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(xué)，上海201306)

通過(guò)有源電力濾波器來(lái)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(xiàn)上，通過(guò)電流功率檢測(cè)諧波的方法來(lái)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(lái)獲取濾波器電流，同時(shí)還包含了LCL濾波器的配置，以此來(lái)降低兩條總線(xiàn)上的諧波，結(jié)果表明，這種方法確實(shí)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(cè) 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(xiàn)性負(fù)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(lái)自于控制推進(jìn)電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)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(jí)，整流器脈沖數(shù)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)也會(huì)不同，每一個(gè)條件都會(huì)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(guò)使用無(wú)源濾波器（即電感和電容濾波器）的方法來(lái)減緩，來(lái)降低諧波電流對(duì)系統(tǒng)其余部分的影響。但是，無(wú)緣濾波器必須通過(guò)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)來(lái)避免共振所引起的其余諧波分量的增大，特別是當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化或是系統(tǒng)配置頻繁改變時(shí)。并且，由一個(gè)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(fù)載所需的有功功率。因此，一組并聯(lián)的無(wú)源濾波器不能有效的適應(yīng)電力船上推進(jìn)負(fù)載的大范圍變化。無(wú)源濾波的另一種方法是使用串聯(lián)連接的寬光譜過(guò)濾器。但是，這類(lèi)濾波器必須安裝在每個(gè)推進(jìn)負(fù)載中，而且不能減少系統(tǒng)中較小負(fù)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(lái)濾除VFD負(fù)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(huà)費(fèi)并且比無(wú)源整流器的損耗更高。為了解決所有VFD負(fù)載中的諧波問(wèn)題，使用有源電力濾波器（APFs）則不需要面對(duì)使用無(wú)緣濾波器或二極管濾波器時(shí)出現(xiàn)的高脈沖數(shù)和負(fù)載的多繞組變壓器等問(wèn)題。有源濾波的通常做法是使用有源電力濾波器來(lái)做補(bǔ)償，具體方法是平衡參考電流和非線(xiàn)性負(fù)載上的諧波和無(wú)功電流分量。但是，當(dāng)如船舶系統(tǒng)這類(lèi)有多個(gè)非線(xiàn)性負(fù)載分布在多個(gè)總線(xiàn)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(gè)分散的來(lái)源，利用APFs來(lái)進(jìn)行全系統(tǒng)范圍的諧波抑制是一個(gè)值得一試的選擇，并且這個(gè)方法還未被系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)。

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(jìn)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(duì)于海上作業(yè)船舶，其需要的功率，即船舶功率曲線(xiàn)，來(lái)自于船舶的動(dòng)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(shí)候，相比于通過(guò)機(jī)械齒輪和長(zhǎng)軸連接原動(dòng)機(jī)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)船，柴油動(dòng)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(hù)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(jìn)的冗余電源電網(wǎng)的設(shè)計(jì)，例如環(huán)形總線(xiàn)設(shè)計(jì)，其能滿(mǎn)足各類(lèi)船級(jí)社的要求設(shè)置，比如ABS，英國(guó)勞氏船級(jí)社，挪威船級(jí)社，德國(guó)船級(jí)社等。這更易于安裝低功率的發(fā)電機(jī)，相比于用冗余機(jī)械驅(qū)動(dòng)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(tái)供應(yīng)船（PSV）電力系統(tǒng)簡(jiǎn)化等效而成，包含有兩條總線(xiàn)和兩個(gè)推進(jìn)負(fù)載，由封閉式母線(xiàn)斷路器來(lái)控制。這些負(fù)載通常負(fù)責(zé)功耗的主要部分和主諧波抑制，使得簡(jiǎn)化合乎情理。在一般操作情況下，船舶由兩個(gè)發(fā)電機(jī)運(yùn)作，分別與對(duì)應(yīng)總線(xiàn)相連，總線(xiàn)1和總線(xiàn)2，假定系統(tǒng)電壓失真的最壞情況。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)分別通過(guò)一個(gè)一個(gè)變頻器連接到每條總線(xiàn)上。變頻器通過(guò)一個(gè)六脈沖或十二脈沖的二極管整流器來(lái)連接總線(xiàn)，并帶有一個(gè)電壓源逆變器來(lái)控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(xiàn)之間包含有串聯(lián)阻抗，有源濾波器與第二條總線(xiàn)相連。

