huán)電流控制法的電流跟蹤控制模塊原理圖。

圖5 SAPF 裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

滯環(huán)比較器將給定的補(bǔ)償信號ic*與測得的諧波補(bǔ)償器輸出電流ic的誤差值作為輸入值產(chǎn)生PWM 信號，之后PWM 信號通過驅(qū)動電路來控制補(bǔ)償器的開關(guān)動作，產(chǎn)生合適的補(bǔ)償電流[11]。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)電網(wǎng)模型的建立與諧波分析

我院設(shè)計(jì)的某型電力推進(jìn)船電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖6 所示，為方便分析電網(wǎng)諧波，驗(yàn)證SAPF 裝置的諧波抑制效果，本文主要考慮兩個(gè)推進(jìn)變頻裝置和其他非線性負(fù)載所產(chǎn)生諧波，建立的電網(wǎng)模型如圖7 所示。

圖6 電力推進(jìn)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖7 電力系統(tǒng)諧波分析電網(wǎng)模型

由上述仿真程序得到電網(wǎng)三相電流的波形圖如圖8(a)所示。使用基于FFT（Fast Fourier Transformation，快速傅里葉變換）方法對電網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析，得到電網(wǎng)中的諧波含量如圖8(b)。

圖8 電網(wǎng)電流波形及FFT 分析結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，未對電網(wǎng)諧波進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，三相電流發(fā)生畸變，不再是理想的正弦信號。電流波形畸變率為8.3%，超過了船級社對電網(wǎng)諧波最高5%的要求，需對電網(wǎng)諧波進(jìn)行抑制。

3 基于SAPF 的諧波抑制方法仿真驗(yàn)證

根據(jù)SAPF 裝置各部分的數(shù)學(xué)模型，在Simulink 中搭建相應(yīng)的仿真模型，組合得到完整的SAPF 裝置仿真模塊，結(jié)合等效電網(wǎng)模型如圖9 所示。

圖9 SAPF 整體Simulink 仿真模型

運(yùn)行仿真程序，得到SAPF 裝置輸出的補(bǔ)償電流波形如圖10(a)所示，經(jīng)過補(bǔ)償電流作用后電網(wǎng)三相電流波形如圖10(b)所示，電網(wǎng)的電流波形明顯的畸變消失。

圖10 補(bǔ)償電流波形及電網(wǎng)三相電流波形圖

SAPF 裝置主電路直流側(cè)電容電壓的波動如圖11(a)所示，可以看出直流側(cè)穩(wěn)壓控制模塊具有較好的控制效果，穩(wěn)定運(yùn)行后直流側(cè)電容電壓基本恒定在設(shè)定值；對電網(wǎng)三相電流的A 相電流波形進(jìn)行FFT 分析，得到的分析結(jié)果如圖11(b)所示電流波形畸變率由8.3%降低至2.92%，證明SAPF 裝置具有良好的諧波抑制效果。

圖11 電容電壓及FFT 分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文對SAPF 裝置進(jìn)行研究，對SAPF 裝置各部分的工作原理進(jìn)行分析，并對主電路直流側(cè)電容電壓進(jìn)行穩(wěn)壓控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：SAPF 裝置具有良好的諧波抑制效果，所設(shè)計(jì)的應(yīng)用于直流側(cè)穩(wěn)壓控制的比例積分控制器具有良好的調(diào)節(jié)作用，能夠維持主電路直流側(cè)電容電壓的恒定，能夠保證SAPF 裝置的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。