2 利用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值跟蹤指令電流

這個(gè)方法原理較為簡(jiǎn)單，第一步把指令信號(hào)電流與實(shí)際補(bǔ)償電流的差值當(dāng)作滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)滯環(huán)比較器和滯環(huán)帶寬來(lái)進(jìn)行比較，進(jìn)而產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制主電路上的變流器里的各個(gè)開(kāi)關(guān)元件的通斷，控制的值。它的核心思想為：設(shè)定一個(gè)輸出上限與輸出下線(xiàn)，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(kāi)關(guān)使輸出電流減小，反過(guò)來(lái)，如果數(shù)值小于設(shè)定輸出下限時(shí)，就控制變流器開(kāi)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(gè)小范圍內(nèi)穩(wěn)定，滯環(huán)帶寬指的就是這個(gè)輸出上限與輸出下限之和。

滯環(huán)比較的補(bǔ)償電流能否很好的跟蹤指令運(yùn)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(kāi)關(guān)通斷的頻率就比較低，雖然這樣不會(huì)對(duì)電力電子開(kāi)關(guān)器件要求很高，但是跟隨誤差也會(huì)隨之增大，致使補(bǔ)償電流中包含較多的諧波電流，如果值設(shè)的太小的話(huà)，會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率變得很高，對(duì)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(lái)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(diǎn)是跟隨誤差減小，缺點(diǎn)是固定環(huán)寬必會(huì)致使主電路里變流器的開(kāi)關(guān)頻率變化大，尤其實(shí)在值比較大的時(shí)候，環(huán)寬固定有可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率變得很高，甚至?xí)?dǎo)致器件頻率超過(guò)最高開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而使器件損毀。

使用滯環(huán)比較器的瞬時(shí)值比較法有下列優(yōu)勢(shì)：輸出電壓中不包含一定頻率的諧波，比較時(shí)不需要載波，有著較快的電流響應(yīng)速度，是一種有效的實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)。

3 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)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(fù)載相等都是六脈沖整流器的情況下，連接到電網(wǎng)上?？偩€(xiàn)1只考慮到連接總線(xiàn)2上的部分負(fù)載，總線(xiàn)1上的諧波電流會(huì)不受抑制的流過(guò)電網(wǎng)，從一條總線(xiàn)到兩一條，造成比總線(xiàn)2上更高的總諧波含量?？偩€(xiàn)2在這種情況下比總線(xiàn)1更好，這得益于其對(duì)兩條總線(xiàn)上選定諧波的抑制。從圖中可以看出，總線(xiàn)1上的波形有較為明顯的失真，這是可預(yù)料的，是由于總線(xiàn)1上的諧波負(fù)載電流沒(méi)有進(jìn)行補(bǔ)償，相比較起來(lái)，總線(xiàn)2上波形較為平滑。

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

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的快速發(fā)展，各種非線(xiàn)性器件被廣泛的使用，產(chǎn)生的諧波污染日漸嚴(yán)重，而各種精密儀器等其他領(lǐng)域?qū)﹄娔苜|(zhì)量的要求越來(lái)越高，有源電力濾波器作為一種能實(shí)時(shí)動(dòng)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(diǎn)。本文從海上船舶雙電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)經(jīng)由非線(xiàn)性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的諧波，本文只是做了初步的研究，還可以通過(guò)更精確的諧波檢測(cè)算法，或是使用模型預(yù)測(cè)控制等方法來(lái)控制有源電力濾波器來(lái)加強(qiáng)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。